2018年11月14日上午，由中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)風(fēng)力發(fā)電電器設(shè)備分會(huì)、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、東方風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)主辦，江蘇中車(chē)電機(jī)有限公司承辦的第三屆中國(guó)海上風(fēng)電大會(huì)暨風(fēng)電電氣裝備高峰論壇在北京四川五糧液龍爪樹(shù)賓館隆重開(kāi)幕。
清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院先進(jìn)直流技術(shù)研究中心執(zhí)行主任楊超在嘉賓演講環(huán)節(jié)發(fā)表了題為《基于先進(jìn)電力電子技術(shù)的大容量海上風(fēng)電并網(wǎng)與輸送》的演講：
今天我給各位分享的主題主要分為五個(gè)內(nèi)容：
一、海上風(fēng)電發(fā)展概況；
相信這兩天各位專(zhuān)家可能都做了不同類(lèi)型的非常詳細(xì)的介紹，在我這兒就大概的給大家快速的過(guò)一下一些基本要點(diǎn)。根據(jù)清華大學(xué)前期的一些調(diào)研以及現(xiàn)在的一些學(xué)術(shù)資料來(lái)看，我國(guó)在5-25米水深以內(nèi)的近海區(qū)域，海平面以上50米高度的風(fēng)電可裝機(jī)容量大概2億千瓦這樣一個(gè)量級(jí)。有些特點(diǎn)包括東部海岸線長(zhǎng)，風(fēng)能資源好，風(fēng)能質(zhì)量好，具備大規(guī)模發(fā)展海上點(diǎn)的資源條件。另外東部區(qū)域電力需求巨大，海上風(fēng)電可以就近消納，在這一區(qū)域發(fā)展海上風(fēng)電具有非常廣闊的前景。
根據(jù)前期的一些統(tǒng)計(jì)可以看到這是2017年中國(guó)海上風(fēng)電新增容量達(dá)到1.164兆瓦，比前一年增長(zhǎng)了71.5%，這是非常巨大的一個(gè)數(shù)字。截止2017年底，中國(guó)已建成的海上風(fēng)電項(xiàng)目裝機(jī)容量共計(jì)2788兆瓦。在2016年已經(jīng)躍升到全球第三位。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量能達(dá)到5GW這樣一個(gè)量級(jí)。
再看一下海上風(fēng)電發(fā)展的趨勢(shì)，首先看到風(fēng)機(jī)容量不斷地在提高，歐洲海上風(fēng)電歷年的一些裝機(jī)容量，是逐年在提高的。目前來(lái)說(shuō)聰穎過(guò)、德國(guó)、丹麥一些西歐國(guó)家，100兆瓦以上的大型海上風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)具備，大部分采用6兆瓦機(jī)組。2016年歐洲海上風(fēng)電平均單機(jī)容量4.8兆瓦，到2016年底8兆瓦的一些機(jī)組也完成了吊裝和并網(wǎng)發(fā)電。這里面我們看到是中國(guó)海上風(fēng)機(jī)不同功率機(jī)組累計(jì)的安裝容量，主要是以3-4兆瓦的風(fēng)機(jī)為主，6兆瓦的機(jī)組也已經(jīng)有了一些實(shí)際的應(yīng)用，我們相信到2020年我們具備8兆瓦及以上的大型海上風(fēng)機(jī)制造的能力。
歐洲海上風(fēng)機(jī)組歷年的離岸距離，2015年歐洲新建的項(xiàng)目平均離岸距離是38.4公里，同比增長(zhǎng)了28%，2016年到了43.5公里。目前來(lái)說(shuō)德國(guó)Global Tech1期風(fēng)電場(chǎng)離岸距離達(dá)到115公里。相信隨著海上風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，這種趨勢(shì)一定會(huì)在中國(guó)復(fù)制，也會(huì)有同樣的離岸距離越來(lái)越遠(yuǎn)的情況。
二、大容量海上風(fēng)電換流器；
目前來(lái)說(shuō)風(fēng)機(jī)絕大多數(shù)都是變速風(fēng)機(jī)，主要的兩個(gè)主流技術(shù)分別就是雙饋風(fēng)機(jī)組和直驅(qū)風(fēng)機(jī)組，比較而言就是在雙饋這一塊，主要是換流器連接在轉(zhuǎn)子和定子之間，換流器容量相對(duì)來(lái)說(shuō)要比風(fēng)機(jī)小一些，大概是30%左右。有什么樣的問(wèn)題？主要是維護(hù)成本比較高，齒輪箱需要定期維護(hù)，通常來(lái)說(shuō)換流器通過(guò)滑環(huán)與電刷還有轉(zhuǎn)子連接，平均的壽命大概6-19個(gè)月。另外一個(gè)應(yīng)用比較廣泛的就是直驅(qū)的風(fēng)機(jī)組，通過(guò)換流器背靠背連接在定子與電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，通常采用的是全功率背靠背的換流器。大家比較熟悉的ABB的PSS6000。好處是維護(hù)成本比較低，通過(guò)采用高極對(duì)數(shù)的發(fā)電機(jī)，甚至可以不用齒輪箱，采用永磁的還能進(jìn)一步取消滑環(huán)與電刷。
做一個(gè)比較，接下來(lái)會(huì)看到風(fēng)機(jī)的換流器的電壓等級(jí)逐步升高，目前來(lái)說(shuō)主要典型的電壓是在690V，我們通過(guò)一些大量的仿真比較，實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，我們認(rèn)為三到四千伏以上的風(fēng)機(jī)，三電平是最好的。典型功率我們?cè)谀壳皝?lái)說(shuō)690V主要集中在0.75-6兆瓦的容量，大于3兆瓦我們認(rèn)為采用三千伏和更高的容量是最合適的。目前狀態(tài)也是比較成熟的，市場(chǎng)應(yīng)用相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較少。
另外大概看一下大容量風(fēng)機(jī)組的技術(shù)趨勢(shì)，目前最大容量是8兆瓦，很多國(guó)內(nèi)外的企業(yè)也在做10-15兆瓦的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。預(yù)計(jì)到2020年可能會(huì)有15兆瓦以上的風(fēng)機(jī)。10兆瓦級(jí)以上的風(fēng)電換流器的研究發(fā)展方向就提出了很多新的挑戰(zhàn)，在器件層面需要更高的電壓，更大的容量，更低的損耗器去應(yīng)用。在換流器拓?fù)洳辉賳螁蜗抻诙O管，可能還有新的3電平、4電平，5電平的方式，甚至緊湊化的MMC方案。還有如何將風(fēng)機(jī)換流器與直流變流的功能與直流輸送的功能相結(jié)合。
三、大容量海上風(fēng)電直流輸電；
我們都知道現(xiàn)在目前來(lái)說(shuō)海上風(fēng)電并網(wǎng)有交直流兩種方式，傳輸距離超過(guò)一定距離之后就會(huì)有兩個(gè)不同的問(wèn)題，一是產(chǎn)生交流的時(shí)候電纜電容充電對(duì)輸電容量的影響，交流輸電海底電纜距離逐步增大輸電在下降。二造價(jià)與輸電距離的關(guān)系，當(dāng)傳輸距離通常我們認(rèn)為在海上超過(guò)50公里交流就比直流的經(jīng)濟(jì)性要更差了。所以隨著風(fēng)場(chǎng)距離的增加，我們認(rèn)為輸送容量也進(jìn)一步增大，直流輸送方式一定會(huì)成為一個(gè)必然的選擇。
目前我們大致對(duì)現(xiàn)有的比較前沿的以及未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)的做了一個(gè)總結(jié)，最常見(jiàn)的就是交流匯集集中換流的一種方式，第二種就是交流匯集和二極管整流的方式，好處就是我們的二極管的換流站可以做得非常小，也是西門(mén)子現(xiàn)在在提的一個(gè)新的技術(shù)解決方案。第三種就是串聯(lián)直流輸電，我們采用了直流的換流器采用串聯(lián)升壓的方式，這樣的一個(gè)好處可以是避免使用海上的大型換流站平臺(tái)的方式。第四種也是通過(guò)直流匯集，采用直流輸電的方式。
做一個(gè)比較，方式一：現(xiàn)在比較常見(jiàn)，目前來(lái)說(shuō)大部分都是采用這樣一種非常成熟。方式二：目前來(lái)說(shuō)是一些企業(yè)在主流去推的，可以說(shuō)相對(duì)來(lái)說(shuō)它的海上平臺(tái)可以做得比較分散，可以做得更小，對(duì)海工技術(shù)要求更低一些，風(fēng)機(jī)控制要做一些改變，建設(shè)難度可以說(shuō)比現(xiàn)有的方式要減小了，成本也可以進(jìn)一步降低，關(guān)鍵技術(shù)我們認(rèn)為近期是可具備的。方式三：串聯(lián)直流這樣一種方式，這也是我們目前認(rèn)為將來(lái)會(huì)是比較有前景應(yīng)用的方式，可以看到它是不需要建立海上平臺(tái)的，這也是一直以來(lái)困擾海上風(fēng)電的一個(gè)最大的挑戰(zhàn)，在風(fēng)機(jī)換流器上肯定要做一定的調(diào)整，我們認(rèn)為采用更高電壓等級(jí)的風(fēng)機(jī)換流器會(huì)更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。也會(huì)要求進(jìn)一步去做風(fēng)機(jī)控制的調(diào)整，建設(shè)難度相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較小，因?yàn)槲覀兪∪チ撕Ｉ檄h(huán)流平臺(tái)的要求。方式四：這應(yīng)該是我們展望未來(lái)的一種更具挑戰(zhàn)性或者具有新的電力電子技術(shù)的應(yīng)用。
四、大容量電力電子器件發(fā)展；
因?yàn)榍懊嬉步榻B了隨著風(fēng)機(jī)容量的不斷增大，換流器容量不斷地增大，也要求我們對(duì)電力電子器件無(wú)論是容量上，電壓電流等級(jí)上及可靠性都提出了一些新的要求。目前來(lái)說(shuō)比較成熟的器件主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是晶閘管類(lèi)，二類(lèi)是晶體管類(lèi)的。這四款器件可能是目前來(lái)說(shuō)大功率上應(yīng)用最為廣泛的。
我們選取最為典型的兩類(lèi)，一個(gè)是IGCT一個(gè)是IGBT，它倆的差別一個(gè)是門(mén)極電流控制器件不同，IGCT導(dǎo)通壓降較低，IGBT導(dǎo)通壓降大。IGCT所能實(shí)現(xiàn)的電壓交流等級(jí)較高，IGBT比較低一點(diǎn)。
進(jìn)一步去看IGCT比較主要結(jié)合了IGBT和GOT的優(yōu)點(diǎn)，可靠性高，成本低、工藝基礎(chǔ)好、壓降低、體積小。綠色這條線是IGCT主要的工作區(qū)間，基本上都覆蓋了IGBT。
再去看一些它的器件的優(yōu)勢(shì)，首先它是一個(gè)壓裝封裝型的器件，器件的故障后首先來(lái)說(shuō)不會(huì)發(fā)生爆炸，失效模式也是短路的失效模式，散熱性能更好。相較于壓接式IGBT我們認(rèn)為IGCT具有明顯成本優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榍懊嬉步榻B了IGCT是基于晶閘管技術(shù)的，非常適合在中國(guó)的應(yīng)用或者在器件上的拓展。因?yàn)橹袊?guó)國(guó)內(nèi)在生產(chǎn)晶閘管這個(gè)技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，但在生產(chǎn)IGBT這個(gè)工藝上還有很長(zhǎng)的路要走。
考慮到通過(guò)使用IGCT或者IGBT來(lái)構(gòu)建模塊化多電平的換流器，根據(jù)之前發(fā)表一些論文可以看到，基于IGCT的MMC失效率比IGBT要小很多，僅僅為1/4這樣一個(gè)數(shù)量級(jí)，這張圖展示了是20年之后它的可靠度在10年以上，在12年可能都還是非常高。
單純從器件層面來(lái)看IGCT的可靠性是怎么樣，這個(gè)也是基于之前大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以看到IGCT的失效率僅為IGBT的1/3，主要是IGCT的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)決定它的可靠性高于IGBT的芯片，首先采用單片結(jié)構(gòu)，降低了故障的機(jī)率，另外是采用積極開(kāi)路的模式，降低了器件被損害的機(jī)率。采用全壓接式設(shè)計(jì)，無(wú)焊線。另外是壓接式的封裝，密封模式下故障情況不會(huì)發(fā)生爆炸。
另外我們?nèi)タ匆幌翴GCT器件跟IGBT對(duì)比的一個(gè)效率，可以看到這是一個(gè)導(dǎo)通壓降，這是IGCT的導(dǎo)通壓降，比IGBT小1.5V，同時(shí)可以看到在應(yīng)用IGCT和IGBT它的整體MMC的效率對(duì)比，IGCT是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IGBT的。
五、總結(jié)。
最后做一個(gè)總結(jié)，目前來(lái)說(shuō)海上風(fēng)電在快速發(fā)展，我們的裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到第三位，可能會(huì)再向上躍升。目前的項(xiàng)目從現(xiàn)在的由小即大，離岸距離由近及遠(yuǎn)的趨勢(shì)，相信海上風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)柔性直流輸電的接入電網(wǎng)的方式具有更好的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性。大容量海上風(fēng)電的直流輸電面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)，減小甚至取消海上集中環(huán)流平臺(tái)是發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)將向全直流的海上風(fēng)電接入方式發(fā)展。大量IGCT器件具有容量大、成本低、損耗低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在大容量海上風(fēng)電具有廣泛應(yīng)用前景。
（發(fā)言整理自現(xiàn)場(chǎng)速記，未經(jīng)本人審核）
