風電變流器的技術現狀與發展

文/田黃田 謝源 劉浩 施鈴麗

風電變流器的技術現狀與發展

文/田黃田 謝源 劉浩 施鈴麗

隨著人類社會的不斷發展，能源資源和環境保護成為了人們最為關心的問題。人們對于自然界中的可再生能源的力量的利用有了進一步的提高，而風電變流器就是人們為了利用可再生的風能資源，為人們的生存和發展提供了良好的電能資源。而本文主要從風電變流器的類型，拓樸結構和技術發展狀況等進行了簡單的研究和了解，希望能夠為人們研究風電變流器技術的發展提供一些參考。

風電變流器 風力發電 變流器的發展

1 風力發電與風電變流器的發展狀況

與其他可再生能源發電相比，人們對于風能發電的基礎較為成熟，就要來一電的規模化開發條件和產業化發展前景，而風能發電作為一項走在科學眼沿的產業，被我國定為戰略性的新型產業。在世界中，我國是風電裝機持續增長速度最快，持續增長風電裝機容量最大的國家。早在2012年，我國就成為了世界第一風電并網大國。成功的超越了核能發電，成為水力發電，火力發電之后的第三大電源。隨著中國科學技術的不斷發展，相關行業的技術也得到了世界前列。在風力發電的過程中，風電變流器就是風力發電的一個核心部件，在這一項技術上中國已經走上了成熟，為中國經濟的快速發展和人民生活水平的提高提供了強有力的保證。

2 風電變流器的基本情況

在風力發電機組中，風電變流器是其中的一個大型核心部件，風電變流器的性能直接影響到了風力發電的狀況。人們為了能夠讓風機得到有效實用的最佳風能的捕獲，于是選擇了在風電機組中采用現金的變速恒頻技術。從而成功的使得改良后的發電機轉速能夠通過風力的大小智能的不斷變化。維持槳葉頂端速度與風速比，也就是在較寬范圍內使其維持最佳的葉尖速比。目前人們主要是利用風電變流器的應用來實現變速恒頻，對高電壓和低電壓穿越還有對電網的無功率支持。

目前無論是國內還是國外，并網式的風力發電系統中應用的風電機組大部分都有效的采用雙饋變流器和全功率變流器。

2.1 雙饋變流器的應用

相對于其他技術人們對于雙饋變流器的發展較為先進和成熟。它可以根據用途分為多種拓撲結構，在生活實際應用中，它主要是以電壓源型雙WPM變換結構為主，其他結構為輔助相互配合。這種結構的優點是靈巧的實現了發電機在較寬的理想轉速范圍內穩定運行，并且它的設計電路簡單，很是巧妙地才用了交-直-交的方式來更好實現人們一直想要實現的兩個變換器之間的解耦。與其他風電變流器采用的的技術不同，雙饋變流器使用的關鍵技術在于有效利用變流器的勵磁控制策略。在目前，矢量控制策略成為雙饋型機組中最為常用的控制方法。但是它非常長度依賴于電機本身參數，還需要需要詳細而又準確的電機模型。而且雙饋型變流器使用的電路是非線性的，電路在不斷工作的時候會持續向電網注入諧波電流，那么要如何有效的控制諧波電流也成為了雙饋型變流急需要解決的另外一個關鍵問題。而且如果與其他變流器相比，使用的雙饋型變流器對電網電壓和頻率波動更為敏感，電網電壓在跌落的時，一旦網側電壓下降達到40%，就會造成電機側電流猛然上升4倍，所以變流器需要采用1GBT的大容量或者是“crowbar”。與此同時電機側電流會對傳動系統中工作的齒輪箱和發電機產生不利的沖擊，以上因素都是雙饋變流器在進行設計時要考慮的。

2.2 全功率變流器的應用

全功率變流器中的額定功率相對其他變流器而言較多，當前的主要有1.5MW,2MW,2.5MW,3MW,5MW,或者6MW。不過人們常用的主流功率是1.5MW,2MW,2.5MW。由于實際生活中風電機組接入點電壓等級存在不同程度上的差異，人們將全頻功率變流器拓撲結構主要劃分為兩大類，一類是采用二電平結構，它經常被應用于生活中的低電壓系統，電網電壓等級一般都在690V以下。另一類則是采用多電平結構，主要應用于生活中的中壓系統，電網電壓等級一般都在在590V以上，兩者相互搭配滿足人們的日常需求。二電平變流器和多電平變流器在控制原理上有很多的共同之處。

3 特殊需求

作為一項新型發電產業，風電變流器與一般的工業傳動變頻器不同，它需要滿足生活中一些特殊應用的要求和標準。

3.1 低電壓和高電壓穿越現象

低電壓穿越現象，這種現象能夠讓風電機組并網點電壓跌落時，風電機組繼續工作保持并且不脫網，它能夠向電網提供一定的無功功率，一直持續到電網恢復，能夠正常工作，渡過低壓時間。同樣的道理高電壓穿越就要要求電網段時間在出現高壓情況下不能脫網。傳統生活中的火力發電或者是水力發電機組都是是可控發點能源，電機組本身就存在有自己的勵磁調節系統，所以能夠很好的維持機斷電壓穩定，其中并入電網的電機組就相當于了電壓源、但是風力發電與以上兩個不同，我們都知道風力在生活中是不可控制能源，其中風速的大小會造成電機轉速的不斷變化，所以在生活中風力發電機大多采用異步或者永磁發電機，它電機本身沒有勵磁調節系統，從目前的風電機變流器來看，并入電網的風電機組就相當于了電源，輸出電壓與電網電壓息息相關。電網電壓跌落或者恢復的時候，如果不具備“穿越”功能渡過這個緩沖階段，就會造成很大的問題，比如會引起交流側過流或直流側過壓保護脫網，大量機組跳閘等一些問題。

4 風電變流器技術發未來發展狀況

隨著科學技術的不斷進步，風電技術也會不斷的完善和發展。風電變流器的發展方向會朝著電網友好型，更加智能型，追求高可靠程度。其中最為重要的控制技術也會得到不斷優化，讓它能夠有滿足風場電機組對電網的需求。具備有更好的能夠使用的分布式風電幾并網技術，有效的解決目前風電機存在的開發利用大規模集中，遠距離輸送為主，發展過程中遇到消耗難，送出難的問題。未來的風電變流器也會具有故障智能診斷和遠程監控功能，能夠實現，現場無人值守，少量人員值班的遠程監視與控制。風電場的遠程監控系統能夠實時監控風電變流器的工作狀態，自動記錄和保留風電變流器故障的日志，供技術人員分析和處理等。

5 結束語

風電變流器是風力發電系統的關鍵設備，未來的風電變流器能夠隨著人們的需求而不斷的創新和優化，供人們使用。所以風電變流器產業的前景很廣闊，提高風風電變流器的質量，性能和適應各種環境是國內外各個廠家急需要關注的問題。我們也相信風電變流器能夠給我們環境保護和資源利用提供強有力的保證。最后，由于筆者水平有限文中存在的不足之處敬請廣大讀者諒解，筆者也希望文章能夠給廣大讀者和相關從業人員有所幫助。

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作者單位上海電機學院 上海市 201306