風電變流器的技術現狀與發展

趙艷梅

【摘 要】隨著社會不斷進步，環境保護和能源資源等方面逐漸受到人們的密切關注。人類對自然界內的可再生資源的利用得到了不斷提升，然而風電變流器是人們為了對可再生風能資源進行再利用，給人們生存以及發展帶來更好電能資源。本文概述了風力發電和風電變流器相關內容，并且分析了風電變流器技術的應用和特殊需求，最后探究了風電變流器未來發展方向，力求給人們對風電變流器技術的發展提供一定的依據。

【關鍵詞】風電變流器；現狀；發展

一、風力發電與風電變流器概述

風能和其他可再生能源發電相對比，人們對其發電的基礎比較成熟。風能發電是一項科學前沿的產業，其為我國定為戰略性的新型產業。在全球，我國風電裝機持續增長的速度比較快，持續增長風電裝機的容量最大[1]。在風電發電機組當中，風電變流器是一個大型的核心部件。風電變流器的性能直接關乎著風電發電的狀況。人們為了可以讓風機得到實用的最好風能捕捉，因此選擇在風電機組內利用變速恒頻技術，進而成功的利用改良后發電機轉速可以利用風力大小智能的進行變化[2]。當前，主要人們主要是利用風電變流器來實現風機的變速恒頻，其對高電壓以及低電壓穿越還有對電網無功率有所支持。當前，不管是國外還是國內，并網式的風力發電系統內應用風電機組大多數都利用了全功率變流器和雙饋變流器。

二、風電變流器技術的應用

1.雙饋變流器的應用

和一些技術相對比，人們對雙饋變流器的發展還比較成熟和先進。雙饋變流器按照永通可以分成許多類拓撲結構。在人們日常的實際應用過程中，雙饋變流器主要是通過電壓源型的雙WPM變換結構為主，其他的結構作為輔助相互進行配合。這類結構的優點為比較靈活，并且可以實現發電機在比較寬的理想轉速范圍當中穩定的運行[3]。除此之外，它的設計電流也比較簡單，能夠非常好的利用了交-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。

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。

三、風電變流器技術特殊應用需求

1.需具備低電壓和高電壓穿越功能

所謂低電壓穿越，指在風電機組并網點電壓跌落的時候，風電機組能夠保持不脫網，甚至還能向電網提供一定的無功功率，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間（區域）。高電壓穿越則要求在電網短時出現高壓的情況下不能脫網。火力發電或水力發電機組是可控發電能源，機組本身有勵磁調節系統，能維持機端電壓穩定，并入電網的機組相當于電壓源。而風力發電則與之不同，風是不可控能源，風速的變化造成發電機的轉速在大范圍內變化。風力發電機多是異步或永磁式發電機，機組本身無勵磁調節系統，從當前普遍采用的風機變流器控制情況來看，并入電網的風力發電機組相當于電流源，其輸出電壓取決于電網電壓。當電網電壓跌落或恢復時，不具備低電壓和高電壓穿越功能的風電變流器會引起交流側過流或直流側過壓保護而脫網。風電機組的發電機、變壓器等設備要消耗無功，當大量機組跳閘，會因無功消耗設備的減少以及送電線路產生的充電功率而使系統電壓升高，很多風機又會因過電壓而跳閘，使事故擴大。

2.需具備更高可靠性

風電場大都位于交通不便的偏遠地區或海上，風電設備及部件的維修和更換較困難，有些變流器模塊還位于塔頂的機艙中，吊裝、拆卸都很困難，再加上風電機組要求具有20年以上的壽命。因此，要求風電變流器必須具有非常高的可靠性，在出廠前需要對變流器進行全套的安全性和穩定性測試，對質量要求非常嚴格。最近幾年多次發生的風機燒毀事件或安全事故，大多都與風電變流器的質量缺陷有關。目前國產風電變流器相比國外品牌產品雖有價格上的優勢，但無論在技術上還是在可靠性方面仍存在較大的差距。一些風機整機廠家在采購了國產變流器，試用一段時間后，由于變流器故障頻繁影響到發電量，這些廠家不得不再次改用國外變流器。由于供大于求，目前國內風電機組價格偏低，風機整機廠的降本壓力向部件廠商傳遞。風電變流器作為風電機組的核心部件，市場競爭激烈，過度降本的結果已影響到產品質量和可靠性，這種現狀應當引起大家的重視。

3.需能適應惡劣環境

我國幅員遼闊，風力資源很豐富，但地域環境差異較大。現在風力發電幾乎已在全國各地落根。一些風場濕度很大，極易引起凝露造成變流器故障；一些風場風沙較大，長期大風沙極易損壞變流器；一些風場建在潮間帶及海上，變流器極易遭受鹽霧的侵蝕而失效；一些風場建在極端溫度區域，極端的低溫或高溫氣侯會造成變流器的結構損壞。這些惡劣的應用環境大大提高了風電變流器的設計難度，風機整機廠家都對變流器的防護等級提出了較高要求，目前一般要求達到IP54等級。

四、風電變流器技術發未來發展

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。

五、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。

【參考文獻】

[1]劉剛.關于風力發電機組變流器技術的探究[J].科技展望 ，2016，26（17）：91-92.

[2]施鵬飛.風電裝機容量迅猛增長及其隱憂[J].風力發電，2017（02）.

[3]葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京：機械工業出版社，2015.