变流器介绍

变流技术
斩波：直流变直流（DC-DC）
逆变：直流变交流（DC-AC） 电力变换 实现 直流斩波器 实现 逆变器 实现 变压、变频、移相：交流变交流（AC-AC） 实现 整流：交流变直流（AC-DC） 变压器、变频器 移相器
整流器
双馈风机电气原理图
主回路断路器 齿轮箱
10...24 kV, f = 50 Hz or 60 Hz
变流器的正常启动流程
变流器舱内 温度和湿度 是否满足运 行条件 否 是 辅助电源上电 主断路器闭合， 网侧调制 总线通讯建立 软启接触器 闭合，对直 流母线充电 加热
并网成功、开 始发电
机侧同步，机 侧隔离开关合 闸
系统进入待机 状态
主控运行 命令
充电结束， 接触器断开
变流器正常停机流程
主控停机命 令
网侧变流器 电网
V1 R
V1 V2
VD1 L VD2
R
储能设备
备用变流器
1) 耗能法
2) 储能法
c) 增加容量
一期风电变流器参数
整机配置
本变流器为背靠背机型，共有四个柜体，分别是网侧 配电柜、网侧功率柜、机侧配电柜、机侧功率柜。 背面
网侧配电柜 机侧配电柜 网侧功率柜 机侧功率柜
正面
变流器柜体布局示意图（俯视图）
0.6
0.8
1
0.8 0
0.2
0.4 t/(s)
0.6
0.8
1
-2 0
0.2
0.4 t/(s)
0.6
0.8
1
a)电网电压峰值(标幺值)
b)直流母线电压(标幺值)
c)网侧电流(标幺值)
一般通过保护切除风电机组的方法来处理
保护切机的影响
风电装机比例较低时，允许风电场在电网发生 故障及扰动时切除，不会引起严重后果。 风电装机比例较高时，在高风速期间，大量风电 切除会导致系统潮流的大幅变化，甚至可能引起大 面积的停电，引起电网的扩大化故障，给电网的恢 复稳定运行造成严重的负面影响。 风机大面积切机不但会对电网造成严重影 响，还会对风电机组本身造成很大危害。 LVRT 必不可少
PMSG实现LVRT的硬件拓扑方法
在直流母线上接耗能单元，当检测母线电压过高时消耗掉 多余的能量。 在直流母线上接额外的储能单元，当检测直流母线电压过 高时转移多余的能量，故障恢复后将所存储的能量馈入电 网 增加变流器容量。
永磁发电机
机侧变流器 网侧变流器
机侧变流器 永磁发电机 网侧变流器 电网
机侧变流器
软启回路
减小启机对电网和变流器的冲击。
Chopper模块
主要用于抑制直流母线过电压，实现对变 流器的保护，并且在电网跌落时实现低电 压穿越功能。
低电压穿越的概念
低电压穿越LVRT (Low Voltage Ride Through)是指 当电网故障或扰动引起的风电场并网点的电压跌 落时，在一定电压跌落范围内，风电机组能够不 间断并网运行，甚至向电网提供一定的无功功率， 支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越” 这个低电压时间(区域)。
制动器 异步发电机
机侧 变流器
网侧 变流器
变压器 开关设备
主轴承
变桨 机构
变流控制器
风机主控器
双馈式 风机变流器特点
容量小，成本低
双馈型系统的变流器容量（相当于转差功率）一般只占 发电机组额定功率的30％左右，体积和重量较小，因而 具有较低的成本。
在低风速时，发电机转子绕组通过变流器向发电机馈入 励磁功率,发电效益较低；在高风速时，发电机转子绕组 向换流器输出励磁功率，发电效益较高； 定子直接与电网相连，风机对电网的波动比较敏感，在 电网电压波动时，比较容易跳闸脱网。
电压跌落的危害
电网电压跌落对并网风电机组有着较大的影响。暂态过 程导致发电机中出现的过电流会损坏电力电子器件，附 加的转矩、应力过大则会损坏风电机组的机械部件。
1.5
1.2 1.1
2 1
Um /(p.u)
Udc/(p.u)
1 0.9
/(p.u) i
abc
1
0 -1
0.5
0 0
0.2
0.4 t/(s)
即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但仍输
出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利用率，但 将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备
变速恒频运行的实现方案
双馈异步发电机＋部分功率变流器
永磁同步发电机（直驱式）＋全功率变流器。
风电变流器及产业概况
国外主流风机变流器生产商
其中：CONVERTEAM、ABB、EMERSON等占有 国内前几位的市场份额
机侧脱网
机侧隔离开关 断开
网侧停止调 制
主断路器断 开
紧急停机至重新开机过程
紧急停机 （按下急 停按钮） 启动变 流器
故障解决
恢复急停按 钮（旋转按 钮使之弹起）
DSP自动上电复 位
全功率变流器功能
在指定的转速范围内实现发电机输出电 能馈入电网； 产生所需要的无功功率；

通过保护动作，当风力发电系统或电网 出现故障时，变流器会与系统脱离并立 即断开进入保护程序。
中国对低电压穿越的要求
永磁同步发电系统低电压保护策略
在电网电压突降的瞬间，风电机组的能量无法完全输出到 电网 转化为转子动能
给变流器直流侧电容充电转化为电势能 通过储能/耗能电路释放
这个能量释放的过程很容易引起转子的超速、机端交流 电压的升高和直流侧电容电压的升高，严重威胁风机机 组和变流器器件的安全。
直驱式风机电气原理图
机侧变流器将电机定子输出的三相交流整流为直流，实现电机在不同 的风速和转速条件下稳定的直流电压输出。网侧变流器将直流电流转 换成三相交流电送入电网，实现全功率风电机组的可靠并网运行。
变流器系统组成
网侧模块 网侧滤波器 变流器系统
机侧模块
机侧滤波器
Chopper模块 软启回路
变流器系统组成
风力发电知识普及与交流 （3）
风力发电需要解决的控制问题
在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要求 风电的频率与电网频率保持一致，即频率保持恒定。
恒速恒频方式 指在风力发电过程中，保持发电机的转速不变，从而得到
恒频的电能。 由于风能与风速的三次方成正比，恒速恒频机组的转速保 持不变，而风速又经常在变化，显然风能利用率很低 变速恒频方式
网侧模块
用于将机侧模块输出的能量回馈电网，在电网 波动的情况下维持直流母线电压的稳定。
网侧滤波器
接在电网和网侧模块之间，用于吸收高频分量。
机侧模块
连接在发电机定子上，通过控制定子转矩电流 实现发电机转矩的调节，并且把发电机发出的 电能转换到直流母线上。
变流器系统组成
机侧滤波器
可以有效降低机侧电压的变化率，改善定子 承受的电应力，延长发电机定子的绝缘寿命。
各分柜功能
机侧配电柜 主要实现风电机组与电网的并网脱网和用户配电需 求，完成控制电路和执行元件间的信号隔离、信号 驱动、信号反馈等。
网侧功率柜
主要实现母线能量和电网的能量交互与传输，并实 现功率因数的控制。
机侧功率柜
主要实现发电机能量和母线的能量交互与传输，并实 现对电机转矩的控制。
变流器整机外观
在电网异常和故障状态下，变流器的兼容运行能力 更强，比如电网跌落和不对称时，由于电机和电网 隔离，还可以运行在对称状态。
直驱式风机变流器特点
直驱型系统需要全功率变流器，即变流器的容量需 要按风电机组额定功率设计，体积和重量大，因而 具有较高的成本。 直驱式风电系统的变流器接于定子绕组与电网之间， 功率输送是单向的，即只能从发电机定子绕组流入 电网。 全功率变流器将发电机和电网完全隔离，电机调 速范围更宽，从而能更大范围的MPPT（最大功率点） 跟踪运行。
整机内部配置（背面视图）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 Chopper 电阻 Chopper 功率组件 网侧功率模块A/B/C（从左到右） 网侧电感 网侧功率柜换热组件 网侧电感换热组件 滤波电容器 网侧断路器 电网防雷保护熔断器开关
变流器内部构成（正面视图）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 配电板 机侧隔离开关 信号防雷板 软启放电回路组件 机侧功率模块A/B/C（从右到左） 机侧功率柜换热组件 机侧电感换热组件 机侧电感 外循环软管夹座
风电变流器及产业概况
国内风机变流器产业
到目前为止，国内从事变流器生产的厂家有20 多家， 主要有禾望电气、阳光电源、科诺伟业、龙源电气、清能 华福、大全集团、九洲电气、北京能高、海得控制、荣信 股份等，已逐渐形成了一个国产自主品牌风能变流器产品 的竞争群体。 目前，美国超导、ABB、Converteam、Switch 等国家中，禾望电气、阳光电源、科诺伟业凭借研发优势处于 竞争的第一梯队。