文/田黃田 謝源 劉浩 施鈴麗

風(fēng)電變流器的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

文/田黃田 謝源 劉浩 施鈴麗

隨著人類社會的不斷發(fā)展，能源資源和環(huán)境保護成為了人們最為關(guān)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(fēng)電變流器就是人們?yōu)榱死每稍偕娘L(fēng)能資源，為人們的生存和發(fā)展提供了良好的電能資源。而本文主要從風(fēng)電變流器的類型，拓樸結(jié)構(gòu)和技術(shù)發(fā)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(fēng)電變流器技術(shù)的發(fā)展提供一些參考。

風(fēng)電變流器 風(fēng)力發(fā)電 變流器的發(fā)展

1 風(fēng)力發(fā)電與風(fēng)電變流器的發(fā)展狀況

與其他可再生能源發(fā)電相比，人們對于風(fēng)能發(fā)電的基礎(chǔ)較為成熟，就要來一電的規(guī)?；_發(fā)條件和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景，而風(fēng)能發(fā)電作為一項走在科學(xué)眼沿的產(chǎn)業(yè)，被我國定為戰(zhàn)略性的新型產(chǎn)業(yè)。在世界中，我國是風(fēng)電裝機持續(xù)增長速度最快，持續(xù)增長風(fēng)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(fēng)電并網(wǎng)大國。成功的超越了核能發(fā)電，成為水力發(fā)電，火力發(fā)電之后的第三大電源。隨著中國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)行業(yè)的技術(shù)也得到了世界前列。在風(fēng)力發(fā)電的過程中，風(fēng)電變流器就是風(fēng)力發(fā)電的一個核心部件，在這一項技術(shù)上中國已經(jīng)走上了成熟，為中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高提供了強有力的保證。

2 風(fēng)電變流器的基本情況

在風(fēng)力發(fā)電機組中，風(fēng)電變流器是其中的一個大型核心部件，風(fēng)電變流器的性能直接影響到了風(fēng)力發(fā)電的狀況。人們?yōu)榱四軌蜃岋L(fēng)機得到有效實用的最佳風(fēng)能的捕獲，于是選擇了在風(fēng)電機組中采用現(xiàn)金的變速恒頻技術(shù)。從而成功的使得改良后的發(fā)電機轉(zhuǎn)速能夠通過風(fēng)力的大小智能的不斷變化。維持槳葉頂端速度與風(fēng)速比，也就是在較寬范圍內(nèi)使其維持最佳的葉尖速比。目前人們主要是利用風(fēng)電變流器的應(yīng)用來實現(xiàn)變速恒頻，對高電壓和低電壓穿越還有對電網(wǎng)的無功率支持。

目前無論是國內(nèi)還是國外，并網(wǎng)式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的風(fēng)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(yīng)用

相對于其他技術(shù)人們對于雙饋變流器的發(fā)展較為先進和成熟。它可以根據(jù)用途分為多種拓撲結(jié)構(gòu)，在生活實際應(yīng)用中，它主要是以電壓源型雙WPM變換結(jié)構(gòu)為主，其他結(jié)構(gòu)為輔助相互配合。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是靈巧的實現(xiàn)了發(fā)電機在較寬的理想轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，并且它的設(shè)計電路簡單，很是巧妙地才用了交-直-交的方式來更好實現(xiàn)人們一直想要實現(xiàn)的兩個變換器之間的解耦。與其他風(fēng)電變流器采用的的技術(shù)不同，雙饋變流器使用的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)，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(xù)向電網(wǎng)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(guān)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(wǎng)電壓和頻率波動更為敏感，電網(wǎng)電壓在跌落的時，一旦網(wǎng)側(cè)電壓下降達到40%，就會造成電機側(cè)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(cè)電流會對傳動系統(tǒng)中工作的齒輪箱和發(fā)電機產(chǎn)生不利的沖擊，以上因素都是雙饋變流器在進行設(shè)計時要考慮的。

2.2 全功率變流器的應(yīng)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(fēng)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(jié)構(gòu)主要劃分為兩大類，一類是采用二電平結(jié)構(gòu)，它經(jīng)常被應(yīng)用于生活中的低電壓系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓等級一般都在690V以下。另一類則是采用多電平結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于生活中的中壓系統(tǒng)，電網(wǎng)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(fā)電產(chǎn)業(yè)，風(fēng)電變流器與一般的工業(yè)傳動變頻器不同，它需要滿足生活中一些特殊應(yīng)用的要求和標準。

3.1 低電壓和高電壓穿越現(xiàn)象

低電壓穿越現(xiàn)象，這種現(xiàn)象能夠讓風(fēng)電機組并網(wǎng)點電壓跌落時，風(fēng)電機組繼續(xù)工作保持并且不脫網(wǎng)，它能夠向電網(wǎng)提供一定的無功功率，一直持續(xù)到電網(wǎng)恢復(fù)，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(wǎng)段時間在出現(xiàn)高壓情況下不能脫網(wǎng)。傳統(tǒng)生活中的火力發(fā)電或者是水力發(fā)電機組都是是可控發(fā)點能源，電機組本身就存在有自己的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所以能夠很好的維持機斷電壓穩(wěn)定，其中并入電網(wǎng)的電機組就相當于了電壓源、但是風(fēng)力發(fā)電與以上兩個不同，我們都知道風(fēng)力在生活中是不可控制能源，其中風(fēng)速的大小會造成電機轉(zhuǎn)速的不斷變化，所以在生活中風(fēng)力發(fā)電機大多采用異步或者永磁發(fā)電機，它電機本身沒有勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從目前的風(fēng)電機變流器來看，并入電網(wǎng)的風(fēng)電機組就相當于了電源，輸出電壓與電網(wǎng)電壓息息相關(guān)。電網(wǎng)電壓跌落或者恢復(fù)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(cè)過流或直流側(cè)過壓保護脫網(wǎng)，大量機組跳閘等一些問題。

4 風(fēng)電變流器技術(shù)發(fā)未來發(fā)展狀況

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，風(fēng)電技術(shù)也會不斷的完善和發(fā)展。風(fēng)電變流器的發(fā)展方向會朝著電網(wǎng)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(shù)也會得到不斷優(yōu)化，讓它能夠有滿足風(fēng)場電機組對電網(wǎng)的需求。具備有更好的能夠使用的分布式風(fēng)電幾并網(wǎng)技術(shù)，有效的解決目前風(fēng)電機存在的開發(fā)利用大規(guī)模集中，遠距離輸送為主，發(fā)展過程中遇到消耗難，送出難的問題。未來的風(fēng)電變流器也會具有故障智能診斷和遠程監(jiān)控功能，能夠?qū)崿F(xiàn)，現(xiàn)場無人值守，少量人員值班的遠程監(jiān)視與控制。風(fēng)電場的遠程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控風(fēng)電變流器的工作狀態(tài)，自動記錄和保留風(fēng)電變流器故障的日志，供技術(shù)人員分析和處理等。

5 結(jié)束語

風(fēng)電變流器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，未來的風(fēng)電變流器能夠隨著人們的需求而不斷的創(chuàng)新和優(yōu)化，供人們使用。所以風(fēng)電變流器產(chǎn)業(yè)的前景很廣闊，提高風(fēng)風(fēng)電變流器的質(zhì)量，性能和適應(yīng)各種環(huán)境是國內(nèi)外各個廠家急需要關(guān)注的問題。我們也相信風(fēng)電變流器能夠給我們環(huán)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(guān)從業(yè)人員有所幫助。

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作者單位上海電機學(xué)院 上海市 201306