時(shí)間來到2021年，中國風(fēng)電變流器產(chǎn)品平臺(tái)已經(jīng)完成了雙饋機(jī)型1.xMW-6.XMW，全功率機(jī)型2.XMW-12.XMW的全覆蓋。國產(chǎn)品牌風(fēng)電變流器伴隨著中國風(fēng)電行業(yè)邁入了大功率時(shí)代。
也不過是二十年的時(shí)間，中國幾乎又走完了西方國家近一百年的歷程。
站在歷史的橋頭回眸，從第一臺(tái)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電變流器并網(wǎng)，到現(xiàn)在的12MW巨無霸問世，中國風(fēng)電變流器的跨步向前，既歷經(jīng)風(fēng)雨，又振奮人心。每一塊電路板的焊接，每一句代碼的編寫；每一個(gè)小問題的解決，每一個(gè)新技術(shù)的開拓，都刻進(jìn)中國風(fēng)電人的生命里，也流進(jìn)中國風(fēng)電人的血液中。
（文丨中國風(fēng)電新聞網(wǎng) 成成、原指導(dǎo)）
國產(chǎn)風(fēng)電變流器品牌的“中國心”
電力電子技術(shù)是中國的一門具有傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的學(xué)科，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在中國也早就試探。真正將兩者結(jié)合起來并達(dá)到了一定的水平，應(yīng)該要追溯到“十五”期間。
“十五”規(guī)劃中明確提出：要在“十五”期間掌握兆瓦級(jí)風(fēng)電變流器技術(shù)，完成樣機(jī)開發(fā)及試點(diǎn)示范。國內(nèi)開始出現(xiàn)一批變流器廠家樣機(jī)的研制和大量的試驗(yàn)。
2006-2010的五年間，是中國風(fēng)電裝機(jī)批量化的開局五年。那五年風(fēng)電變流器的市場(chǎng)卻牢牢被國外品牌占領(lǐng)，中國風(fēng)電變流器的進(jìn)口率高達(dá)95%，前四位分別是ABB、科孚德、超導(dǎo)和艾默生。
圖：國內(nèi)風(fēng)電變流器市場(chǎng)分布
（數(shù)據(jù)來源：公開數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2011年10月）
進(jìn)口風(fēng)電變流器緊緊的依附著風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)技術(shù)，每一條整機(jī)技術(shù)流派的輸入都捆綁著一個(gè)品牌的進(jìn)口變流器。僅ABB就依靠與整機(jī)技術(shù)廠家捆綁，順利進(jìn)入了金風(fēng)、國電聯(lián)合動(dòng)力、明陽、東方電氣、浙江運(yùn)達(dá)的合格供方，這些都是當(dāng)時(shí)中國風(fēng)電整機(jī)的龍頭。
變流器單臺(tái)售價(jià)100萬以上，質(zhì)保期三年，質(zhì)保后續(xù)繁瑣的售后條款和高昂的售后費(fèi)用，更是達(dá)到讓人瞠目結(jié)舌的程度。這些苛刻的制約，極大的影響了中國風(fēng)電的健康發(fā)展。為此國家發(fā)改委在相關(guān)文件中明確提出：中國風(fēng)電設(shè)備國產(chǎn)化率要達(dá)到70%。
失之東隅，收之桑榆。
在政策的指引和行業(yè)的鼓勵(lì)下，國產(chǎn)變流器廠家紛紛發(fā)力。
表：國內(nèi)風(fēng)電變流器產(chǎn)商技術(shù)發(fā)展路徑
（數(shù)據(jù)來源：湘財(cái)證券行業(yè)報(bào)告 2010年8月2日）
時(shí)至今日，風(fēng)電變流器在國內(nèi)的裝機(jī)中，國產(chǎn)與進(jìn)口裝機(jī)又達(dá)到了懸殊了比例，只是主角和配角已然不復(fù)當(dāng)年。據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)公布數(shù)據(jù)，2020年中國風(fēng)電新增吊裝容量57.8GW，陽光電源2020年風(fēng)電變流器銷售量超過6000臺(tái)（超16GW），禾望電氣2020年風(fēng)電變流器銷售量4175臺(tái)，浙江日風(fēng)電氣2020年風(fēng)電變流器銷售1591臺(tái)（4579.75MW），加上海得控制、天誠同創(chuàng)、天津瑞能等其他國產(chǎn)品牌的銷售量，風(fēng)電變流器國產(chǎn)品牌市場(chǎng)占有率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過進(jìn)口品牌，國產(chǎn)風(fēng)電變流器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)華麗的轉(zhuǎn)身。
受制于人的基因從來沒有長在國人的骨子里，讓中國的風(fēng)電機(jī)組配套中國品牌的變流器，是中國風(fēng)電人最樸素的 ‘中國心’。
雙饋與全功率的“博弈”
從直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組向雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)起挑戰(zhàn)的那天起，變流器技術(shù)就走到了雙饋和全功率兩條技術(shù)路線的岔路口，可以說這個(gè)選擇是被動(dòng)的，當(dāng)然也可以說是主動(dòng)的。說是被動(dòng)的，是因?yàn)樽兞髌髯鳛轱L(fēng)電機(jī)組的部件之一，自然也受制于整機(jī)技術(shù)選擇，所謂局部服從整體，小家服從大家；說是主動(dòng)的，是因?yàn)樵诿恳淮慰此票粍?dòng)的優(yōu)勝劣汰的競(jìng)爭(zhēng)中，留下的都是那些主動(dòng)選擇自我蛻變的人。
全功率變流器在風(fēng)電行業(yè)，大部分是適配永磁發(fā)電機(jī)。它是在發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)之間連接了一個(gè)與發(fā)電機(jī)功率相同的變流器。雙饋?zhàn)兞髌鬟m配的是雙饋發(fā)電機(jī)，它是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間連接一個(gè)變流器。
所以雙饋?zhàn)兞髌髯钔怀龅膬?yōu)勢(shì)就在于，在相同風(fēng)電機(jī)組功率下，雙饋?zhàn)兞髌鞯娜萘績(jī)H是全功率變流器容量的1/3，成本更低。也由于這種與電網(wǎng)的強(qiáng)耦合，使得雙饋?zhàn)兞髌鲗?duì)電網(wǎng)波動(dòng)更敏感。而全功率變流器雖然成本更高，由于其與電網(wǎng)全隔離的特性，使得發(fā)電機(jī)受到的沖擊更小，壽命更長，穩(wěn)定性更好。尤其是在低電壓穿越、無功支撐等電網(wǎng)適應(yīng)能力上，突出的友好。
源于兩種風(fēng)電機(jī)型的各有優(yōu)劣，兩種變流器也并存于市場(chǎng)。根據(jù)《2016全國大型風(fēng)能設(shè)備行業(yè)年會(huì)暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇會(huì)議》文件，2015 年我國新增風(fēng)電機(jī)組中，雙饋式風(fēng)電機(jī)組約占 68%，其中 2MW 雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為主流機(jī)型。但是從發(fā)展趨勢(shì)看，直驅(qū)式機(jī)組的比例在緩慢上升。2015年新增大型風(fēng)電機(jī)組中，永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組約占 30%以上。在 3MW 以上的大功率風(fēng)電機(jī)組中，直驅(qū)式機(jī)型的比例超過了雙饋機(jī)組?！笆濉逼陂g，2MW-3MW風(fēng)電機(jī)組成為我國陸上風(fēng)電場(chǎng)的主流機(jī)型，市場(chǎng)份額已經(jīng)占到 70%以上。
雙饋和全功率的博弈在持續(xù)進(jìn)行著，而且勢(shì)必將持續(xù)進(jìn)行下去。不同技術(shù)路線的PK看似是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的驅(qū)使，實(shí)則更是技術(shù)進(jìn)步的最原始動(dòng)力。
水土不服的“痛癢”
風(fēng)電機(jī)組的八方遷徙，環(huán)境氣候的四海流變。
960萬平方公里的廣袤大地上，或四季分明，或風(fēng)云突變。顯然，國外技術(shù)在進(jìn)入中國之前并沒有來得及消化中國的高溫、極寒、高海拔、沙塵暴、強(qiáng)湍流、大電網(wǎng)。國產(chǎn)變流器在二十年的行業(yè)發(fā)展中，為制造出適合中國氣候環(huán)境和電網(wǎng)環(huán)境的風(fēng)電變流器，上下求索，不斷嘗試。
雖道路崎嶇，卻百折不撓。
01? 低電壓穿越
2011年2月24日凌晨，甘肅酒泉風(fēng)電基地橋西風(fēng)電場(chǎng)單條35kV饋電回路故障，導(dǎo)致共計(jì)598臺(tái)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，損失出力84萬千瓦，造成西北主網(wǎng)頻率低至49.854Hz。
今天，低電壓穿越對(duì)于中國風(fēng)電變流器來說，只是一個(gè)基礎(chǔ)功能。但是，由于低電壓穿越功能引發(fā)的“風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模接入電網(wǎng)的整體安全性亟待解決”的思考，不可謂不深刻，不久遠(yuǎn)。“2.24”事故寫進(jìn)了中國電網(wǎng)教訓(xùn)的歷史，也寫進(jìn)了中國風(fēng)電發(fā)展的歷史。
低電壓穿越，是擺在中國風(fēng)電變流器國產(chǎn)化面前的第一次大考。制動(dòng)電阻怎么選，撬棒如何動(dòng)，625ms的峰值和2000ms的持續(xù)，曾經(jīng)深深的刻在每個(gè)變流器工程師的樣本里、程序里、腦子里。電科院測(cè)試設(shè)備的每一次跌落都牽掛著他們的心。那時(shí)候“某某變流器低電壓穿越一次性通過”的新聞可以毫無疑問的C位出道，登堂入室的占據(jù)各大媒體的頭版頭條。
如今，國產(chǎn)品牌在低電壓穿越技術(shù)上取得了一個(gè)又一個(gè)的成績(jī)：
2012年10月30日，禾望電氣自主研發(fā)的1.5MW雙饋?zhàn)兞髌髋浜线\(yùn)達(dá)WD82-1500型風(fēng)電機(jī)組順利通過中國電科院的低電壓穿越能力一致性評(píng)估；
2014年9月12日，在江蘇如東潮間帶國家海上示范風(fēng)場(chǎng)，海裝風(fēng)電H151-5.0MW海上風(fēng)電機(jī)組，國內(nèi)首個(gè)5MW級(jí)別風(fēng)電機(jī)組完成所有低電壓穿越型式測(cè)試的機(jī)型，是首個(gè)完成海上低電壓穿越測(cè)試的機(jī)型；
2017年4月22日，陽光電源5MW/3300V中壓全功率型海上風(fēng)電變流器國內(nèi)率先通過中國電力科學(xué)研究院低電壓穿越正式測(cè)試；
2018年12月，明陽智能MySE5.5-7.0MW平臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組在興化灣試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)零故障一次性完成海上低穿測(cè)試，開創(chuàng)了我國在海上進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試的先河。
02? 水風(fēng)冷散熱
變流器的核心部件之一是功率單元。隨著變流器單體功率的不斷增加，功率單元也成倍增長。可是變流器功率單元“怕熱”，過高的溫升會(huì)導(dǎo)致IGBT的性能和可靠性降低，甚至導(dǎo)致其失效，所以散熱器的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。
風(fēng)冷散熱維護(hù)方便，水冷散熱效率高。以雙饋為例，小功率的變流器，風(fēng)冷尚且可以滿足功率單元散熱的需求。但是到了大功率，水冷散熱成了行業(yè)的不二選擇。
但是水冷系統(tǒng)本身體積龐大，占據(jù)空間，維護(hù)頻繁，有多路檢測(cè)和控制信號(hào)增加，本身也存在一些技術(shù)瓶頸。
如何在保證高可靠性、免維護(hù)的目標(biāo)下給大功率變流器“降溫”，給變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了不小的挑戰(zhàn)。
近些年，國產(chǎn)品牌通過不斷地經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)開發(fā)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，升級(jí)散熱材料，成功研制出了風(fēng)冷型大功率雙饋風(fēng)電變流器。
2018年10月，陽光電源在北京國際風(fēng)能展發(fā)布國內(nèi)首款主控一體化3.XMW風(fēng)冷變流器，隨后禾望電氣、艾默生等也推出3MW功率等級(jí)的風(fēng)冷變流器，自此，國內(nèi)陸上風(fēng)電變流器在3-4MW功率等級(jí)的散熱方式，全面進(jìn)入風(fēng)冷模式；
2020年10月， 陽光電源5MW雙饋風(fēng)冷變流器亮相北京風(fēng)能展，風(fēng)冷模式創(chuàng)下國內(nèi)單機(jī)功率等級(jí)新高。
03? 次同步諧振
吉林通榆風(fēng)電基地的次同步諧振問題，對(duì)風(fēng)電行業(yè)來說，或者說對(duì)于變流器人來說是件大事。這次事故不只是給國家電網(wǎng)敲響了警鐘，更讓風(fēng)電變流器人意識(shí)到，隨著大面積風(fēng)電的裝機(jī)和并網(wǎng)，次同步諧振問題再也無法回避，缺的課是時(shí)候補(bǔ)上了。
固定串補(bǔ)會(huì)導(dǎo)致雙饋型風(fēng)電機(jī)組的次同步諧振，從而導(dǎo)致大量風(fēng)電機(jī)組的批量脫網(wǎng)，甚至損壞設(shè)備本身，這是被國內(nèi)外已有的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)早已證明過的。
通過對(duì)吉林通榆風(fēng)電基地不同的次同步諧振形態(tài)的研究和分析，退出線路串補(bǔ)、風(fēng)電機(jī)組小風(fēng)投切控制策略、變流器次同步諧振抑制控制策略、以及次同步諧振的檢測(cè)及保護(hù)控制技術(shù)相繼被提出，為風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模化并網(wǎng)和電網(wǎng)的遠(yuǎn)距離輸電的耦合提供解決方案。
04? 三電平技術(shù)
2018年開始，三電平產(chǎn)品在風(fēng)電變流器行業(yè)異軍突起，打破了傳統(tǒng)低壓690v的限制，在其推出后，迅速得到了各大整機(jī)廠家的青睞，順應(yīng)了平價(jià)時(shí)代的洪流，成為了風(fēng)電變流器技術(shù)路線發(fā)展道路上一顆耀眼的明星。
上世紀(jì)八十年代，日本學(xué)者Nabae提出基于二極管鉗位的三電平逆變電路，至今三電平技術(shù)已經(jīng)在電力電子行業(yè)應(yīng)用多年。風(fēng)電變流器借鑒了三電平技術(shù)在光伏逆變器的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)變流器兩電平，三電平的電氣拓?fù)涓鼮閺?fù)雜，模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略難度更大。但輸出諧波含量低，電能變換效率高是最重要的特點(diǎn)。特別是三電平可采用傳統(tǒng)的兩電平器件實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電壓的抬升，進(jìn)而有效減少線纜成本，這完全契合了平價(jià)時(shí)代整機(jī)降本增效的需求。
2019年8月12日，全球首次應(yīng)用950V雙饋三電平電氣傳動(dòng)技術(shù)的遠(yuǎn)景能源3.XMW風(fēng)機(jī)在河北風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)，使用950V三電平電氣傳動(dòng)鏈后，單臺(tái)風(fēng)機(jī)年滿發(fā)小時(shí)數(shù)可提升1個(gè)百分點(diǎn)，相比690V兩電平系統(tǒng)，950V三電平系統(tǒng)增加了電平數(shù)，且電平階躍幅度降低了36%，開關(guān)頻率下降了30%，使得絕緣壽命提升大于25%，發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電纜的壽命因此得以延長，地埋電纜用量、箱變物料成本亦有所降低。
既要做“大”，又要做“強(qiáng)”
中國風(fēng)電已經(jīng)進(jìn)入大功率時(shí)代。隨著環(huán)保政策紅線的趨緊，在有限的資源上創(chuàng)造更多的發(fā)電量成了中國風(fēng)電必須要考慮的問題。中國風(fēng)電近五年的風(fēng)電裝機(jī)數(shù)據(jù)證明，大功率已經(jīng)成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。
8MW、10MW、12MW，一個(gè)個(gè)巨無霸在不斷的刷新中國風(fēng)電的單機(jī)容量記錄?，F(xiàn)在再回想“十一五”的2MW、“十二五”的5MW，似乎已經(jīng)變得很遙遠(yuǎn)。
時(shí)代的變革推著風(fēng)電人不斷的前行。
從2006年陽光電源自主研制出國內(nèi)首臺(tái)兆瓦級(jí)雙饋風(fēng)電變流器，國產(chǎn)品牌迎頭奮進(jìn)的腳步就從未停歇，憑借著風(fēng)電人的不懈努力，國產(chǎn)品牌取得了一個(gè)又一個(gè)傲人的成績(jī)。
2009年4月，禾望電氣解決了電氣列車穿越造成的三相電壓不平衡課題；
2013年1月，天誠同創(chuàng)研制的2.5MW直驅(qū)永磁機(jī)組成功通過零電壓穿越測(cè)試和高電壓穿越測(cè)試；
2016年10月，海得新能源推出4MW全功率海上風(fēng)電變流器、5MW中壓全功率海上風(fēng)電變流器；
2019年9月，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的我國首臺(tái)10 MW海上風(fēng)電機(jī)組下線，該機(jī)組搭載的風(fēng)電變流器由東方電氣研制；
2020年7月，陽光電源風(fēng)電變流器應(yīng)用于國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“大容量風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)友好型控制技術(shù)”，助力世界首臺(tái)電壓源型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行。
如今，低壓690V兩電平IGBT，3-5臺(tái)低壓小功率變流器的單體并連方案；1140V三電平IGBT方案；中壓3300V三電平IGCT方案；從850KW到12MW以及更高功率，以陽光電源和禾望電氣為代表的國產(chǎn)品牌為客戶提供了成熟的、可靠的、批量化的技術(shù)方案和貨架商品。
如果說國產(chǎn)化是解決有沒有的問題，那么批量化就是解決好不好的問題；如果單機(jī)功率的不斷做大是中國風(fēng)電變流器技術(shù)的不斷提升，那么單機(jī)大功率時(shí)代的到來就是中國風(fēng)電變流器人的匠心執(zhí)念。
不積跬步，無以至千里。
海上環(huán)境復(fù)雜，相比于陸上產(chǎn)品，防腐防銹等附加需求更多，對(duì)于產(chǎn)品可靠性要求更高。對(duì)于變流器而言，大功率、高可靠性、克服復(fù)雜海洋環(huán)境等要求，使得這一領(lǐng)域成為了變流器的“高端市場(chǎng)”。
盡管，目前在大功率海上風(fēng)電機(jī)組的部件選擇上，進(jìn)口產(chǎn)品還占有一席之地。但是被取代也僅僅是個(gè)時(shí)間的問題，而且不會(huì)太遠(yuǎn)。
從“中國心”到“中國芯”
談及國產(chǎn)品牌風(fēng)電變流器的發(fā)展，繞不開IGBT芯片的話題。
IGBT行業(yè)應(yīng)用上，中國在新能源領(lǐng)域已經(jīng)趕超日本和德國，但在IGBT芯片設(shè)計(jì)制造、模塊封裝、封裝測(cè)試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)上，中國IGBT產(chǎn)業(yè)相關(guān)廠商與日本和德國廠商還有一定差距。
2020年，國家發(fā)展改革委、科技部、工業(yè)和信息化部、財(cái)政部等四部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于擴(kuò)大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資 培育壯大新增長點(diǎn)增長極的指導(dǎo)意見》提出：加快新能源產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展。聚焦新能源裝備制造“卡脖子”問題，加快IGBT、控制系統(tǒng)、高壓直流海底電纜等核心技術(shù)部件研發(fā)。
目前，中車時(shí)代電氣的IGBT產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1200-6500V全覆蓋，嘉興斯達(dá)在全球IGBT模塊市場(chǎng)排名第七。
據(jù)行業(yè)專家介紹，國內(nèi)品牌具有設(shè)計(jì)能力，但是在應(yīng)用端欠缺數(shù)據(jù)積累。所以需要終端客戶利用豐富的應(yīng)用端經(jīng)驗(yàn)，來給他們提出要求，幫助產(chǎn)品優(yōu)化。產(chǎn)品經(jīng)過從樣品到小批量、大批量，經(jīng)過春夏秋冬不同季節(jié)的環(huán)境考驗(yàn)，通過不斷地驗(yàn)證，才能逐步走向成熟。產(chǎn)品國產(chǎn)化是一個(gè)大趨勢(shì)，質(zhì)量上有保證，成本也會(huì)降低，這樣才會(huì)有力地推動(dòng)我國雙碳目標(biāo)地實(shí)現(xiàn)。
盡管國產(chǎn)IGBT在風(fēng)電變流器的應(yīng)用還處于起步階段，但是在國家的政策鼓勵(lì)、行業(yè)的不斷努力下，在中國新能源跨越發(fā)展的大背景下，前景可期。
直掛“風(fēng)”帆，乘“電”破浪
2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布，力爭(zhēng)2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。
2021年3月15日，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議提出，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
偉大的目標(biāo)，宏偉的藍(lán)圖。新能源迎來了空前的機(jī)遇和巨大的挑戰(zhàn)。
我們正處在一個(gè)偉大的時(shí)代。緊跟時(shí)代變化，助力時(shí)代變革，引導(dǎo)時(shí)代變遷。
電力電子作為現(xiàn)代能源變換的核心部件和關(guān)鍵技術(shù)，在未來的電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中會(huì)承擔(dān)重要作用，我們的國產(chǎn)品牌，必將堪當(dāng)大任，助力轉(zhuǎn)型。
來源：中國風(fēng)電新聞網(wǎng)
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