大功率海上风电机组变流及并网控制方案探讨-禾望电气 周党生

大功率海上风电机组变流及并网控制方案探讨周党生目录■海上风电发展概况■海上风电机组技术趋势■海上风电变流匹配方案■海上风电并网控制要点■大功率变流装置研发思考一、海上风电发展概况1新能源产业的核心驱动力产业驱动力：国家可持续能源发展战略"2030碳达峰，2060碳中和"双碳目标+构建以新能源为主体的新型电力系统!“30/60双碳“目标的确立，及构建以新能源为主体的新型电力系统的全面部署，在政、产学、研各界形成高度共识，激发了各行业/企业加速减碳的行动!技术驱动力：平价上网规模发展主体责任新能源装机及发电大幅提升后，将取代火电成为“主力电源”,其责、权、利须匹配!一、海上风电发展概况2海上风电是风电领域的前沿阵地☆海上风电(离岸10km+,水深10m+)具有风速高、风况稳定、不占土地、环境影响小、靠近负荷中心等突出优点!陆上风电发展经验风电四川海上中一深海域有海工装备及平台经验S魅云海上风电同时受益于国家可持续能源发展战略和海洋经济发展战略；但在技术、工程上的门槛和风险也更高!Hopewind一、海上风电发展概况我国海上风能资源丰富，近海可开发风能约5亿千瓦，沿海分布多个干万千瓦级海上风电基地!2016年后，我国海上风电试点加速；2021年迎来规模化发展阶段。国家发改委《十四五发展纲要》:重点建设江苏、广东、福建、山东等海上风电基地。2020全球海上风电总装机容量一=旧201220132014201520162017201820192020全球海上风电新增装机容量确比科时20102011201220132014201520162017201820192Soure:GWEC,GlobalWi全球风电总装机容量全球海上风电新增装机容m偏mHopewind二、海上风电机组技术趋势高支撑性高支撑性☆高性价比风电机组☆国产化高适应性高可靠性大功率Hopewind1大功率40-西0NOw主要驱动力：Hopewind二、海上风电机组技术趋势1大功率Hopewind2高可靠性传输成本运行维护成本基础设施成本风机设备成本Hopewind二、海上风电机组技术趋势3电网适应性与支撑性频率/Hz稳定、低频振荡电力电子涉网原动机控制必磁控制T二、海上风电机组技术趋势口随着海上风电平价上网的全面铺开，度电成本(LCOE)和机组性价比是产业规模化发口海上风电机组的竞争为系统整体方案和质量表现的竞争，很大程度上体现为各自供应口国产化是提升部件供应链安全性和部件需要经历技术辅导田读书政“万卷”田Hopewind三、海上风电变流匹配方案BC1BC1海上风电机组电气分类(发电机、传动链配置)ConvertelGrid欧海上风电E欧满上风电E欧满上风电QD海网吨欧源上风电OV112-3MW平台AV164-8MW平台DCACCEB功率上升，叶片加长，转速下降，电机/变流器设计压力加大!Hopewind三、海上风电变流匹配方案◆双馈型机组变流器本体仅需处理滑差功率(1/5~1/3);系统具有一定的成本优势。焰本灬主接触器网侧熔丝好Hopewind三、海上风电变流匹配方案1海上风电机组电气分类(发电机、传动链配置)◆全功率型机组率及电气转换效率高。早期3MW~5MW,现已达到10MW+;更加有利于海上应用。变熔机侧变换器机侧滤波器变流器控制盒主控制器◆齿轮箱配置：低速(无，直驱)、中速(1~2级，半直驱)、高速(2~3级)

机侧工作频率Hopewind(1)变压器：塔基，塔筒外；变流器：塔基，塔筒外；发电机：机舱内(2)变压器：塔基，塔筒外；变流器：塔基，塔筒内；发电机：机舱内(3)变压器：机舱内；变流器：机舱内；发电机：机舱内690V35kV 690V690V690V35kV690V690Vw一w一690V35kV690V35kVHopewind(1)机组/发电机类型的功率-电压约束关系：690V双馈发电机最大到7MW左右；690V全功率发电机最大到10MW左右。(2)机组变压器下置/上置不同方案的影响：变压器下置，由于线损及扭缆问题，对提升变流器、发电机电压的需求更强烈；变压器上置，线损及扭缆解决较彻底；但需一般需干式变压器，且增加机舱载荷。(3)其他电气部件的成熟度和供应链，系统综合成本；(4)电压等级的选取具有重要影响(器件、电路、容量范围、控制、安规/维护等),是划分变流器产品系列的重要维度。不同电压等级具有不同的相对经济的容量范围，同时低/中/高压下的安规设计代价及维护资质要求也不同。Hopewind关于低压/中压区分的标准：对IEC60038及GBT156标准电压标准的理解IEC nIECINTERNATIONAL中华人民共和国国家标准100Vand1000VinclusiweandrelaH基于标准电压的定义，若限定在低压范围，仍可尽量选择较高的电压等级，以支持大容量机组的发展。海外市场，低压机组的电压上限选在950V;国内市场，低压机组的电压上限可选在1140V。Hopewind4不同电压等级的变流方案—概览Hopewind4不同电压等级的变流方案一功率器件HV-GBT损耗，节温Hopewind口传统中小功率装置通常采用IGBT器件：IGBT器件一般由多芯片并联而成，器件电口IGCT器件由GCT芯片和门极驱动器组成：具有耐压高、电流大、损耗小、过载能力关的缓冲、保护策略也不同。Hopewind>低压双馈变流器系列>低压三电平变流器系列>低压全功率变流器系列>中压三电平变流器系列Hopewind三、海上风电变流匹配方案两电平拓扑：模块化设计(主要针对全功率):并联数量：1~4台支持变流器多机+电机多绕配置单机功率：1.0~6.0MW支持变流器多机+电机多绕配置电流Hopewind三、海上风电变流匹配方案三“三“*功率密度高；单元归一，扩容便利；故障冗余：单元/控制系统；智能切机：轻载效率、寿命均衡.Hopewind三电平拓扑：模块化设计(主要针对全功率):并联数量：1~4台电流电流Hopewind4不同电压等级的变流方案—1140V低压双馈/全功率变流器三电平拓扑：模块化设计(主要针对全功率):并联数量：1~4台电流电流Hopewind三电平拓扑：单机功率：5~12MW支持变流器多机+电机多绕配置，双机配置可覆盖20MW风电机组电流Hopewind机侧诚波/开关机侧诚波/开关机侧变流器直流母线/斩波网侧变流器网侧滤波器网侧开关建波Hopewind4不同电压等级的变流方案—3300V中压全功率变流器ANPC较NPC可进一步提升功率；先进的PWM算法，可均衡内外管损耗与温升；整体转换效率高：综合效率98%,轻载(10%)效率基本不降低(97.7%);IGCT器件为压接型结构：短路不炸机，故障不蔓延。选定的低顾次谐波。1/2周期镜对称l20%40%4不同电压等级的变流方案—变电压混合机型网侧：690V低压，两电平串联，变压器双绕组；机侧：1380V中压，三电平，发电机单绕组。△人电网网侧变换器：◆机侧电压高、电流低，缩减电缆一机侧电压最高1380V,电流降低50%◆机组效率高，无扭缆问题—降低发电机、电缆及变流器损耗；◆变流器成本低—IGBT电压利用率高，供应链成熟。网侧变换器：◆网侧电压低一额定电压690V,国内外均属低压；◆技术成熟度高一电路、控制成熟，正负直流母线更加稳定；◆变流器成本低一功率器件少，可借用成熟的变流单元。变流器-发电机的融合设计存在一定的优化空间，设计了专门的工作点匹配工具。ww特别是对于凸极效应明显的同步机，优化空间更大!A.损耗计算/流体场仿真/温升分布/节温管理77-1B.新型散热技术的探索与应用76.76.4振氏度Hopewind针对海上风电严酷的运行环境，发展了变流器的全面微环境管理技术，包括正压式框架结构及新型防护技术等，确保机柜运行密封性及运输过程防护；采用表面镀层及高喷涂等级气象防锈胶囊、电缆接口防护、温/湿度综合检测及主动加热除湿技术等。接口密封，隔热棉专用干燥剂，气象防锈胶囊Hopewind8其他电源及控制设备需求电池->超级电容>主控系统机组整体控制、管理1风电机组(变流器)并网控制关键技术4机网互动稳定性技术主动主动适应性强适应性强电能质量合格辅助电源电能质量合格稳定新框架及主体责任稳定新框架及主体责任：系统灵活性、弹性...频率/电压支撑应用拓展：四海公民快速惯量响应有功/无功调节高电压故障穿越低电压穿越高低电压连锁故障基本电网适应性偏差/变化/谐波/不平衡)2018年√√电网故障穿越：场站/机组应具备低电压、高电压、高/低电压连锁故障的穿越能力，故障时对电网提供精确的支撑电流，满足GB/T19963调节能力√主动调频/调压：风电场站/机组需具备惯量响应、一次调频以及电压调节能力，需支持快速功率调节功能。√虚拟同步机VSG功能：通过模拟同步发电机组的机电暂态特性，使得采用变流器的新能源机组具有类似同步发电机组的惯量、阻尼、一次调频、无功调压等并网特性。穿越能力调频能力响应能力四、海上风电并网控制要点功能实现技术：功能实现技术：基本构架形成，具体方案多样，尚待沟通统一。DeDU矢量合成无内环或有内环控制矢量合成d左14e0自动无功调压四、海上风电并网控制要点4并网控制模式的拓展与创新并网控制模式技术路线小结：电压控制电流控制电流源输出电压的幅值、电压幅值及频率自主调节f(P),V(Q)附加P(f),Q(V)的输出侧的新型逆变器四、海上风电并网控制要点4并网控制模式的拓展与创新弱电网功率特性SCR=1.5Hopewind四、海上风电并网控制要点4并网控制模式的拓展与创新 fZ0ofZ,0mZ0ZV0I(①ofZ,0ZZI0√电压源型变流器VSG整体阻抗呈感性，电流源型变流器的中频段呈容性!√电压源型变流器的感性阻抗，有利于与感性电网之间的互动稳定，但需与大量电流源型变流器共存。Hopewind四、海上风电并网控制要点5硬件在环仿真技术的成熟与应用四、海上风电并网控制要点电网友好型新能源场站电网友好型新能源场站风力发电系统光伏发电系统