大功率海上風電機組變流及并網(wǎng)控制方案探討-禾望電氣 周黨生

大功率海上風電機組變流及并網(wǎng)控制方案探討周黨生目錄■海上風電發(fā)展概況■海上風電機組技術(shù)趨勢■海上風電變流匹配方案■海上風電并網(wǎng)控制要點■大功率變流裝置研發(fā)思考一、海上風電發(fā)展概況1新能源產(chǎn)業(yè)的核心驅(qū)動力產(chǎn)業(yè)驅(qū)動力：國家可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略"2030碳達峰，2060碳中和"雙碳目標+構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)!“30/60雙碳“目標的確立，及構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的全面部署，在政、產(chǎn)學、研各界形成高度共識，激發(fā)了各行業(yè)/企業(yè)加速減碳的行動!技術(shù)驅(qū)動力：平價上網(wǎng)規(guī)模發(fā)展主體責任新能源裝機及發(fā)電大幅提升后，將取代火電成為“主力電源”,其責、權(quán)、利須匹配!一、海上風電發(fā)展概況2海上風電是風電領(lǐng)域的前沿陣地☆海上風電(離岸10km+,水深10m+)具有風速高、風況穩(wěn)定、不占土地、環(huán)境影響小、靠近負荷中心等突出優(yōu)點!陸上風電發(fā)展經(jīng)驗風電四川海上中一深海域有海工裝備及平臺經(jīng)驗S魅云海上風電同時受益于國家可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略和海洋經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略；但在技術(shù)、工程上的門檻和風險也更高!Hopewind一、海上風電發(fā)展概況我國海上風能資源豐富，近?？砷_發(fā)風能約5億千瓦，沿海分布多個干萬千瓦級海上風電基地!2016年后，我國海上風電試點加速；2021年迎來規(guī)模化發(fā)展階段。國家發(fā)改委《十四五發(fā)展綱要》:重點建設(shè)江蘇、廣東、福建、山東等海上風電基地。2020全球海上風電總裝機容量一=舊201220132014201520162017201820192020全球海上風電新增裝機容量確比科時20102011201220132014201520162017201820192Soure:GWEC,GlobalWi全球風電總裝機容量全球海上風電新增裝機容m偏mHopewind二、海上風電機組技術(shù)趨勢高支撐性高支撐性☆高性價比風電機組☆國產(chǎn)化高適應性高可靠性大功率Hopewind1大功率40-西0NOw主要驅(qū)動力：Hopewind二、海上風電機組技術(shù)趨勢1大功率Hopewind2高可靠性傳輸成本運行維護成本基礎(chǔ)設(shè)施成本風機設(shè)備成本Hopewind二、海上風電機組技術(shù)趨勢3電網(wǎng)適應性與支撐性頻率/Hz穩(wěn)定、低頻振蕩電力電子涉網(wǎng)原動機控制必磁控制T二、海上風電機組技術(shù)趨勢口隨著海上風電平價上網(wǎng)的全面鋪開，度電成本(LCOE)和機組性價比是產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)口海上風電機組的競爭為系統(tǒng)整體方案和質(zhì)量表現(xiàn)的競爭，很大程度上體現(xiàn)為各自供應口國產(chǎn)化是提升部件供應鏈安全性和部件需要經(jīng)歷技術(shù)輔導田讀書政“萬卷”田Hopewind三、海上風電變流匹配方案BC1BC1海上風電機組電氣分類(發(fā)電機、傳動鏈配置)ConvertelGrid歐海上風電E歐滿上風電E歐滿上風電QD海網(wǎng)噸歐源上風電OV112-3MW平臺AV164-8MW平臺DCACCEB功率上升，葉片加長，轉(zhuǎn)速下降，電機/變流器設(shè)計壓力加大!Hopewind三、海上風電變流匹配方案◆雙饋型機組變流器本體僅需處理滑差功率(1/5~1/3);系統(tǒng)具有一定的成本優(yōu)勢。焰本灬主接觸器網(wǎng)側(cè)熔絲好Hopewind三、海上風電變流匹配方案1海上風電機組電氣分類(發(fā)電機、傳動鏈配置)◆全功率型機組率及電氣轉(zhuǎn)換效率高。早期3MW~5MW,現(xiàn)已達到10MW+;更加有利于海上應用。變?nèi)蹤C側(cè)變換器機側(cè)濾波器變流器控制盒主控制器◆齒輪箱配置：低速(無，直驅(qū))、中速(1~2級，半直驅(qū))、高速(2~3級)

機側(cè)工作頻率Hopewind(1)變壓器：塔基，塔筒外；變流器：塔基，塔筒外；發(fā)電機：機艙內(nèi)(2)變壓器：塔基，塔筒外；變流器：塔基，塔筒內(nèi)；發(fā)電機：機艙內(nèi)(3)變壓器：機艙內(nèi)；變流器：機艙內(nèi)；發(fā)電機：機艙內(nèi)690V35kV 690V690V690V35kV690V690Vw一w一690V35kV690V35kVHopewind(1)機組/發(fā)電機類型的功率-電壓約束關(guān)系：690V雙饋發(fā)電機最大到7MW左右；690V全功率發(fā)電機最大到10MW左右。(2)機組變壓器下置/上置不同方案的影響：變壓器下置，由于線損及扭纜問題，對提升變流器、發(fā)電機電壓的需求更強烈；變壓器上置，線損及扭纜解決較徹底；但需一般需干式變壓器，且增加機艙載荷。(3)其他電氣部件的成熟度和供應鏈，系統(tǒng)綜合成本；(4)電壓等級的選取具有重要影響(器件、電路、容量范圍、控制、安規(guī)/維護等),是劃分變流器產(chǎn)品系列的重要維度。不同電壓等級具有不同的相對經(jīng)濟的容量范圍，同時低/中/高壓下的安規(guī)設(shè)計代價及維護資質(zhì)要求也不同。Hopewind關(guān)于低壓/中壓區(qū)分的標準：對IEC60038及GBT156標準電壓標準的理解IEC nIECINTERNATIONAL中華人民共和國國家標準100Vand1000VinclusiweandrelaH基于標準電壓的定義，若限定在低壓范圍，仍可盡量選擇較高的電壓等級，以支持大容量機組的發(fā)展。海外市場，低壓機組的電壓上限選在950V;國內(nèi)市場，低壓機組的電壓上限可選在1140V。Hopewind4不同電壓等級的變流方案—概覽Hopewind4不同電壓等級的變流方案一功率器件HV-GBT損耗，節(jié)溫Hopewind口傳統(tǒng)中小功率裝置通常采用IGBT器件：IGBT器件一般由多芯片并聯(lián)而成，器件電口IGCT器件由GCT芯片和門極驅(qū)動器組成：具有耐壓高、電流大、損耗小、過載能力關(guān)的緩沖、保護策略也不同。Hopewind>低壓雙饋變流器系列>低壓三電平變流器系列>低壓全功率變流器系列>中壓三電平變流器系列Hopewind三、海上風電變流匹配方案兩電平拓撲：模塊化設(shè)計(主要針對全功率):并聯(lián)數(shù)量：1~4臺支持變流器多機+電機多繞配置單機功率：1.0~6.0MW支持變流器多機+電機多繞配置電流Hopewind三、海上風電變流匹配方案三“三“*功率密度高；單元歸一，擴容便利；故障冗余：單元/控制系統(tǒng)；智能切機：輕載效率、壽命均衡.Hopewind三電平拓撲：模塊化設(shè)計(主要針對全功率):并聯(lián)數(shù)量：1~4臺電流電流Hopewind4不同電壓等級的變流方案—1140V低壓雙饋/全功率變流器三電平拓撲：模塊化設(shè)計(主要針對全功率):并聯(lián)數(shù)量：1~4臺電流電流Hopewind三電平拓撲：單機功率：5~12MW支持變流器多機+電機多繞配置，雙機配置可覆蓋20MW風電機組電流Hopewind機側(cè)誠波/開關(guān)機側(cè)誠波/開關(guān)機側(cè)變流器直流母線/斬波網(wǎng)側(cè)變流器網(wǎng)側(cè)濾波器網(wǎng)側(cè)開關(guān)建波Hopewind4不同電壓等級的變流方案—3300V中壓全功率變流器ANPC較NPC可進一步提升功率；先進的PWM算法，可均衡內(nèi)外管損耗與溫升；整體轉(zhuǎn)換效率高：綜合效率98%,輕載(10%)效率基本不降低(97.7%);IGCT器件為壓接型結(jié)構(gòu)：短路不炸機，故障不蔓延。選定的低顧次諧波。1/2周期鏡對稱l20%40%4不同電壓等級的變流方案—變電壓混合機型網(wǎng)側(cè)：690V低壓，兩電平串聯(lián)，變壓器雙繞組；機側(cè)：1380V中壓，三電平，發(fā)電機單繞組?！魅穗娋W(wǎng)網(wǎng)側(cè)變換器：◆機側(cè)電壓高、電流低，縮減電纜一機側(cè)電壓最高1380V,電流降低50%◆機組效率高，無扭纜問題—降低發(fā)電機、電纜及變流器損耗；◆變流器成本低—IGBT電壓利用率高，供應鏈成熟。網(wǎng)側(cè)變換器：◆網(wǎng)側(cè)電壓低一額定電壓690V,國內(nèi)外均屬低壓；◆技術(shù)成熟度高一電路、控制成熟，正負直流母線更加穩(wěn)定；◆變流器成本低一功率器件少，可借用成熟的變流單元。變流器-發(fā)電機的融合設(shè)計存在一定的優(yōu)化空間，設(shè)計了專門的工作點匹配工具。ww特別是對于凸極效應明顯的同步機，優(yōu)化空間更大!A.損耗計算/流體場仿真/溫升分布/節(jié)溫管理77-1B.新型散熱技術(shù)的探索與應用76.76.4振氏度Hopewind針對海上風電嚴酷的運行環(huán)境，發(fā)展了變流器的全面微環(huán)境管理技術(shù)，包括正壓式框架結(jié)構(gòu)及新型防護技術(shù)等，確保機柜運行密封性及運輸過程防護；采用表面鍍層及高噴涂等級氣象防銹膠囊、電纜接口防護、溫/濕度綜合檢測及主動加熱除濕技術(shù)等。接口密封，隔熱棉專用干燥劑，氣象防銹膠囊Hopewind8其他電源及控制設(shè)備需求電池->超級電容>主控系統(tǒng)機組整體控制、管理1風電機組(變流器)并網(wǎng)控制關(guān)鍵技術(shù)4機網(wǎng)互動穩(wěn)定性技術(shù)主動主動適應性強適應性強電能質(zhì)量合格輔助電源電能質(zhì)量合格穩(wěn)定新框架及主體責任穩(wěn)定新框架及主體責任：系統(tǒng)靈活性、彈性...頻率/電壓支撐應用拓展：四海公民快速慣量響應有功/無功調(diào)節(jié)高電壓故障穿越低電壓穿越高低電壓連鎖故障基本電網(wǎng)適應性偏差/變化/諧波/不平衡)2018年√√電網(wǎng)故障穿越：場站/機組應具備低電壓、高電壓、高/低電壓連鎖故障的穿越能力，故障時對電網(wǎng)提供精確的支撐電流，滿足GB/T19963調(diào)節(jié)能力√主動調(diào)頻/調(diào)壓：風電場站/機組需具備慣量響應、一次調(diào)頻以及電壓調(diào)節(jié)能力，需支持快速功率調(diào)節(jié)功能。√虛擬同步機VSG功能：通過模擬同步發(fā)電機組的機電暫態(tài)特性，使得采用變流器的新能源機組具有類似同步發(fā)電機組的慣量、阻尼、一次調(diào)頻、無功調(diào)壓等并網(wǎng)特性。穿越能力調(diào)頻能力響應能力四、海上風電并網(wǎng)控制要點功能實現(xiàn)技術(shù)：功能實現(xiàn)技術(shù)：基本構(gòu)架形成，具體方案多樣，尚待溝通統(tǒng)一。DeDU矢量合成無內(nèi)環(huán)或有內(nèi)環(huán)控制矢量合成d左14e0自動無功調(diào)壓四、海上風電并網(wǎng)控制要點4并網(wǎng)控制模式的拓展與創(chuàng)新并網(wǎng)控制模式技術(shù)路線小結(jié)：電壓控制電流控制電流源輸出電壓的幅值、電壓幅值及頻率自主調(diào)節(jié)f(P),V(Q)附加P(f),Q(V)的輸出側(cè)的新型逆變器四、海上風電并網(wǎng)控制要點4并網(wǎng)控制模式的拓展與創(chuàng)新弱電網(wǎng)功率特性SCR=1.5Hopewind四、海上風電并網(wǎng)控制要點4并網(wǎng)控制模式的拓展與創(chuàng)新 fZ0ofZ,0mZ0ZV0I(①ofZ,0ZZI0√電壓源型變流器VSG整體阻抗呈感性，電流源型變流器的中頻段呈容性!√電壓源型變流器的感性阻抗，有利于與感性電網(wǎng)之間的互動穩(wěn)定，但需與大量電流源型變流器共存。Hopewind四、海上風電并網(wǎng)控制要點5硬件在環(huán)仿真技術(shù)的成熟與應用四、海上風電并網(wǎng)控制要點電網(wǎng)友好型新能源場站電網(wǎng)友好型新能源場站風力發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)