从受制于人到国产品牌引领!一文了解国产风电变流器这20年

发表时间:2022-10-07 01:07:21 | 作者:爱游戏app登录 | 来源:爱游戏官方网站入口

  中国风电变流器产品平台已经完成了双馈机型1.xMW-6.XMW,全功率机型2.XMW-12.XMW的全覆盖

  站在历史的桥头回眸,从第一台自主知识产权的风电变流器并网,到现在的12MW巨无霸问世,中国风电变流器的跨步向前,既历经风雨,又振奋人心。每一块电路板的焊接,每一句代码的编写;每一个小问题的解决,每一个新技术的开拓,都刻进中国风电人的生命里,也流进中国风电人的血液中。

  电力电子技术是中国的一门具有传统优势的学科,风力发电技术在中国也早就试探。真正将两者结合起来并达到了一定的水平,应该要追溯到“十五”期间。

  “十五”规划中明确提出:要在“十五”期间掌握兆瓦级风电变流器技术,完成样机开发及试点示范。国内开始出现一批变流器厂家样机的研制和大量的试验。

  2006-2010的五年间,是中国风电装机批量化的开局五年。那五年风电变流器的市场却牢牢被国外品牌占领,中国风电变流器的进口率高达95%,前四位分别是ABB、科孚德、超导和艾默生。

  进口风电变流器紧紧的依附着风电机组的整机技术,每一条整机技术流派的输入都捆绑着一个品牌的进口变流器。仅ABB就依靠与整机技术厂家捆绑,顺利进入了金风、国电联合动力、明阳、东方电气、浙江运达的合格供方,这些都是当时中国风电整机的龙头。

  变流器单台售价100万以上,质保期三年,质保后续繁琐的售后条款和高昂的售后费用,更是达到让人瞠目结舌的程度。这些苛刻的制约,极大的影响了中国风电的健康发展。为此国家发改委在相关文件中明确提出:中国风电设备国产化率要达到70%。

  时至今日,风电变流器在国内的装机中,国产与进口装机又达到了悬殊了比例,只是主角和配角已然不复当年。据彭博新能源财经公布数据,2020年中国风电新增吊装容量57.8GW,阳光电源2020年风电变流器销售量超过6000台(超16GW),禾望电气2020年风电变流器销售量4175台,浙江日风电气2020年风电变流器销售1591台(4579.75MW),加上海得控制、天诚同创、天津瑞能等其他国产品牌的销售量,风电变流器国产品牌市场占有率已经远远超过进口品牌,国产风电变流器实现了一个华丽的转身。

  受制于人的基因从来没有长在国人的骨子里,让中国的风电机组配套中国品牌的变流器,是中国风电人最朴素的 ‘中国心’。

  从直驱风电机组向双馈风电机组发起挑战的那天起,变流器技术就走到了双馈和全功率两条技术路线的岔路口,可以说这个选择是被动的,当然也可以说是主动的。说是被动的,是因为变流器作为风电机组的部件之一,自然也受制于整机技术选择,所谓局部服从整体,小家服从大家;说是主动的,是因为在每一次看似被动的优胜劣汰的竞争中,留下的都是那些主动选择自我蜕变的人。

  全功率变流器在风电行业,大部分是适配永磁发电机。它是在发电机定子与电网之间连接了一个与发电机功率相同的变流器。双馈变流器适配的是双馈发电机,它是在发电机转子与电网之间连接一个变流器。

  所以双馈变流器最突出的优势就在于,在相同风电机组功率下,双馈变流器的容量仅是全功率变流器容量的1/3,成本更低。也由于这种与电网的强耦合,使得双馈变流器对电网波动更敏感。而全功率变流器虽然成本更高,但由于其与电网全隔离的特性,使得发电机受到的冲击更小,寿命更长,稳定性更好。尤其是在低电压穿越、无功支撑等电网适应能力上,突出的友好。

  源于两种风电机型的各有优劣,两种变流器也并存于市场。根据《2016全国大型风能设备行业年会暨产业发展论坛会议》文件,2015 年我国新增风电机组中,双馈式风电机组约占 68%,其中 2MW 双馈异步发电机变速恒频风电机组已经成为主流机型。但是从发展趋势看,直驱式机组的比例在缓慢上升。2015年新增大型风电机组中,永磁直驱式风电机组约占 30%以上。在 3MW 以上的大功率风电机组中,直驱式机型的比例超过了双馈机组。“十三五”期间,2MW-3MW风电机组成为我国陆上风电场的主流机型,市场份额已经占到 70%以上。

  双馈和全功率的博弈在持续进行着,而且势必将持续进行下去。不同技术路线的PK看似是市场竞争的驱使,实则更是技术进步的最原始动力。

  960万平方公里的广袤大地上,或四季分明,或风云突变。显然,国外技术在进入中国之前并没有来得及消化中国的高温、极寒、高海拔、沙尘暴、强湍流、大电网。国产变流器在二十年的行业发展中,为制造出适合中国气候环境和电网环境的风电变流器,上下求索,不断尝试。

  2011年2月24日凌晨,甘肃酒泉风电基地桥西风电场单条35kV馈电回路故障,导致共计598台风电机组脱网,损失出力84万千瓦,造成西北主网频率低至49.854Hz。

  今天,低电压穿越对于中国风电变流器来说,只是一个基础功能。但是,由于低电压穿越功能引发的“风电场大规模接入电网的整体安全性亟待解决”的思考,不可谓不深刻,不久远。“2.24”事故写进了中国电网教训的历史,也写进了中国风电发展的历史。

  低电压穿越,是摆在中国风电变流器国产化面前的第一次大考。制动电阻怎么选,撬棒如何动,625ms的峰值和2000ms的持续,曾经深深的刻在每个变流器工程师的样本里、程序里、脑子里。电科院测试设备的每一次跌落都牵挂着他们的心。那时候“某某变流器低电压穿越一次性通过”的新闻可以毫无疑问的C位出道,登堂入室的占据各大媒体的头版头条。

  2012年10月30日,禾望电气自主研发的1.5MW双馈变流器配合运达WD82-1500型风电机组顺利通过中国电科院的低电压穿越能力一致性评估;

  2014年9月12日,在江苏如东潮间带国家海上示范风场,海装风电H151-5.0MW海上风电机组,国内首个5MW级别风电机组完成所有低电压穿越型式测试的机型,是首个完成海上低电压穿越测试的机型;

  2017年4月22日,阳光电源5MW/3300V中压全功率型海上风电变流器国内率先通过中国电力科学研究院低电压穿越正式测试;

  2018年12月,明阳智能MySE5.5-7.0MW平台海上风电机组在兴化湾试验风场零故障一次性完成海上低穿测试,开创了我国在海上进行风电机组低电压穿越测试的先河。

  变流器的核心部件之一是功率单元。随着变流器单体功率的不断增加,功率单元也成倍增长。可是变流器功率单元“怕热”,过高的温升会导致IGBT的性能和可靠性降低,甚至导致其失效,所以散热器的设计就显得尤为重要。

  风冷散热维护方便,水冷散热效率高。以双馈为例,小功率的变流器,风冷尚且可以满足功率单元散热的需求。但是到了大功率,水冷散热成了行业的不二选择。

  但是水冷系统本身体积庞大,占据空间,维护频繁,有多路检测和控制信号增加,本身也存在一些技术瓶颈。

  如何在保证高可靠性、免维护的目标下给大功率变流器“降温”,给变流器的结构设计提出了不小的挑战。

  近些年,国产品牌通过不断地经验积累和技术开发,优化结构设计,升级散热材料,成功研制出了风冷型大功率双馈风电变流器。

  2018年10月,阳光电源在北京国际风能展发布国内首款主控一体化3.XMW风冷变流器,随后禾望电气、艾默生等也推出3MW功率等级的风冷变流器,自此,国内陆上风电变流器在3-4MW功率等级的散热方式,全面进入风冷模式;

  2020年10月, 阳光电源5MW双馈风冷变流器亮相北京风能展,风冷模式创下国内单机功率等级新高。

  吉林通榆风电基地的磁同步谐振问题,对风电行业来说,或者说对于变流器人来说是件大事。这次事故不只是给国家电网敲响了警钟,更让风电变流器人意识到,随着大面积风电的装机和并网,磁同步谐振问题再也无法回避,缺的课是时候补上了。

  固定串补会导致双馈型风电机组的次同步谐振,从而导致大量风电机组的批量脱网,甚至损坏设备本身,这是被国内外已有的运行经验早已证明过的。

  通过对吉林通榆风电基地不同的次同步谐振形态的研究和分析,退出线路串补、风电机组小风投切控制策略、变流器次同步谐振抑制控制策略、以及次同步谐振的检测及保护控制技术相继被提出,为风电场的规模化并网和电网的远距离输电的耦合提供解决方案。

  2018年开始,三电平产品在风电变流器行业异军突起,打破了传统低压690v的限制,在其推出后,迅速得到了各大整机厂家的青睐,顺应了平价时代的洪流,成为了风电变流器技术路线发展道路上一颗耀眼的明星。

  上世纪八十年代,日本学者Nabae提出基于二极管钳位的三电平逆变电路,至今三电平技术已经在电力电子行业应用多年。风电变流器借鉴了三电平技术在光伏逆变器的成功应用经验,相对于传统变流器两电平,三电平的电气拓扑更为复杂,模组结构设计、控制策略难度更大。但输出谐波含量低,电能变换效率高是最重要的特点。特别是三电平可采用传统的两电平器件实现并网电压的抬升,进而有效减少线缆成本,这完全契合了平价时代整机降本增效的需求。

  2019年8月12日,全球首次应用950V双馈三电平电气传动技术的远景能源3.XMW风机在河北风场并网,使用950V三电平电气传动链后,单台风机年满发小时数可提升1个百分点,相比690V两电平系统,950V三电平系统增加了电平数,且电平阶跃幅度降低了36%,开关频率下降了30%,使得绝缘寿命提升大于25%,发电机、动力电缆的寿命因此得以延长,地埋电缆用量、箱变物料成本亦有所降低。

  中国风电已经进入大功率时代。随着环保政策红线的趋近,在有限的资源上创造更多的发电量成了中国风电必须要考虑的问题。中国风电近五年的风电装机数据证明,大功率已经成为一个不争的事实。

  8MW、10MW、12MW,一个个巨无霸在不断的刷新中国风电的单机容量记录。现在再回想“十一五”的2MW、“十二五”的5MW,似乎已经变得很遥远。

  从2006年阳光电源自主研制出国内首台兆瓦级双馈风电变流器,国产品牌迎头奋进的脚步就从未停歇,凭借着风电人的不懈努力,国产品牌取得了一个又一个傲人的成绩。

  2013年1月,天诚同创研制的2.5MW直驱永磁机组成功通过零电压穿越测试和高电压穿越测试;

  2016年10月,海得新能源推出4MW全功率海上风电变流器、5MW中压全功率海上风电变流器;

  2019年9月,具有完全自主知识产权的我国首台10 MW海上风电机组下线,该机组搭载的风电变流器由东方电气研制;

  2020年7月,阳光电源风电变流器应用于国家重点研发计划项目“大容量风电机组电网友好型控制技术”,助力世界首台电压源型风电机组并网运行。

  如今,低压690V两电平IGBT,3-5台低压小功率变流器的单体并连方案;1140V三电平IGBT方案;中压3300V三电平IGCT方案;从850KW到12MW以及更高功率,以阳光电源和禾望电气为代表的国产品牌为客户提供了成熟的、可靠的、批量化的技术方案和货架商品。

  如果说国产化是解决有没有的问题,那么批量化就是解决好不好的问题;如果单机功率的不断做大是中国风电变流器技术的不断提升,那么单机大功率时代的到来就是中国风电变流器人的匠心执念。

  海上环境复杂,相比于陆上产品,防腐防锈等附加需求更多,对于产品可靠性要求更高。对于变流器而言,大功率、高可靠性、克服复杂海洋环境等要求,使得这一领域成为了变流器的“高端市场”。

  尽管,目前在大功率海上风电机组的部件选择上,进口产品还占有一席之地。但是被取代也仅仅是个时间的问题,而且不会太远。

  IGBT行业应用上,中国在新能源领域已经赶超日本和德国,但在IGBT芯片设计制造、模块封装、封装测试等IGBT产业核心技术上,中国IGBT产业相关厂商与日本和德国厂商还有一定差距。

  2020年,国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、财政部等四部门联合印发了《关于扩大战略性新兴产业投资 培育壮大新增长点增长极的指导意见》提出:加快新能源产业跨越式发展。聚焦新能源装备制造“卡脖子”问题,加快IGBT、控制系统、高压直流海底电缆等核心技术部件研发。

  目前,中车时代电气的IGBT产品已经实现了1200-6500V全覆盖,嘉兴斯达在全球IGBT模块市场排名第七。

  据行业专家介绍,国内品牌具有设计能力,但是在应用端欠缺数据积累。所以需要终端客户利用丰富的应用端经验,来给他们提出要求,帮助产品优化。产品经过从样品到小批量、大批量,经过春夏秋冬不同季节的环境考验,通过不断地验证,才能逐步走向成熟。产品国产化是一个大趋势,质量上有保证,成本也会降低,这样才会有力地推动我国双碳目标地实现。

  尽管国产IGBT在风电变流器的应用还处于起步阶段,但是在国家的政策鼓励、行业的不断努力下,在中国新能源跨越发展的大背景下,前景可期。

  2020年9月22日,习在第75届联合国大会一般性辩论上宣布,力争2030年实现碳达峰,2060年实现碳中和。

  2021年3月15日,习在中央财经委员会第九次会议提出,构建以新能源为主体的新型电力系统。

  电力电子作为现代能源变换的核心部件和关键技术,在未来的电力系统转型中会承担重要作用,我们的国产品牌,必将堪当大任,助力转型。

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