（阳光电源股份有限公司，安徽合肥，230088）
摘要：随着风力发电的发展，国内已逐渐向海上大规模、大功率方向发展，从海上风力发电机组塔筒安装环境的制约因素，综合阐述了适用于海上风力发电机组的变流器发展方向。
关键词：风能变流器 海上风力发电
1体积设计
风电机组中，叶桨、发电机、齿轮箱等大件重量决定了机舱重量，机舱载苛决定了塔筒直径，塔筒直径决定了变流器设计的最大体积，塔筒内主控、冷却设备、塔筒门朝向、爬梯的布局等，进一步限定了变流器宽、深、高三个维度的尺寸。
单从设备方面而言，为了提升变流器对各整机厂商塔筒尺寸的兼容性，需要将变流器的体积压缩到最小，即不断提升功率密度。行业内，多数整机厂对变流器的尺寸要求，基本上取决于首家合作的变流器厂家对应设计尺寸，一般不再轻易变更变流器主体尺寸，变流器的尺寸改变，会带来塔筒中安装变流器的金属底板与承重梁位置的改变，还会带来整个塔筒布局的改变，以及安装孔、电缆穿线孔的改变。
过高的功率密度意味着在变流器内部散热方面的投入需要加大。因此，变流器体积的限制一方面需要调研各家不同功率等级的塔筒直径设计，确定变流器尺寸上限，另一方面需要结合变流器的热仿真、温升实验确定变流器尺寸下限。最终，在两者之间取得平衡，保障最大的塔筒适应能力和最低的热设计投入成本。
表面看，只要变流器尺寸满足塔筒安装要求，客户（包含整机厂、业主）并不需要关注变流器体积尺寸的最终确定。其实不然，由于海上风电机组的单机容量不断提升，塔筒直径也随之增大，如对此空间不做充分利用，一方面会带来变流器直材成本的提升，另一方面随着被动散热器件的投入数量增加，故障率也必然上升。风扇的寿命通常在几万小时(比如40000小时)，且与使用环境温度直接相关，因此，除了减少数量以外，为了保障可靠散热，海上应用需要对变流器内部风扇状态进行在线监测。[1]
在塔筒空间得到充分利用前提下，变流器体积得到最优化设计。将变流器内部散热从被动化为主动的效益仍可以进一步考虑。比如，铜排尽可能加大载流面积，降低对及时散热的要求，做到自然冷却，减少此部分的风扇投入。再如，电抗器设计，在变流器中，一般电抗器是单器件体积最大的、也是最重的器件，同时也是主要发热器件，其组成包括磁芯和线包，因此损耗组成主要为铜损和铁损（磁损）。电抗器的成本，主要取决于所用材料，而所用材料取决于温升要求、感量要求、电流等级要求和体积要求。目前多数变流器厂家对电抗器的体积要求，追求尺寸越小越好。对于水冷电抗器，必须尽可能紧凑，因为内部液冷板有一定的热阻要求；对于风冷电抗器，则需要预留足够的散热风道，允许的体积尺寸需要适当放宽。当变流器在塔筒允许尺寸下尽可能将体积做大时，对于变流器内部电抗器而言，同样可以采用“自上而下的原则”——当变流器整体尺寸依据塔筒尺寸既定后，完成模组功率单元、断路器、接触器等各部分布局，最后剩下的空间就是电抗器的设计约束尺寸，将此尺寸作为下游供应商的设计输入，要求在此空间尺寸条件下，设计出性价比最高的方案，达到系统整体最优化设计。[2]
因此，在海上风电机组的配套设计中，一体化设计思路至关重要，尤其是作为接口设备的风机变流器，其一端连接电机，一端连接电网，在执行方面需要听从主控指令，在散热方面需要配套冷却设备，决定了其系统自身的复杂性，其设计过程中必须结合相关部件的需求，进行一体化设计。
2防腐能力
变流器安装于塔筒内，不直接暴露在海平面上高湿、高盐雾气候中，加之柜体有多层防护设计，针对防腐方面，柜体的材质基本与陆上风电一致。
变流器的外部换热器，直接暴露在海平面上高湿、高盐雾气候中，因此材质上需要使用不锈钢，尤其是在水管接头位置，需要做加固性防护。金风专利涉及的一个方案为：将换热器置于塔筒内部，通过风道设计，以及在风道中设置空气过滤的方式来避免直接暴露于海平面的高湿、高盐雾环境下。
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海上机组的箱变，目前多数也采取将其放置于塔筒内的方案，一方面缩短了变流器与箱变的线缆连接长度，减小线路阻抗的影响；另一方面也规避了，箱变直接暴露于海平面的高湿、高盐雾环境下，降低了海上平台的设计投入。
因此未来通过塔筒自身的防护优势，统筹设计机组各设备安装空间，是实现电气设备防腐设计要求降低的最佳方法之一。在换热过程中，变流器热量还可以向转换为冷凝水方向考虑，提升对周围空气的过滤能力。[3]
3电机接入兼容性
目前海上风电机组以同步电机居多，随着单机功率的提升，发电机一般为双绕组（同相），甚至四绕组，中心点有共与不共的区分。在电机转速方面，有低中高速，低速直驱机型，中高速为半直驱型，通过齿轮箱作用，电机输出频率一般在50Hz左右，个别机组的设计达到80Hz。因此对变流器而言，机侧的接入频率决定了变流器的开关频率要求，对于高压大电流特性的功率半导体器件而言，允许的开关速度对变流器的工作频率提出了约束限制，会带来机侧转矩响应能力的限制。[4]
4功率器件选型
在中压海上风电机组中，功率半导体器件主要有IGBT、IGCT、IEGT三类。由于三类器件本身的物理构成，决定了不同的应用特点。比如各自允许的开关频率不同，会影响谐波控制水平，由于三电平技术的引入，一方面解决了耐高压问题，另一方面也有助于低开关频率下的谐波控制，降低对滤波器件硬件的要求，目前滤波器组成元件主要有电感、电容。在极低的开关频率下，导致的谐波成分增加对电网及变流器系统本身都非常不利，需要提升滤波器特性。
IGBT、IEGT在开关频率等动态性能方面的优势比较明显，而基于IGBT的系统并联方案，有效继承了陆上风电的设备可靠性及成熟的供应链，同时与电机的多绕组配合（包括有移相的绕组接入），可实现多回路并联带来系统冗余特性，在海上风电可达性不高的条件下，降低了对运维及时性的要求，保障风电场的整体收益。
IGCT在开关频率等动态性能方面没有其稳态性能那样突出，基于IGCT 方案的应用，早期多集中在传动设备，即作为电网负载性设备（从电网吸收能量），如牵引、轧钢等，作为电源设备（向电网馈送能量）的应用相对更为复杂，基于电网适应性、并网电能质量等一系列越来越严格的要求，并网型变流器设备对功率器件的动态性能要求越来越高，而允许开关频率较低的器件，将需要控制策略的优化。如低载波比的控制技术。
基于IGCT、IEGT单器件设计的风能变流器，难以满足海上风电应用的冗错要求，对于有移相的发电机绕组接入不具备兼容性，而以此类器件设计的系统并联式风能变流器，其成本、体积优势将急剧下降。
5智能化
风电设备的智能化，需要以技术专家系统为指导，扩大以状态在线检测为基础的远程监控能力。行业内普遍在变流器底层控制器的对外通讯接口处设计为串口转以太网，难以实现远程软件升级、及实时示波器功能。为满足真正意义上的大数据实时通讯要求，将以太网接口设计在变流器最底层控制器上是较理想的硬件方案，在实现实时示波器功能的同时，还可实现软件远程升级，为不易到达的风场区域（如海上、风机分布比较分散的丘陵地带），大幅度降低了运维成本。
参考文献：
【1】.曹文胜.海上风力发电及其技术发展综述 [J].《能源与环境》2012
【2】.谢鲁冰，李帅，芮晓明.海上风电机组维修优化研究综述[J].《电力科学与工程》2018
【3】.林鹤云，郭玉敬，孙蓓蓓.海上风电的若干关键技术综述[J].《东南大学学报(自然科学版)》2011
【4】.迟永宁，梁伟，张占奎.大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述[J].《中国电机工程学报》2016
论文作者:周俭节
论文发表刊物:《科技新时代》2018年11期
论文发表时间:2019/1/11
标签：变流器论文; 海上论文; 尺寸论文; 风电论文; 体积论文; 器件论文; 机组论文; 《科技新时代》2018年11期论文;