风电变流器

风电变流器

摘要：随着智能电网概念的普及，各国开始注重新能源的利用。风能，作为一种清洁的可再生能源，已开始得到大量利用。但是风能的不稳定性，非连续性也是风能利用的一大难题，风力发电要更好地将风电接网利用，必须在风机上有技术性的突破，变流器是风力发电的一大重要技术，随着风电规模的不断扩大，风电变流器也随之不断推陈出新。本文以双馈型和直驱型变流器为例浅析了风电变流器的技术问题。

关键词：智能电网风力发电双馈型变流器直流型变流器

1.智能电网

随着全球资源的逐渐稀缺、环境压力的不断增大、电力市场化进程的不断深入以及用户对电能可靠性和质量要求的不断提升,电力行业正面临着前所未有的挑战和机遇,建设更加安全、可靠、环保、经济的电力系统已经成为全球电力行业的共同目标。在主张低碳经济与可再生能源的浪潮中，风能、太阳能、生物能等将是今后能源来源的重要途径，欧美许多发达国家的电网企业正积极推进技术革新和管理转变,普遍将智能电网作为未来电网的发展目标之一。美国智能电网关注网络基础架构的升级更新，同时最大限度的利用信息技术，实现机器智能对人工的替代。欧洲智能电网关注可再生能源的分布式能源的发展，并带动整个行业发展模式的转变。中国智能电网关注对电力生产和管理信息的数字化获取和整合，促进系统安全可靠性、企业效益和服务水平的持续提高。值得注意的是我国电网公司在积极开展“数字化电网、信息化企业”建设的同时,也在密切关注全球电力行业发展的这一新动向。

智能电网，是以实现地球可持续发展为总目标，维护能源的优化利用和降低碳排放量，从而达到生态平衡和环境稳定。

2.风能及风力发电

在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。在自然界的能源中，风能是极其丰富的。据粗略估计，近期可以利用的风能总功率约为106～107兆瓦，这个数值比全世界可以利用的水力资源大10倍。但是，这笔巨大的自然财富还有待人类去大力开发。风力发电可分为离网型和并网型两种。离网型风力发电规模较小,通过蓄电池等储能装置或与其它能源发电技术相结合(如风电-水电互补系统、风电-柴油机组联合供电系统),可以解决偏远地区的供电问题;并网型风力发电是指接入电力系统运行且规模较大的风力发电场,并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑,更加充分地开发可利用的风力资源,是风力发电的主要发展方向。

1995年以来,世界各国的风力发电技术得到了飞速的发展,风力发电累计装机容量平均每年增长超过20% 自从大型风力发电机组投入运行以来,大规模风力发电场的建设成为可能,风力发电事业正逐步向产业化、规模化迈进。在少数地方,风力发电己经在电网中占有相当的比重。随着风电装机容量的增加及在电源中所占比例的增大,风力发电对电力系统运行的影响越来越大。由于风能具有随机性和间歇性,且风力发电机组在运行时需要吸收电网无功功率等特点,这些对电网的安全、稳定运行都有着重大的影响,对电网调度提出了新要求。

风力发电系统虽然具有结构简单、成本低、过载能力强以及运行可靠性高等优点,但也有其缺点,主要表现为:当异步风电机组直接与电网相连接时,异步发电机的运行需要无功电源的支援,这样会使得电网的电压发生偏移;同时,风速变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风电功率的波动,风电机组的频繁启停会让电压产生波动和闪变而进一步危害电网的电能质量。由于风能的随机性和间歇性、风电场会吸收电网无功功率等特点,随着风电装机容量的增加,在电网中所占比例的扩大,对电网的安全、稳定运行带来重大的影响,这将是风电场接入系统面临的重大技术问题,如不解决就会阻碍风力发电的发展。随着风电逐步接入系统,风电场正在逐步纳入调度管理的范畴,风电的自身特点给调度部门如何既实现电网的安全运行又充分利用风电场提出了新的要求。

我们要想将风电安全稳定的利用，首先需解决的问题及时将风电能稳定地接入电网种，从而首先得从风机的技术指标来着手，变流器是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备。包括整流器（交流变直流）、逆变器（直流变交流)、交流变流器和直流变流器。

3.风电变流器

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，我国风能资源丰富，近几年来国家政策也大力扶持风电产业。风电产业逐渐形成一定规模，从风电机组的元器件到风场最终用户，产品供应链初步形成。而变流器是此供应链中的关键环节之一。2008年风机变流器市场容量达到了17.9亿元，在风机自动化产品中占了约36%的市场份额。2008年新增风力发电机组5030台，累计装机容量已超过1200万千瓦。2009年上半年，风电设备产量达427万千瓦，同比增长135.7%，风电企业也由原来的几家发展目前的70多家。

从发展进程来看，“十一五”期间风机变流器行业进入快速发展阶段，国内几家企业掌握了产品自主知识产权，由于国内兆瓦级变流器于近两年才研发成功，生产企业目前处于小规模的试产阶段，产品供给量非常小。兆瓦级风机变流器产业化进程加速，九洲电气、阳光电源、国电龙源正在建设或计划建设产品生产线。

随着风电行业产能的扩大，风电行业的变流器产品也开始扩大需求，中国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点。随着风电机组容量的扩张，风电设备对变流器的要求越来越高。另外，国产化是风电行业的重要趋势。国产变流器厂商若要在风电领域占有一席之地，也要加强和提高自己的技术水平，才可以与国外变流器厂商在风电行业展开激烈竞争。变流器产品是风电设备的重要组成部分，整个行业的自动化产品市场也有几个亿的空间，并且，风电行业的快速发展，直接带动了变流器产品在该行业的市场容量。

变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要进行有功和无功的独立解耦控制。变流器控制双馈异步风力发电机实现软并网，减小并网冲击电流对电机和电网造成的不利影响。变流器提供多种通信接口，如Profibus, CANopen等（可根据用户要求扩展），用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。变流器配电系统提供雷击、过流、过压、过温等保护功能。变流器提供实时监控功能，用户可以实时监控风机变流器运行状态。变流器可根据海拔进行特殊设计，可以按客户定制实现低温、高温、防尘、防盐雾等运行要求。

变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术，核心控制采用具有快速浮点运算能力的“双DSP的全数字化控制器”；在发电机的转子侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略，电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略；系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网和最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率的IGBT功率器件，保证良好的输出波形。这种整流逆变装置具有结构简单、谐波含量少等优点，可以明显地改善双馈异步发电机的运行状态和输出电能质量。这种电压型交-直-交变流器的双馈异步发电机励磁控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。

4．双馈型和直驱型变流器

风电市场的快速增长有效地拉动了风力发电技术的进步。其特点之一就是风电机组的单机容量不断增大，目前国外市场上商业化的主流机组单机容量达到了2 ～3 MW，5 MW 机组的样机已经研制成功，更大容量的机组（10 MW 海上风电机组）已处于概念设计阶段；特点之二就是机组的风能利用效率和可靠性得到了不断提高，机组的风能转换效率最高可达到0.5（已经与理论上最大的风能利用系数——贝茨极限0.593 比较接近了）商业化成熟机组的年可利用率可以达到98％以上。

实际上，风力发电机组的技术发展很大程度上得益于变速恒频的应用，变速恒频已经成为目前MW 级以上风力发电机组的主流技术。所谓变速恒频，就是通过调速控制，使风力发电机组风轮转速能够跟随风速的变化，最大限度地提高风能的利用效率，有效降低载荷；同时风轮及其所驱动的电机转速变化时，保证输出的电能频率始终与电网一致。机组的调速控制可以通过机械或电气控制等不同的途径来实现，但是利用变流器的