MW级风力发电用变流器现状及发展研讨(ppt 83页)

一 国内外风力发电状况
2009年我国累计风电装机排名前12家企业市场份额
一 国内外风力发电状况
2004~2009国内风电机组价格走势
一 国内外风力发电状况
2009年我国新增装机中不同容量机组分布
一 国内外风力发电状况
2005~2009我国各年新增装机平均功率
一 国内外风力发电状况
海上风电场概况
二 风电变流器及产业概况
电流型+电压型的风机变流器
优点： 1）主变流器采用电流型拓扑且以方波调制以减低损耗 2）次变流器采用电压型拓扑且以低容量实现有源滤波 3）较快的动态影响和稳定性
缺点： 1）变流器结构复杂； 2）控制复杂
二 风电变流器及产业概况
矩阵型风机变流器
优点：无中间储能环节，效率高； 功率管的热应力相对较低（与电网频率相关） 开关损耗减少（半数的功率器件处于自然换流）；du/du低
• 风机变流器系列： • 双馈变流器 (ProWind)：
0.5— 5MW/690V • 低压全功率变流器 (MV3000)：
1— 5MW/690V • 中压变流器 (MV7000)：
3— 8MW/3300V、6600V • 特点：低压系列采用相桥模块化设计，产品成
熟、价格较ABB低
二 风电变流器及产业概况
二 风电变流器及产业概况
美国超导公司AMSC Windtec（美国 苏州）
二 风电变流器及产业概况
• 2006年风机变流器装变量占全球的14%的市场份额
已在上海成立了英赫特安（Ingeteam）自动化 系统工程有限公司
二 风电变流器及产业概况
日本安川电机已推出高压矩阵变频器
FSDrive-MX1S系列
变流器的模块化设计
三 超大功率风电变流器方案
变流器的模块化设计
级联多电平模块化设计 优点：适用于高压设计 缺点：多绕组发电机设计；变流器体积大
三 超大功率风电变流器方案
超大功率设计的根本方法——提高电压等级
低压模块化方案
（以电励磁同步全功率为例）
三 超大功率风电变流器方案
中压电压型变流器方案（3MW）—系统
控制单元
变压器 功率单元
尺寸 W３４００＊H２４００＊D１２００ 重量：５３００Kg
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二 风电变流器及产业概况
国内风机变流器的生产企业：（排名不分先后）
• • • • • • • • • • • • • • • • •
Hale Waihona Puke Baidu
南鞍重天北许天国哈海江合深东北北山
车山庆水京继津电尔德苏肥圳方京京东
株容科电能集瑞龙滨新大阳市日科清新
缺点：采用双向功率器件，且数量较多； 输入输出耦合，FRT性能差
二 风电变流器及产业概况
关于直驱机组——发展趋势
尽管初始成本高出 5%-10%，因为大幅 降低了运营成本并 省去了齿轮箱更换 成本，直驱风机对 于海上风电市场具 有成本优势
预期：1）到2020年70%以上的海上风电市场将由直驱风机组成（包括混合型）； 2）未来1-2年3MW机型的成本可下降3-5%； 2）直驱风机在陆上风电市场的份额也会增加； 3）直驱机组将在2020年占到总新装机量的20%（目前占14%）。
FSDrive-MX1S 6KV 外观图
产品名称：FSDrive-MX1H ・3kV级： 200～2500kW ・6kV级： 400～5000kW ・10kV级：即将上市 全系列均采用稳定可靠和维护简便的风冷技 术
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二１风５０电０变KV流A器/３及．产３K业V概况
日本安川电机的高压矩阵变频器 冷却风机
洲信凯气高团能源九能权光禾立诺能风
电电前传自柔电电洲源集电望电伟华光
力力卫动动性气气电公团源电控业福电
机电风研化输有有气司公有气设科风子
车子电究技电限限
司 限有备技电科
研股设所术系公公
公限有有技技
究份备有有统司司
司公限限术发
所有有限限公
司公公有展
有限限公公司
司司限有
限公公司司
公限
公司 司
司公
司
司
三 超大功率风电变流器方案
2009年全球风机装机总容量为：159.213GW， 年增长率为31.7%，是十年来增长最快的！
一 国内外风力发电状况
2001~2009全球风机新装机容量（单位：MW）
2009全球风机新装机容量为38.3GW 比十年前增长10倍！
一 国内外风力发电状况
2009全球风机累计装机容量排名
中国超过德国累计装机容量跃居全球第二！
ACS800-67LC 液冷型适用于 3MW 机组的双馈风电变流器
ACS800-77LC液冷型适用于5MW 以下机组的全功率风电变流器
配备有最新的软件和硬件， 以支持各个地区的电网法规。 如E.ON、R.E.E 和FERC Order 661
二 风电变流器及产业概况
ABB 风机变流器
二 风电变流器及产业概况
三 超大功率风电变流器方案
中压电压型变流器方案（3MW）—网侧
三 超大功率风电变流器方案
中压电压型变流器方案（3MW）—直流升压
三 超大功率风电变流器方案
中压电压型变流器方案（3MW）—机侧
三 超大功率风电变流器方案
中压电压型变流器方案（5MW）—系统
三 超大功率风电变流器方案
中压电压型变流器方案（5MW）—网侧
一 国内外风力发电状况
2009全球新增装机容量各国份额
2009 年中国新增风电装机容量为：13.8GW， 跃居全球第一！
一 国内外风力发电状况
2009年全球风机生产十强企业名单
我国华锐、金风、东汽三家企业 进入2009年全球风机生产十强！
一 国内外风力发电状况
2009年我国新增风电装机排名前10家企业市场份额(MW）
三 超大功率风电变流器方案
变流器的模块化设计
• 模块化设计的基本方式： • 1）相桥臂模块设计 • 2）独立的AC-DC设计 • 3）独立的AC-DC-AC+滤波器设计 • 4）独立的AC-DC-AC设计 • 5）级联多电平模块化设计
三 超大功率风电变流器方案
变流器的模块化设计
独立的AC-DC-AC+滤波器设计
三 超大功率风电变流器方案
变流器的模块化设计
主电路+驱动
相桥臂模块设计
独立的AC-DC-AC设计
三 超大功率风电变流器方案
变流器的模块化设计
独立的AC-DC设计 600KVA 1.8MVA
三 超大功率风电变流器方案
变流器的模块化设计
1.8 MVA, 4 Q THE SWITCH
三 超大功率风电变流器方案
• 目前向中国客户华锐风电科技有限公司、东方汽轮机厂、 中国南车时代- 株洲电力机车研究所有限公司，沈阳鼓风 机集团有限公司和许继集团提供风机的整体设计和电控系 统，包括电力核心部件。
二 风电变流器及产业概况
美国超导公司AMSC Windtec（美国 苏州）
PowerModule™ PM系列实际上是一种便于快速开发变流器
二 风电变流器及产业概况
艾默生网络能源有限公司（美国 深圳）
二 风电变流器及产业概况
美国超导公司AMSC Windtec（美国 苏州）
• 美国超导公司于2007 年9 月11 日在中国苏州市设立了全 资子公司苏州美恩超导有限公司。
• 目前中国公司主要负责生产变流器PowerModule™ PM1000 和PowerModule™ PM3000W
二 风电变流器及产业概况
二 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
二 风电变流器及产业概况
ABB 风机变流器
• 一类是应用于双馈发电系统的ACS800-67系列（ 0.85 MW至3.8 MW） • 一类应用于永磁同步电机且无齿轮箱的ACS800-77系列（ 0.8 MW至6 MW） 特点： • 采用直接转矩控制（DTC） • 三相半桥模块化设计 • 全封闭紧凑型设计
德国Enercon公司已研制 出7MW的直驱型机组
Multibrid 5MW 机组也已运行
德国Repower公司研制 的5MW的风电机已经在 爱尔兰海上运行
风电机组单机容量不断增大，正向10MW迈进， 超大功率时代到来了！
三 超大功率风电变流器方案
扩大容量的基本方案——模块化设计
模块化设计的优点： 1）易于容量的扩大 2）有助于大规模标准化生产，有效降低成本 3）系统配置灵活、维修方便 4）优化运行模式、提高运行效率和寿命周期
. 的可编程的核心功率平台（无输入、输出滤波器、 电气 开关等）
二 风电变流器及产业概况
美国超导公司AMSC Windtec（美国 苏州）
Windtec PM3000W 技术参数一览表 Specifications Nominal AC Voltage: 690 VAC Nominal DC Bus Voltage: 1150 VDC Max. Transient DC Bus Voltage: 1400 VDC PWM Switching Frequency: 3 kHz Max. Continuous AC Phase Current: 750A
二 风电变流器及产业概况
二 风电变流器及产业概况
二 风电变流器及产业概况
2009-2014 年中国每年风电变流器供需缺口
二 风电变流器及产业概况
2009-2014 年中国每年全功率风电变流器供需缺口
二 风电变流器及产业概况
2009-2014 年中国每年双馈型风电变流器供需缺口
二 风电变流器及产业概况
二 风电变流器及产业概况
• 风电变流器属于风力发电机组大型核心部件之一， 也是目前风电制造行业国产化水平较低的部件之 一；
• 国内变流器市场一直以来被ABB 等几家外资巨头 垄断；
• 近年来国内企业在风电变流器研发及产业化方面 进行了巨大投入，并且有了长足的进步！
二 风电变流器及产业概况
风电机组类型：
ABB 风机变流器
二 风电变流器及产业概况
科孚德机电 (Converteam) 变流器
• 科孚德机电 (Converteam) 前身是法国知名企 业阿尔斯通 (Alstom) 机电部，于2005年成为 独立的公司
• Converteam 中国区总部科孚德机电(上海)有 限公司位于上海市莘庄工业园区内，从2005 年发展到现在已有110 余名员工，并拥有2000 余平米的生产基地
• 2009年全球海上风电新增装机容量 达454MW，增长速度达到30%
• 目前全球在建的最大海上风电场： 丹麦北部海岸的Horns Rev II 海 上风电场，其装机容量为209MW
• 目前，上海东海大桥102MW海上风 电场的34台3MW风电机组全部并网 成功。
• 2010年我国首轮海上风电场项目 特许权招标将在今年9月开始投标 包括两个300MW的近海风电场和 两个200MW的滩涂风电场项目
中国电工技术学会电力电子学会第十二届学术年会 （哈尔滨 2010.8）
MW级风力发电用变流器现状及发展趋势
合肥工业大学
张兴
报告提纲
• 国内外风力发电状况 • 风电变流器及产业概况 • 超大功率风电变流器方案 • 关于LVRT(FRT) • 结语
一 国内外风力发电状况
2001~2009全球风机总装机容量（单位：MW）
低速型：全功率（发电机体积最大！）
高速型：双馈、全功率（发电机体积最小！）
永磁发电机与齿轮箱的集成——紧凑、高效 中速型：全功率（发电机体积中等！）
二 风电变流器及产业概况
双馈电压型风机变流器拓扑
升压变压器
690V
接触器 EMI
核心控制单元 LCL 滤波器
接触器 核心控制单元
Vdc
EMI du/dt 抑制器
科孚德机电 (Converteam) 变流器
二 风电变流器及产业概况
科孚德机电 (Converteam) 变流器
二 风电变流器及产业概况
艾默生网络能源有限公司（美国 深圳）
1.5MW 双馈风机变流器-风冷 1.25MW/1.5MW双馈风机变流器-液冷 2MW 双馈风机变流器-液冷 2.5MW 双馈风机变流器-液冷 3MW 双馈风机变流器-液冷 1.5MW 全功率风机变流器-风冷
SVPWM SVPWM
iL2 ig vg
iL1 vc
网侧控制器
转子侧控制器
核心控制单元
ir
n is vs
监控系统
双馈型风力发电机驱动控制变流器
DFIG
码盘
外部通讯
二 风电变流器及产业概况
全功率电压型风机变流器拓扑
二 风电变流器及产业概况
全功率电流型风机变流器拓扑
优点：1）适合于高压大容量系统（功率器件串联相对容易）；2）由于阀侧电压近似正 弦，无需du/dt滤波器；3）良好的短路保护能力和LVRT特性 缺点：1）功率器件及供货问题；3）储能电感体积大、增加了损耗；2）系统的动态响 应和振荡问题