海上风电变流器研究现状与展望

海上风电变流器研究现状与展望

王艳伟王德恒

(保定龙源电气有限公司河北保定071000)

摘要：人们生活水平的提高，用电需求的不断增多，促进了我国电力产业的不断发展。从风电行业发展现状看，我国的海上风电从2014年得到较大突破，从相关数据可知我国在2015年新增约36万kW，累计装机容量从世界排名第五位升至第四位。借力海上资源和政策扶持，我国提出了到2020年完成海上风电累计装机量或将达到40.3GW，我国有望成为海上风电发展的中坚力量。本文就海上风电变流器研究现状与展望展开探讨。

关键词：海上风电变流器；效率；可靠性；可用度

引言

数据分析与统计结果表明，海上电子设备所发生的故障，50%以上是由环境因素造成的。随着电子设备复杂程度的增加、使用环境的恶劣，其可靠性问题显得越来越突出。因此，加强海上风电变流器设备或系统的防护，提高其可靠性是非常重要的。

1海上风电变流器主电路拓扑、器件及参数

在风电变流器中，多采用电压源型变换器，有一些电流源型变换器的研究文献，但尚无应用案例。当前海上风电变流器的主流拓扑是两电平拓扑和三电平拓扑，两电平拓扑主要应用于低压风电变流器中，三电平拓扑在中、低压风电变流器中均被广泛应用。随着控制技术的成熟，更多电平的拓扑也开始应用于风电变流器。表1列出了当前主流商用风电变流器的技术参数。

表1主流商用风电变流器技术参数

由表1可知，目前风电变流器低压和中压方案共存，多采用并联型的拓扑结构。多变换器并联能够有效提高变流器容量、降低生产成本、提高系统的运行可靠性。海上风电机组的大容量化和全功率变换是发展趋势，由于受到齿轮箱容量的制约，5MW以上风电机组的传动链采用直驱型较普遍。中、低压海上风电机组共存，其中690V低压机组历久弥新，3000V中压机组方兴未艾。海上风电机组的大容量化使得变流器的容量不断增大，需要采用更大功率等级的功率器件，或者采用多变换器并联的拓扑结构来满足大功率变换的要求。海上运维不便，对风电机组的运行可靠性提出了更高的要求，采用多变换器并联结构可以有效提升系统的可靠性。海上风电的投资高，必须提高系统效率，增加机组的发电量，才能提高海上风电的经济效益。因此，海上风电机组对效率、可靠性和可用性的要求越来越高。对于大容量风电机组，采用低压方案时，风电机和变流器的出口电流很大，不仅增加了电缆线路的传输损耗，而且带来诸多安装与可靠性问题。采用中压变流方案可以减小线路传输损耗，节省电缆成本，三电平拓扑还可提升功率变换效率，故中压变流方案备受欢迎。目前限制中压方案的瓶颈在于低速同步发电机出口电压的提升上。中压变流器技术上的问题已基本解决，变流器本身的成本偏高，如采用IGCT或者IEGT等开关器件，对水冷设备的特殊要求会进一步增加系统成本，因此中压变流方案的整体优势尚不明显，多MW级风电机组的低压和中压方案将会长期共存，10MW级以上中压方案可能是必然的选择。由于海上风电机组的运维不便，一旦停机将会造成巨大经济损失，因此，海上风电变流器往往采用多变流器并联结构，以提高其运行的可靠性。海上风电机组在大容量、全功率变换趋势下，与其功率匹配的风电变流器的容量也日趋增大。受到功率半导体器件的电气规格的限制，大功率海上风电变流器通常采用多变换器并联的技术方案来增加系统容量。此外，海上风电机组的运行维护的成本高，并联型变流器具有灵活的冗余控制特性，可提高海上风电变流器的运行可靠性。Siemens的海上直驱风电机组SWT-8.0-154采用双变流器并联的变流方案，Gamesa的海上半直驱机组G132-5.0MW采用4台变流器并联的变流方案。可见，多变换器并联是海上风电变流器的必然选择。并联型海上风电变流器主要分为两类：两电平并联型和三电平并联型，如图1所示。两电平并联型风电变流器主要用于低压变流系统，三电平并联型风电变流器应用于低压、中压变流系统。并联型风电变流器的高效、可靠运行控制是亟需攻克的关键技术。

图2海上风电变流器的主流拓扑结构

2主要环境因素对风电变流器的影响

（1）湿度。海域的湿度取决于温度、光照时间、风速和波浪等诸多因素，但海上的相对湿度会明显偏大，长期处于高的相对湿度环境。湿度往往是伴随着多种环境因素同时存在的，且常作为“诱导剂”会引起如吸湿性尘效应、霉菌滋生、腐蚀加速和加剧电化学反应等。在我国南海地区，常出现高相对湿度同时伴随高温的情况。在这种环境中，水汽可能会通过渗透作用进入IP54防护等级的柜体以及密封绝缘器件的内部，最终导致其失效。低相对湿度的影响不在此叙述，湿度对变流器的影响仅考虑高湿度的危害和影响。（2）机械。海上变流器产品耐受的机械应力从港口或者码头安装就开始了，在经历拆包后的吊装、跌落，海运过程中的振动和摇摆，到最后的海上塔基平台进行安装。在海上风机塔筒中长期运行后受到海浪和台风影响产生的振动或者地震应力等，机械应力对变流器的影响。霉菌。霉菌属于真菌中的一类，霉菌的产生必须要有菌种和存在促进其生长能被吸收的营养。几乎所有的含碳化合物和合成有机化合物都被霉菌用作营养源。经研究，霉菌的生长和繁殖需要一定的温度和湿度，绝大多数霉菌繁殖和生长的最适宜温度为22~27℃，最适宜湿度95%RH~100%RH。海上变流器外围环境基本都属于一个长期潮湿环境，容易受到霉菌生长的危害。如柜体的密封胶条、塑胶件、PCB板等都是属于合成有机材料，很容易在这些部位滋生霉菌。

3防护技术的海上风电变流器高可靠性优化结构设计

（1）防潮。潮湿是影响电子设备稳定性、可靠性的最主要的因素。无论是金属材料还是非金属材料，吸潮后均会在其表面形成一层“水膜”，大气中的CO2，SO2，NO2，H2S等气体会溶解在“水膜”中形成电解液，并使绝缘介质的绝缘性能下降，使金属材料产生化学腐蚀或电化学腐蚀。对一般的化学反应来说，如果反应物的浓度恒定，温度每升高10℃，反应速度会增加1～2倍。可见，高温潮湿的腐蚀程度更为严重。潮湿还有助于霉菌等微生物的生长而侵蚀金属和非金属材料。所以，潮湿是造成腐蚀的最大根源。（2）防振技术。据华为公司统计表明，振动对元器件的危害比冲击更为严重，振动失效率约为冲击的4倍。振动会引起元器件引线断裂；使弹性零件变形，使接触元件如电位器、插座等接触不良或完全断开；引起电路电参数变化；使印制板、支架、底板等变形或断裂；使螺钉、螺母松动；使防潮和密封措施受到破坏等。海上平台的摇摆及振动比较大，要充分考虑海上风电机组的抗振及减振要求。（3）防霉变。可腐蚀电气绝缘材料的霉菌种类很多，我国科研人员先后从霉腐的绝缘材料上分离获得的菌种有500多种。霉菌在生命活动中，一方面吸收和分解有机材料中的某些成分作为养料，从而破坏材料的结构和性能；另一方面由代谢作用分泌出来的酶和有机酸（如碳酸、草酸、醋酸、柠檬酸等）可对金属产生腐蚀，并且使绝缘介质的表面电阻大幅度下降。霉菌的生长会构成一种扩展性的物质堆积，从而破坏金属表面的保护层（如表面涂层和钝化膜），使之松动、开裂或起泡，这种堆积物还会引起印制导线间的短路和线圈的霉断等。

结语

风电变流器作为风力发电机组与电网的接口，既是风电机组也是电网的强可控环节，其技术进步直接影响着机组的并网能力和发电效率。海上风电变流器的技术发展趋势体现在：轻载且大幅波动工况下变流器的效率提升技术、以容错运行为代表的变流器可利用率提升技术、变流器的无闭锁故障穿越技术、变流器适应风电直流并网的技术、以主动阻尼电网频率为代表的变流器电网支撑技术和变流器的紧凑化和维护便利化设计技术等。

参考文献:

[1]吴斌.风力发电系统的功率变换与控制[M].北京：机械工业出版社，2015：8-11.

[2]年珩.故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述[J].中国电机工程学报，2015.