阳光电源汪令祥：阳光电源1000VAC三电平系列化风能变流器介绍

9月19日，由中国可再生能源学会风能专业委员会主办，中车株洲电力机车研究所有限公司承办，金风科技、远景能源、明阳智慧能源、海装风电、施耐德电气协办的“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。

阳光电源股份有限公司副总裁汪令祥出席大会并发表了题为《阳光电源1000VAC三电平系列化风能变流器介绍》的主旨演讲。以下为发言全文：

汪令祥：感谢对我们阳光电源这么高的评价，首先感谢我们专委会和中国中车风电给我们这次机会。各位专家今天我汇报的题目是1000VAC三点平风能变流器介绍。我们近两年来一些机组的技术和可靠性的诉求，这些需求几个整机厂家在一起讨论一个创新的方案，希望通过技术的创新来引领咱们风电系统这一块进一步的提高，同时提升机组的质量和可靠性及效益。经过两年来的不断沟通，特别是在我们评价倒逼的政策下，我们今年变流器的样机有所突破，想借这个机会跟各位专家汇报一下，希望得到各位的批评和指正。

分四个方面给大家汇报一下。

一是为什么选择在1000VAC电压等级。二是1000VAC风电机组系统优势。三是1000VAC三点平变流器型谱。四是总结。

一、为什么选择1000VAC电压等级？在讨论之前我们可能说过了，我们跟光谱的专家讨论，光谱的专家经常说咱们风电10多年来，咱们这个电器，尤其是电压一直没有变化，一直就在这个系统，而光伏从03年开始现在提升到最高的现在有900伏的电压，所以这样我们也在探讨，两年前我们就在探讨，风电能不能从现在的190VAC电压更高的提升，我们进行了一个分析，我们目前各个领域为了降低机组单瓦的造价成本，各大整机厂都在积极开发单机4MW以上的陆上机组，海上机组单机最大功率已突破了7MW，要求电流的等级要到基本上是每一兆瓦1000左右，如果7兆瓦要到7000安平。过大的电流将对机组的电器系统，我们电能转化的系统起到较高的技术和质量可靠性的挑战，比如说在电缆、变流器发电机散热方面，比如说机组偏航解缆设计、电能转换效率、系统电磁兼容性等方面存在一定的技术难点，这些难点是不可回避的，因为电流是实实在在的，1200的电流需要多大转换的？在这种情况下我们思考，机组单功率大型化、高功率密度要求，功率中的电压、电流是互为约束的关系，这都使我们产生一些疑问，我们690VAC低压系统，我们机组的电流是随着单机功率的提升，而无限提升的设计方案，是不是最优的电能转化的最佳性价比方案？我们有这个疑问。

如果不是的话，我们在思考，在讨论下一个电压等级之前，我们来看一下电力系统源端电压的关系，这个是最基本的发电厂、电力网和用户组成的一个整体系统，我们在看这个之前，我们之前的690VAC的系统是怎么来的？这是我们在用户侧和发电侧的发电关系，我们在1000MW以下，比如说3000伏以上，我们在06年左右风电的机组在研究过程中，当时有部分的机组是选在660V的电压的，随着我们对风电机组的理解，我们认为发电侧变成了690伏，我们进一步在低压组分析一下，在1000伏以下的系统发现，发电侧这个电压等级互为用户关系。我们在思考，如果我们选择690V更高的电压等级，在1000伏的电压系统下我们有两个问题，第一个是如果690V为下电压的话，或者我们低无1000V是标准的，我们作为发电者来看，我们可以推导出两个电压等级，1140V/950V，这是我们选择1000V系统的，1000V以下，下一个机组电压的理论来源。这里面有一个关键点，1140V能不能作为1000V的低压系统考虑，为此我们查了一些国标的标准。 这个是我们标准电压的定义，这里面明确定义了1140V可以规定为低压。如果选择1140V作为低压系统来看也是有标准可依的，这就是我们为什么选择1140V和950V的来源，选择这两个低压以后，我们来分析一下，如果真的选择1000VAC系统我们系统的优势在哪里？

二、优势。我们如果集中在1000V，是否是风电机组降低系统造价成本、提高效能的创新举措呢？我们来看整个机组的电机情况，发电机交流电压提升，额定电流减少，功率密度会有所提升，重量减少，相同的功率密度要求下，发电机单机功率可进一步扩展，线机的数量是减少的，线缆数减少，生产工艺简化，发热量减小，损耗就减少了，效率有所提升，不同电机的标准，效率这一块的提升是不一样的。相同的功率密度要求下，发电机单机功率可进一步提升，因为1000V它的绝缘其实不需要提升多少的，所以电机这一块不会产生其他额外的负担，不会产生成本和质量的问题，这是电机这一块。

从电缆情况来看，国内的风机和国外的风机比较大的区别，咱们的转换器一般90%上放在塔底的，会有非常长的电缆，所以这里面如果把机组的额定电压提升，我们电缆的线径减少或者数量减少，因为它电流少重量变轻了，成本是降低的，机组解缆更为房斌，载流减少使得损耗降低，传输效率有效提升。电缆这一块的效益是非常客观的。

另外一个从变流器角度来看，变流器额定电流见效，为了适应较高的额定电压，需要较高的直流电压，可采用多电平方案，转换效率提升，谐波控制及适应特性变好，相同的功率密度要求下，单机功率可进一步扩展。所以说我们提升了机组的额定电压，变流器这一块带来的好处也是明显的。

后面是变压器原副边匝比改变，改动量小，副边电流降低，损耗会降低，转换效率提升，损耗降低一些但是降低不大，但是对变压器这一块，技术更改这一块不大，最起码会引起它成本的上升。

如果从整个投资来看，不管是我们的发电机还是我们的变流器，机组的单机功率进一步提升，可以降低施工成本，也就是说如果提升到1000伏左右的系统以后，单机功率进一步提升，每个相同容量的风场设备数量降下来了，定性分析来看，机组额定电压的提升是对整个机组这一块是有好处的。

我们还可以定量分析一下几个恶毒。

（一）投入成本的差异。我刚才说的电缆和IGBT和一些其他的器件和我们的网侧电缆以及配电开关这一块，还有我们率波器这一块，我们电器系统降能能达到10—15%以上，定量把这个费用罗列出来大概是15—20万一台。这里面没有考虑发电机和升降变压器，因为我们是变流器的专家，升降变压器我们只是定性的了解，一些定量的数据可能很难获得，但是我们调研，我们的绝缘基本上无需特殊设计，发电机和变压器材料、设计及工艺总成本不会增加，不同的发电机和变压器设计方案，其成本的降低幅度会不一样，但是不会引起电器成本的上升，这是定性的调研数据。

第二个同样是1000V低压系统，机组电气系统中最为关键的设备：风能变流器中的IGBT、断路器、电容等核心器件的供应链可以与光伏1500VDC系统相关器件做到完美兼容。

（二）从转化效率来看，刚才说过了，我们IGBT开关自由度增大以后，我们变流器调制的波型更接近于正旋波（音）同时额定电流的减小和一些器件的替代，比如我们用1200伏的IGBT，这时候它的转换效率就有效提升，这上面是我们的两个数据，这是我们在相同包括其他器件相同的设定标准的情况下，这是对比，我们效率基本上能到0.5到一个点左右，效率的提升。同时，这里面效率由于我们刚才说过了，我们3厘米的引入，我们机车的发波的自由度增大了以后，这里面对效率更有一些影响。所以这里面有一个优势条件，就是我们效率的对比一定是在基于相同的维度情况下，比如说开关频率、电抗器参数、交直流侧电压、内管尖峰抑制举措等，效率能提升。

（三）电网友好性。它的发布更接近于正旋波（音）相同的条件下我们可以减小网侧滤波器的尺寸及成本，等效开关频率提升，这是谐波的对比，比2厘米的优化了很多。

（四）从电机绝缘来看，同样也是基于这种自由度的增多，我们在对共模电流的选择，共模电流的调制，有更高的自由度，我们可以使得共模电压有效降低，D4/dt减小，电磁干扰减小。

从整个长期的收益率来看，我们有效益的提升，这是整个对业主的整个寿命周期的电缆投资的回报，从这个来看，我们分析了如果是5MW的系统，可以节省100万的费用，所以这里面是效率的提升，如果是5万的风场可能有1000万左右的效率的提升，费用的减小。这是我们1000伏系统定性或者定量数字的一些分析。

三、1000VAC三点平变流器型谱。我们目前现在950伏交流的电压，然后2.5兆瓦到3.X到4.X的，我们为了控制电压这一块的要求，如果选择1200伏的IGBT系统，我们交流系统选择900VA，还有一个系统是1140VC，这是我们现在目前定型的变流器系统。这个变流器系统一个关键部件IGBT，目前市面上，我罗列的是有1200伏的，我们现在目前光伏系统的批量的IGBT，从型号来看。刚才说了1700伏的IGBT不说了，我们这里面如果说选择900伏，这里面我们罗列的是1200伏的，这里面看到我们IGBT的核心物料供应链极大的丰富了，所以这里面会进一步降低我们供应链的降本。这是我们3厘米的变流器的，从这个来看，基本上跟两厘米没有本质的区别，只是说把我们的直流侧的从2平换成三平的方案，全功率根据不同的设计思路，这里面大兆瓦级，5兆瓦以上有两个方法，两个变流器能兼容设计的，另外还有一个是系统的方案，就是通过我们IGBT的对接进行进一步的增容，这两个方案都是不同的设计思路来进行的。对于3厘米的变流器，它的完全跟2厘米的一样，除了从2厘米换成三厘米，没有本质区别。

这是我们今年设计地铁5兆瓦的变流器的，1140伏的方案，右边是我们选的IGBT型号的对比，从这里可以看出，如果选择1200伏1800瓦的，IGBT可以适当的提升，1200IGBT损耗比较小，这是它的IGBT的利用率，这是变流器，整个变流器持续的能量可以到6伏安，选择相同的利用率，这里面也同样能到0.2兆瓦。 这是我们这个月就要出场的8兆瓦的1140伏的变流器，这也是海上用的，直驱的。这个是我们双馈的主控一体风冷三点平变流器，其他的方面增强了一些绝缘，但是它还是按低压来进行设计的。

四、总结。

一是技术协同创新的步伐不一致。大家知道关键技术解耦不充分，1000VAC风电机组是个新系统方案，需要发电机、变压器、变流器及变流器下游供应商等联合行动，共同投入资源，进行系统创新。所以目前我们有些，比如说在防雷，在有些框架断流其这一块，我们根供应商联合行动，但是这一块步伐相对来说还不太一致，因为这里面有些供应商没有看到下面的趋势。

二是电网适硬性。1000VAC低压器件电压的裕量用足，特别是当电网出现1.3倍连续500ms+的高穿时，对变流器主电路各涉网器件应力是个较大的考验。电压抬升后对器件的绝缘设计、电气间歇等需要进行特殊的考虑设计。这里面考虑成本增加不大。

从整个后续发展方向来看我们对1000VAC系统是在已有690VAC非常成熟的技术延长线上进行创新设计，其相关的技术平台具有延续性、技术创新难度小但带来的收益却非常可观。风能变流器中引入三点平技术，有助于提升机组转换效率和电网友好性，同时可抑制发电机的共模电压和轴电流，提升发电机的寿命。这是我们认为有价值的方面。

另外一个，也是希望通过技术创新和系统方案优化设计，实现机组单瓦造价持续降本，现在目前，尤其是去年，去年我们机组的招标价格持续走低，今年有些上升，但是随着平价上网对机组靠可靠性的要求，我们是质量可靠性的论，要求是一点不能放松的，但是如果纯粹的通过供应链，通过低劣器件替换来进行降本这不是长久的，所以我们认为需要通过技术创新和我们系统方案优化的设计，来实现机组造价的持续的降本，这是我们走好、走稳风电平价上网最后一公里的方案，在这个过程中需要上下链共同努力，相互融合。

另外为公司打个广告，我们四个字就是“成就客户”，成就客户是我们最高的准则要求，我们非常愿意通过我们技术创新努力，为风电技术性价比提升做出我们应有的贡献，在过去的18年17年我们充分的沟通和融合，我们创新地实现了3VAC和4VAC双馈机组用变流器风冷化基础方案的批量应用、也实现了双馈和全功率机组的主控、配电、变流器、冷却系统四位一体方案的落地实施。这里面也是通过技术创新和系统方案的优化设计，来给整个机组进行降本，我的汇报结束了，谢谢大家。

（标题为编者所加，文字未经发言嘉宾本人审阅。）