中车株洲所赵燕峰：风电机组集成电气系统开发与应用
2018年10月17日-19日，2018北京国际风能大会暨展览会（CWP 2018）在北京新国展隆重召开。本次大会由中国可再生能源学会风能专业委员会、中国循环经济协会可再生能源专业委员会、全球风能理事会、中国农业机械工业协会风力机械分会、国家可再生能源中心和中国电子信息产业发展研究院（赛迪集团）六大权威机构联合主办。
中车株洲所风电高级主任设计师赵燕峰在“在役风电机组技改提效专题”中发表主旨演讲，演讲主题为《风电机组集成电气系统开发与应用》。
以下为发言实录：
赵燕峰：现在由我来给大家分享一下想法和一些工作。第一部分介绍一下风电机组集成电器系统分析。整合电气传动链各单元建立模型，在整机电气模型的基础上分析损耗构成，建立全运行范围效率Map图；分析双馈机组在中低风速段发电效率较差的原因。
低风速下效率差主要由于最低并网转速存在导致叶片能量捕获效率差，由于双馈电机铁耗固定占比大，最低并网转速还导致传动链摩擦损耗占比大。整机集成电气模型分析表明，在小风段降低双馈机组的最低并网转速、减少铁耗有利于机组发电效率提升。
在整机电气模型基础上，建立全场电气模型，集成系统分析表明场级损耗主要于在箱变、线路等单元固有感性属性引起额外输电损耗和无功补偿装置VG/SVC的运行损耗。单台机组通过适当的无功调度，既能补偿输电过程中产生的感性无功，提升输电效率，还能提供足够无功，使SVG/SVC无需投运产生额外损耗。
第二部分介绍一下发电量提升方面的想法和实践。围绕集成电气系统分析，从电气传动链维度出发，主要从如下5方面提升发电量：1、超级双馈；2、虚拟电阻；3、变流器控制策略优化；4、额定功率扩展；5、场内损耗优化。
发电量提升1__超级双馈 ：由集成系统分析计算可知，双馈机组在低风速下风能利用率Cp与理想值差距较大，根本原因在于双馈机组的调速范围受限。发电量提升1__超级双馈：通过在低风速下将电机由三角连接转换为星型连接，降低主磁通，从而拓展双馈系统调速范围，使真实Cp向理想Cp靠近。发电量提升1__超级双馈：采用超级后，从提升低风速Cp、降低发电系统电磁损耗、降低传动链机械损耗、减少自耗电等方面增加发电量；发电量提升1__超级双馈 ：上图为现场实测功率曲线和整机效率提升曲线；基于等时间片切换的实测数据表明，对于年平均风速5m/s的机组，发电量提升比例为3%。
发电量提升2__虚拟电阻：对于电气传动链中采用RC滤波回路的机组，损耗约为3kW，通过虚拟电阻技术，将实体电阻的功能由软件实现，从而减少电阻损耗提升发电量。发电量提升2__虚拟电阻：实测数据表明提升发电量0.6%。发电量提升3__变流器控制策略优化：通过优化变流器IGBT的开关频率、直流电压利用率、最小脉宽等措施，减少IGBT器件的运行损耗，全运行范围内，损耗减少2-3.3kW，同时还显著降低机侧变流器温升，改善变流器过温问题。
发电量提升3__变流器控制策略优化：通过减少变流器模块损耗从而提升发电量，年发电量提升约0.6%。
发电量提升4__额定功率扩展：绝大多数场址、机位的风况、湍流、载荷等均未达设计限值；通过优化整机运行策略、提高机侧变流器调制比、优化机侧功率因数、限定电气系统安全工作条件等措施，使整机具备功率扩展能力；依据机位点具体风速、湍流等，将机组额定功率由1.5MW扩展到1.6MW，部分机位可以进一步扩展到1.8MW。
发电量提升4__额定功率扩展：通过扩展机组额定功率，提升高风速段发电量；WT1500机型、标准空气密度，额定功率由1.5MW提升到1.6MW，年平均风速5m/s机组，发电量提升2%，年平均风速7m/s机组，发电量提升3%。
发电量提升5__场内损耗优化：风电机组从箱变入口将有功传输至并网点，由于各个节点功角变化，增加无功形成额外损耗；同时为了满足入网要求风电场SVG/SVC将有功转换为无功产生运行损耗。
发电量提升5__场内损耗优化：通过最优无功运行策略，使传输效率最优，同时满足并网点关于功率因数的需求，SVG/SVC无需投入运行。通过减少风电场内部输电损耗和无功补偿装置的运行损耗提升入网电量，典型值为1-3%。
第三部分分享一下对于可靠性提升的实践。由于经济性、成本技术等等制约，变流器故障长期占据风电机组故障率前三，双馈电机本质是感应绕线异步电机，具备异步电机的基本特性。现状：发电是风电机组最根本的性能，现状是变流器故障后风电机组只能停机，失去发电功能。新功能：变流器故障后，将双馈电机转换为绕线异步电机，双馈机组转换为变桨定速机组，仍然具备发电功能，发电量为正常状态下60%以上。
从另外一个维度，比如采用通过虚拟电阻技术，将实体电阻的功能由软件实现，极大减少滤波回路故障，降低运维成本，提升机组可靠性。
第四部分在这些方面做一个小结，提升发电量有几个维度，超级双馈，可以使风机在两米并网切入，范围大概从两米到7.5米，虚拟电阻从切入发电到额定范围，控制策略优化也是从切入到额定，额定功率拓展从满发到切出这段风速范围，场地损耗优化就是从切入到切出，总计可以提升7.2%到10.2%。
对发电量提升各技术项点，进行了第三方认证，例如超级双馈技术，由鉴衡认证中心完成认证。可靠性提升方面，比如说采用变流器容错问题，原来故障之后只能是停机，失去最基本的发电功能，同时还消耗电能。采用这种技术之后，现状是把双馈机组转化为变桨定速机组仍然具备正常发电功能。虚拟电阻应用，例如在10万千瓦这样一个风场，因为直接或者间接导致故障达132次，消耗物料近20万，使用以后是0故障0消耗，通过超级双馈、额定功率扩展等，在全风速范围提升发电量。通过容错技术，实现变流器故障期间仍可发电运行。已应用在湖南、内蒙、云贵、西北等风电场。
好，我的分享就是这些，谢谢大家。
