风电变流器的技术现状与发展

文/田黄田 谢源 刘浩 施铃丽

风电变流器的技术现状与发展

文/田黄田 谢源 刘浩 施铃丽

随着人类社会的不断发展，能源资源和环境保护成为了人们最为关心的问题。人们对于自然界中的可再生能源的力量的利用有了进一步的提高，而风电变流器就是人们为了利用可再生的风能资源，为人们的生存和发展提供了良好的电能资源。而本文主要从风电变流器的类型，拓朴结构和技术发展状况等进行了简单的研究和了解，希望能够为人们研究风电变流器技术的发展提供一些参考。

风电变流器 风力发电 变流器的发展

1 风力发电与风电变流器的发展状况

与其他可再生能源发电相比，人们对于风能发电的基础较为成熟，就要来一电的规模化开发条件和产业化发展前景，而风能发电作为一项走在科学眼沿的产业，被我国定为战略性的新型产业。在世界中，我国是风电装机持续增长速度最快，持续增长风电装机容量最大的国家。早在2012年，我国就成为了世界第一风电并网大国。成功的超越了核能发电，成为水力发电，火力发电之后的第三大电源。随着中国科学技术的不断发展，相关行业的技术也得到了世界前列。在风力发电的过程中，风电变流器就是风力发电的一个核心部件，在这一项技术上中国已经走上了成熟，为中国经济的快速发展和人民生活水平的提高提供了强有力的保证。

2 风电变流器的基本情况

在风力发电机组中，风电变流器是其中的一个大型核心部件，风电变流器的性能直接影响到了风力发电的状况。人们为了能够让风机得到有效实用的最佳风能的捕获，于是选择了在风电机组中采用现金的变速恒频技术。从而成功的使得改良后的发电机转速能够通过风力的大小智能的不断变化。维持桨叶顶端速度与风速比，也就是在较宽范围内使其维持最佳的叶尖速比。目前人们主要是利用风电变流器的应用来实现变速恒频，对高电压和低电压穿越还有对电网的无功率支持。

目前无论是国内还是国外，并网式的风力发电系统中应用的风电机组大部分都有效的采用双馈变流器和全功率变流器。

2.1 双馈变流器的应用

相对于其他技术人们对于双馈变流器的发展较为先进和成熟。它可以根据用途分为多种拓扑结构，在生活实际应用中，它主要是以电压源型双WPM变换结构为主，其他结构为辅助相互配合。这种结构的优点是灵巧的实现了发电机在较宽的理想转速范围内稳定运行，并且它的设计电路简单，很是巧妙地才用了交-直-交的方式来更好实现人们一直想要实现的两个变换器之间的解耦。与其他风电变流器采用的的技术不同，双馈变流器使用的关键技术在于有效利用变流器的励磁控制策略。在目前，矢量控制策略成为双馈型机组中最为常用的控制方法。但是它非常长度依赖于电机本身参数，还需要需要详细而又准确的电机模型。而且双馈型变流器使用的电路是非线性的，电路在不断工作的时候会持续向电网注入谐波电流，那么要如何有效的控制谐波电流也成为了双馈型变流急需要解决的另外一个关键问题。而且如果与其他变流器相比，使用的双馈型变流器对电网电压和频率波动更为敏感，电网电压在跌落的时，一旦网侧电压下降达到40%，就会造成电机侧电流猛然上升4倍，所以变流器需要采用1GBT的大容量或者是“crowbar”。与此同时电机侧电流会对传动系统中工作的齿轮箱和发电机产生不利的冲击，以上因素都是双馈变流器在进行设计时要考虑的。

2.2 全功率变流器的应用

全功率变流器中的额定功率相对其他变流器而言较多，当前的主要有1.5MW,2MW,2.5MW,3MW,5MW,或者6MW。不过人们常用的主流功率是1.5MW,2MW,2.5MW。由于实际生活中风电机组接入点电压等级存在不同程度上的差异，人们将全频功率变流器拓扑结构主要划分为两大类，一类是采用二电平结构，它经常被应用于生活中的低电压系统，电网电压等级一般都在690V以下。另一类则是采用多电平结构，主要应用于生活中的中压系统，电网电压等级一般都在在590V以上，两者相互搭配满足人们的日常需求。二电平变流器和多电平变流器在控制原理上有很多的共同之处。

3 特殊需求

作为一项新型发电产业，风电变流器与一般的工业传动变频器不同，它需要满足生活中一些特殊应用的要求和标准。

3.1 低电压和高电压穿越现象

低电压穿越现象，这种现象能够让风电机组并网点电压跌落时，风电机组继续工作保持并且不脱网，它能够向电网提供一定的无功功率，一直持续到电网恢复，能够正常工作，渡过低压时间。同样的道理高电压穿越就要要求电网段时间在出现高压情况下不能脱网。传统生活中的火力发电或者是水力发电机组都是是可控发点能源，电机组本身就存在有自己的励磁调节系统，所以能够很好的维持机断电压稳定，其中并入电网的电机组就相当于了电压源、但是风力发电与以上两个不同，我们都知道风力在生活中是不可控制能源，其中风速的大小会造成电机转速的不断变化，所以在生活中风力发电机大多采用异步或者永磁发电机，它电机本身没有励磁调节系统，从目前的风电机变流器来看，并入电网的风电机组就相当于了电源，输出电压与电网电压息息相关。电网电压跌落或者恢复的时候，如果不具备“穿越”功能渡过这个缓冲阶段，就会造成很大的问题，比如会引起交流侧过流或直流侧过压保护脱网，大量机组跳闸等一些问题。

4 风电变流器技术发未来发展状况

随着科学技术的不断进步，风电技术也会不断的完善和发展。风电变流器的发展方向会朝着电网友好型，更加智能型，追求高可靠程度。其中最为重要的控制技术也会得到不断优化，让它能够有满足风场电机组对电网的需求。具备有更好的能够使用的分布式风电几并网技术，有效的解决目前风电机存在的开发利用大规模集中，远距离输送为主，发展过程中遇到消耗难，送出难的问题。未来的风电变流器也会具有故障智能诊断和远程监控功能，能够实现，现场无人值守，少量人员值班的远程监视与控制。风电场的远程监控系统能够实时监控风电变流器的工作状态，自动记录和保留风电变流器故障的日志，供技术人员分析和处理等。

5 结束语

风电变流器是风力发电系统的关键设备，未来的风电变流器能够随着人们的需求而不断的创新和优化，供人们使用。所以风电变流器产业的前景很广阔，提高风风电变流器的质量，性能和适应各种环境是国内外各个厂家急需要关注的问题。我们也相信风电变流器能够给我们环境保护和资源利用提供强有力的保证。最后，由于笔者水平有限文中存在的不足之处敬请广大读者谅解，笔者也希望文章能够给广大读者和相关从业人员有所帮助。

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作者单位上海电机学院 上海市 201306