电气及控制技术——北京国际风能大会展中报道

时间：2013.10.17 下午

地点：国际会议展览中心W103

主题：2013北京国际风能大会暨展览会—风电技术论坛

主持人：赵斌 北京科诺伟业股份科技有限公司副总经理

主持人：首先开始第一个报告，有请Norbert Plushke先生，他是赛米控香港有限公司技术总监，他报告的题目是“大功率风力发电及变流器结构的变革”!

Norbert Plushke：今天演讲的题目是“大功率风力发电机变流器结构的变革”。如果看看变流器的今天，我们可以看到很不多同的设备和组件在里面，包括各种各样的模块，有很多电容器等等。大家看到是非常复杂和标准的发电变流器，任何组件都有可能出现问题，所以我们的目标是使它更加的小型化，可靠性也得到极大的提升。

看看IGBT的设计：过去IGBT的样子是很大的，是444A的，后来上升了达到了1400A，但是基本上和IGBT原来雏形是一样的。下一代IGBT模块现在已经达到了3600A，看历史IGBT内部结构是一样的，看一下新一代IGBT模块，给大家介绍SKIIPX一样的模块，首先是设计不同。新的IGBT模块包括了这些新的组件。如果大家到我们的展台来看，它整个元件非常小，模块有内部水冷装置，有自己的驱动器和总线相关的结构。为什么我们要开发这样的功率模块?我们希望能够有升级的组块式的模块，满足1到3MW不同的要求，它的生命周期要达到20年，和现在相比要达到10倍以上更高的循环能力，这种IGBT设计比较便宜。我们有一体化的水冷系统，同时驱动器也是一体化的，还有很重要的一点，IGBT还有很多不必要的大量的节省，这种绕线也不需要了，热的润滑层也不需要了。中国市场很多情况下湿度还是比较大的，水气凝结会成为严重的问题，我们能够容忍到很多的水气凝结的现状。

IGBT模块中不需要绕线，我们就是把这种灵活的可以被弯曲的电路板放到表面，我们不用固态的东西，我们把IGBT的芯片收集到了DBC基片上，是三层，和以前完全不一样，这种做法极大的提高了系统的稳定性。我们的能源密度也比较高，我们取消了热润滑，一体化的热槽，可靠性也提升了。我们这种可以扩散的方式可以完全减少疲劳。有两层薄片，是有功率和逻辑侧的，另一个好处就是和芯片的上层侧有很大的接触面积。我们可以用这个区域，这样整个IGBT稳定性得到了很大的提升。

看看什么叫功率循环能力?就是当温度升高的时候，和IGBT芯片有一个温度差，这样就影响到了IGBT模块的稳定性，我们需要得到这方面的信息进行整个生命周期的管理。这样的模块可以在70度温度下运行，冷却能力也降低了。我们有三种不同类型的模块，这种IGBT不需要更多的电容，没有电容的要求，驱动器这儿，我们有相关的信息数据，温度都可以从IGBT这儿收取。还有上层盖，没有水能够进去，所以水气的凝结是不可能发生的。也就是说它被完整的焊接在一起，封闭在一起。这样的话可以把这些部分放在一起，所以我们的客户可以作为一种完整的变流器来使用。

如果我们把一、二、三并联，那么就成为一个1.5兆瓦的功率单元。我们应该要连接变容器，如果是水冷的话，是根据3K4水气体凝结的容忍度。我们的客户不需要在乎并联还是什么，不用担心，所有的东西都是驱动器自动做的。因为驱动器通过总线，是三个并联还是两个并联，是智能化的，靠驱动器来做的。这张图是有冷却、进口、出口、非常方便。所以它的重量非常低。

如果我们使用一个叶片的话，550千瓦，已经非常方便了。出去我们看到尺寸大小，这个叶片如果说我们刚才谈到的三项变流器。

看看现在的情况，3MW的变流器是这样的，把这些并列放在一起，所以得差不多是200米的长度，这是宽，长32，高20米，所以和刚才的技术设备相比尺寸大得多，非常不方便。在我们的展台里可以看到2MW的变流器，非常小，和2MW同类设备相比，尺寸应该是最小的了。

这是1.5MW的，它的深500毫米、高300毫米，宽是500毫米。我们刚才谈到了同类的产品有3米长，我们的设备体积是很小的。3MW是全规模的，现在也已经有新的技术进行组装了。大家可以看到在我们的展台上已经有展出。

最后简单总结一下： 首先，我们的技术非常可靠，可以这么说，我们有足够的数据可以证明我们的可靠性跟传统的便变电器来讲我们有着绝对的优势。同时我们的用电量减少50%，同时还有水制冷系统，整个包装是无缝的，封闭的。你可以用一个、两个，组装是非常灵活的。

另外，还有一个非常重要的问题就是成本减少20%。除了这20%成本的降低，我们知道铜的价格很贵的，为什么你不能用其他的材料呢?你可以用铜板?这就是我们减少成本的一个原因。最后就是3.0兆瓦的转换器，可以装进600×600的规模里面。今年第四阶段我们推出样本。

我们认为这种类型的技术将会是这个行业很好的一个解决方案。

提问：有没有实际的应用案例?

Norbert Plushke：我没有放到PPT里，但是的确是有一些实际应用的。我们必须要做一些的特别设计，这是我们的专有技术。因为我们知道整个机箱设计是非常重要的，而且也是可以节省成本的，所以我们必须要去做交流方面的技术。你可以到我们的展台里，我们有一个图片可以给你们看看。

主持人：下一个报告是来自丹麦理工大学的Abdul Basit博士，他的报告题目是“在丹麦电力系统大规模风格并网中频率控制的动态模型”。

Abdul Basit：非常高兴能够参加今天的会议，跟大家介绍一下我们的项目。我们是中国和丹麦的合作，是一个研发机构，我是负责可再生能源方面的，我们在这个机构中有很多在读的学生，还有一些研究人员。中方这边我们跟中科院有合作，而且也跟中国其他的机构有一些学术上的合作。我的发言是我的一个博士项目，我的这篇发言也是我的博士项目的一部分，就是“风电系统的服务”。我们的目标就是要开发和研究一些模型，以及控制策略，提供给那些风电场，这样可以帮助他们提高发电能力，也可以给他们提供更好的系统的服务。我们知道丹麦有很多大的风电场，也存在着跟中国很多类似的问题，我是博士三年级的博士在读生，我参加这个项目已经好几个月了。我们知道大规模风电应用给我们带来了很多挑战，尤其对于现存的电场和电网来说也是很大的挑战，因为我们要取代这种传统的电场，就会给我们带来很多新的安全和可靠性的问题。所以在我的这论文中，主要讲的是我们怎么去寻找一些方式来改善对风速预测的不准确性，同时帮助大的风电场更好的融入到电网当中去，同时减轻并网过程中产生的各种问题。

我们知道丹麦主要分为东西两部分，东西两部电网是同步的，而且都是通过DC互联的，同时，还跟周边相邻的电网系统有一些内在的联系。丹麦在欧洲真到了风能的30%，在风电目标到2020年要达到占比50%新能源到2050年的时候要达到100%，所以我们需要在发电和耗电方面有一个比较好的平衡。同时要保证所有变站系统的安全性可靠性，也要保证成本。在丹麦我们希望到2020年的时候有50%的电来自于风电，风速有很多不准确性，所以有很多问题，也给我们的控制带来了很大的问题，因此给我们带来很多的挑战。在我们的研究当中，我们对丹麦整个电力系统进行了建模：

大家可以看到丹麦东部和丹麦西部两个大电网的情况：左边是西部的，右边是东部的。在丹麦我们的能源系统是比较复杂的，有很多都是可再生能源，所以为什么我们也在大力发展风电科技?也是因为在这个研究当中，大家可以一些定额和直流、交流，还有丹麦南部和北部的一些状况。

热电联产的情况：我们简称CHP，热电联产的这些厂都有自己的技术。比如说他们的锅炉反应时间大概是5到6分钟，同时中间有一个速度控制器，跟锅炉、空气机轮连接最后是跟发电机连接。如果是传统的分散式热点联产的话我们简称DCHP，这样的热点联厂我们采用了分散式的方法。这是一个非常简单的风电场。

介绍一下什么是SimBa，中间这个大模块是风电场的总控制器，风机模型是最后一步，我们可以通过这个系统了解每一个风机上的风量是多少，而且我们知道在风机方面我们需要非常稳定的系统，这样才可以有稳定得风速和稳定的发电量。我们看丹麦市场的情况，电力系统是通过DA五方式交易，通过这种平衡，不同的公司在现货市场交易。同时有调度和发电结合在一起管理，DA这种协议会在平衡状态下发布，平常也可以通过相关的公司进行平衡的恢复，在一天之内的平衡电力市场方式之下进行交易。

输电系统运营商是有责任保证达到实时平衡的状态。SimBa以小时为计划的单位是每小时之内的平衡的方法，5分钟可以达到相关平衡，整个是由SimBa推动的。

这是SimBa主要的内容，对于一小时内的风力生产偏差进行建模，同时计算半个小时之内平均的不平衡度。然后再这个基础上，不同的区域内平衡电力。所以在左边，大家从上往下可以看到载荷的需求，预测风力发电的数量和可用风力发电的数量，能源生产和单位承诺以及边际成本和相关竞标价格。右边是传统的以及和风力发展的安排和实际的比较。同时电力交换也是有在计划和实际情况中取得一种平衡。任何由于风力预测错误造成的不平衡，或者载荷的变化，任何一个小时之内都可以达到平衡解决，这是自动的发电控制AGC系统。

在纵坐标横轴上时间1小时来计算，可以从中看到，这三者之间不同的关系在不同的时间段内所表现出来的特点，由于风的特点，我们形成的做法是风的预测错误等于风的实际情况减去我们一个小时之间预测的风，得出我们看到的偏差值。我们通过这样偏差的预测加以很好的控制，以小时为单位进行。

对于欧洲大陆来讲，电力值至少要在5小时之前进行调节，所以可以看到北方欧洲大陆地区电力出新了一些平衡相关的问题。在这里有很不多平衡的现象。

总结：为了应对由于不准确的风速预测所带来的挑战，在大型风电一体化系统中，首先要有调节的储备，这是非常必须的。从快速的发电单元到整个保证系统中都应该贯穿，整个量是依赖于风力发电一体化系统的水平，也依赖于风电一体化的水平。同时要不断的增加，以便减少实时出现的不平衡性。同时我们还要更好的在电力网络之间加强它们的互联。

主持人：下面有请肖迪工程师，肖迪工程师是来自北京金风科创，他的题目是“直驱风电机组无功率调节性能概述”!

肖迪：风电场电压问题最为突出，包括低电压穿越、高电压穿越和电能波形质量问题。国标中提出风电场必须配备无功调节系统，根据电力系统调度机构指令，风电场自动调节其发出或呼吸得物功率，实现对风电场并网电压的控制。

从一个简单的单线图可以看出，维持电压稳定可以由如下6个手段：1、调节变压器变比K; 2、更改线路参数; 3、调整线路额定电压; 4、调整电源电压Ug;5、调整电源的输出有功功率; 6、无功率源Q：发电机或补偿器。

传统的调节模式大概就是通过外接得无功来，比如SVC或者STATCOM补偿风电场损耗大概20%左右。同时某些情况下，也会采用适当的调节风电场变压器的变比，或者是其他无功源的无功输出获得电压稳定，使送电场输送的有功最大化。所有无功调节的问题以及设计标准中都忽略了几个重要问题：

比如由无功产生的电费损耗问题价钱从来没有提到过，要求风机接触电网无功指令也从不考虑，因为电网不了解风机的各种特性，不会考虑风电机组当时的运营状态和寿命。要求机端恒功率因素并非易事，因为风机有功是随风况而变的。为何对单机提出恒电压控制，关键问题是：PCC电压。单机实现恒电压并不能保证风电场并网点风电的恒定。

直驱风机有一些相对的优势，它可以通过采用结耦控制，使电网控制方式更简单。比如通过接受调度或者外部指令，或者直接采集并网电压维持，盯着变网点的电压来实现调节风机的电力器的角度，使风机产生超前或者滞后得物功。实现相应的控制目标。