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

技术方案目前最为成熟，也是应用范围最为广泛和最具发展前景的技术。变流技术的应用不仅有利于机组提高效率，同时对机组的并网和对电网的安全稳定运行起到了良好作用。

变流器在变速恒频型风电装置中应用的主流的技术方案目前主要有两种：双馈型和直驱型。如图1 所示双馈型采用双馈发电机，在转子绕组上串入可以四象限运行的变频器，控制定子绕组和电网之间的功率流动。这种结构对变频器的功率要求只有系统总功率的1/3-1/4 。

图1 双馈型变流装置示意图

双馈型变流器可以有多种拓扑结构，实际应用中主要以电压源型双PWM 变换结构为主，这种结构可以实现发电机在较宽的转速范围内运行，电路简单，采用交—直—交方式实现了两个变换器之间的解耦。双馈型变流器的关键技术在于变流器的励磁控制策略。矢量控制策略是目前双馈型机组中常用的控制方法，但是矢量控制策略须依赖于电机本身的参数，需要详尽准确的电机模型。另外由于变流器电路的非线性，变流器在工作过程中会向电网注入谐波电流，如何有效控制谐波电流也是双馈型变流器需要解决的一个问题。双馈型变流器对电网电压和频率的波动比较敏感。在出现电网电压跌落的情况下，如果网侧电压下降40％，将会造成电机侧的电流上升4倍，考虑这种情况则变流器需要选用容量更大的IGBT，或者采用“crowbar”。另一方面电机侧的电流突增会对传动系统中的齿轮箱和发电机产生冲击，这些因素在双馈型变流装置的设计时都要予以充分的考虑。

如图2 所示,直驱型风力发电机组采用多极同步电机，将电机定子绕组输出直接连接到全功率的变流器上，由变流器将电机输出变化的电压/ 电流转换为和接入电网相匹配的电压和频率。该方案的优点是采用永磁同步发电机可以做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。直驱型机组虽然采用了全功率变频装置导致成本上升，但是全功率变频装置所具有的技术优势却是非常明显的，它省去了故障率高、维护量大的滑环装置，使整机的可靠性进

一步提高。特别是当电网出现电压跌落的情况时，由于全功率变流器的输出电流可以由直流电压做闭环控制，基本上能够很容易地控制输出电流的波动，这对电网的安全运行和保障机组设备本身的安全是非常重要的。

图2 直驱型风力发电系统示意图

全功率变流器的结构原理图如图3所示，其控制策略相对也比较简洁。全功率变流器的整流环节在实际应用中常采取主动整流或被动整流，两者各有千秋。被动整流方式的电路如图4所示，采用二极管整流，在其之后采用了多级Boost 电路交错并联的方式以增加功率传送能力并降低开关频率。

图3 全功率变流器原理框图

图4 被动整流电路示意图

在这种方式下，变流器不能象主动整流方式那样直接改变发电机转速，而是要通过改变Boost 电路占空比，也就是其传输能量的方式改变发电机输出侧的电磁转矩，通过机械自身的调节特性达到最佳的风能利用效率，其响应速度比主动整流方式略慢。

Boost 电路的存在降低了经过二极管的瞬态电流，对输入侧功率因数具有有限的校正作用。不过其功率因数仍然无法与主动整流方式相比，需要在电机侧附加功率因数补偿器。另外，被动整流方式的转矩脉动也比主动方式大，通常电机采用六相输出的方式，这样能够在一定程度上降低脉动转矩。

大功率变流技术的发展可以说是日新月异，前景无限，变流技术的发展重点是新型功率器件以及先进的控制技术。对于功率器件，目前主要用的是IGBT ，以后可能往IGCT 、光控功率器件、高温功率器件（耐高温，散热更加简单）和高功率密度功率器件（单管容量大，损耗更加低）方向发展，这样可能会带来整个系统价格的降低、控制的简易化和效率的提高。通过光纤直接控制电力电子器件开关的光控器件，省去了传统的驱动系统，提高了系统的可靠性并简化了结构。新型材料的电力电子器件，可以提高器件结温和开关频率，达到提高器件功率密度的目的，从而减小了电力电子装置的体积并降低了对散热系统的要求。双向可关断器件可以控制两个方向的电流，，适用于矩阵变换器，使用矩阵变换器可以减小装置体积。

大功率变流技术的发展为风力发电技术向容量更大、效率更高方向的发展奠定了基础，变流技术和风力发电技术的有机结合也将会使风力发电的成本更低。但随着机组容量的不断提高，变流器容量也不断增大，随之而来的一系列问题需要得到较好的解决，诸如：受单管功率器件容量的限制，需采取多重化并列技术等解决方案，但其实现具有一定的难度；受安装空间的限制，要求变流器的结构更加紧凑，以方便制造和维护（模块化设计）等。可以肯定变流技术将会在今后风电技术发展过程中发挥越来越重要的作用。

4.结论

通过宏观的分析智能电网及风力发电及从技术方面浅层次的分析了变流器，作者认为风电将是未来能源战略的重要成分，风电的发展，由产业链、供应链分析，在将来的风电产业中，风电变流器也将是风电中的重要角色，也将会随之配套不断从技术、规模上发展壮大，变流技术反之也会推动风电的最优化利用。

参考文献：

【1】余贻鑫，奕文鹏.智能电网[J].电网与清洁能源，2009，25（1）

【2】Moslehi K, Kumar A B R,Hirsch P. Feasibility of a self-healing grid - part I methodology and cost models [C]. IEEE Power Engineering Society General Meeting, 6-10 June, 2006. 【3】施鹏飞.风电装机容量迅猛增长及其隐忧[J]. 风力发电2007,(2)

【4】叶杭冶.风力发电机组的控制技术.北京:机械工业出版社，2002.

【5】刘其辉，贺益康，卞松江.变速恒频风力发电机空载并网控制.中国电机工程学报，2004，24(3):6-11.

【6】赵仁德，贺益康，黄科元，等.变速恒频风力发电机用交流励进电源的研究.电工技术学报，2004，19(6):1-6.

【7】WIND ENERGY -THE FACT[M]. EWEA,2004.

【8】谢连军，永磁风力发电机并网逆变器的设计与研究：（硕士学位论文）.乌鲁木齐：新疆大学，2006.

【9】汪飞，可再生能源并网逆变器的研究：（硕士学位论文).杭州：浙江大学，2005.

【10】李维勇。电力电子学在风力发电中的应用.变频器世界，2007（6）：42-47

全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略

第五章全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略 5.1 全功率变流器风电机组的工作原理 (1) 5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 (1) 5.1.2同步发电机 (1) 5.1.3永磁同步风力发电机结构及特点 (3) 5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点 (5) 5.2 全功率变流器风电机组变流器 (5) 5.2.1 电机侧变流器控制策略 (6) 5.2.1 电网侧变流器控制策略 (7) 5.1 全功率变流器风电机组的工作原理 5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 随着现代风电机组的额定功率呈现上升趋势，风轮桨叶长度逐渐增加而转速降低。例如：额定功率为5MW的风电机组桨叶长度超过60米，转子额定转速为10rpm左右。当发电机为两对极时，为了使5MW风力发电机通过交流方式直接与额定频率为50Hz的电网相连，机械齿轮箱变速比应为150。齿轮箱变速比的增加，给兆瓦级风电机组变速箱的设计和制造提出了挑战。风电机组功率及变速箱变速比增大时，其尺寸、重量及摩擦磨损也在增加。作为另外一种选择，风力发电机可以采用全功率变流器以AC/DC/AC的方式与电网相连。 全功率变流器是一种由直流环节连接两组电力电子变换器组成的背靠背变频系统。这两个变频器分别为电网侧变换器和发电机侧变换器。发电机侧变换器接受感应发电机产生的有功功率，并将功率通过直流环节送往电网侧变换器。发电机侧变换器也用来通过感应发电机的定子端对感应发电机励磁。电网侧变换器接受通过直流环节输送来的有功功率，并将其送到电网，即它平衡了直流环节两侧的电压。根据所选的控制策略，电网侧变换器也用来控制功率因数或支持电网电压。 5.1.2同步发电机 发电系统使用的同步发电机绝大部分是三相同步发电机。同步发电机主要包括定子和转子两部分。定子是同步发电机产生感应电动势的部件，由定子铁芯、三相电枢绕组和起支撑及固定作用的机座组成。转子的作用是产生一个强磁场，并且可以由励磁绕组进行调节，主要包括转子铁心、励磁绕组、滑环等。同步发电机的励磁系统一般分为两类，一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁系统，另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的整流励磁系统。发电机容量大时，一般采用整流励磁系统。同步发电机是一种转子转速与电枢电动势频率之间保持严格不变关系的交流电机。 同步发电机的转子基木上是一个大的电磁铁。磁极有凸极和隐极两种结构。凸极转子结构和加工比较简单，制造成本低。中小容量电机一般采用凸极以降低成本；对大容量、高转速原动机，高速旋转的发电机转子将承受很大的离心力，采用隐极可以更好地固定励磁绕组。 同步发电机转子结构示意图 当转子励磁绕组中流过直流电流时，产生磁极磁场或称为励磁磁场。原动机拖动转子旋

风电变流器简介

风电变流器简介 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，核心控制采用具有防尘、防盐雾等运行要求。 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、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QHVERT-DFIG型风电变流器基本原理 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、谐波制，是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。 变流器工作原理框图如下所示： 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。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本文将针对市场上主流的双馈型风电变流器进行简介。 型风电变流器系统功能 变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机关，目前已实现规模化的生产。 06年成功研制第一台风电变流器以来，不断寻求技术革新严把质量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，我国变流器配电系统提供雷击、过流、过压、过温等保护功能。 的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要风能资源丰富，近几年来国家政策也大力扶持风电产业。我公司自求扩展），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进行有功和无功的独立解耦控制。 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（可根据用户要场远程监控系统的集成控制。 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转子侧逆变器、直流母线单元、电网侧整流器。 原理图如下： 控制器、监控界面等部件。 变流器主回路系统包含如下几个基本单元： QHVERT-DFIG型风电变流器系统构成 变流器由主电路系统、配电系统以及控制系统构成。包括定子并网开关、整流模块、逆变模块、输入/输出滤波器、有源Crowbar电路、功率柜主要由功率模块、有源Crowbar等构成。 功率柜：主要负责转子滑差能量的传递。 并网柜：主要用于变流器与发电机系统和电网连接控制、一些控制信控制柜主要由主控箱、PLC、滤波器、电源模块等组成。 并网柜主要由断路器、接触器、信号采集元件、UPS、加热器、信号变流器控制结构框图如下： 接口部分等构成。 号的采集以及二次回路的配置。 上述各功能分配到控制柜、功率柜、并网柜中： 约了机舱空间，柜中还可提供现场调试的220V电源。 成有并网控制系统，用户无须再配置并网柜，提高了系统集成度，节制指令,控制变流器的运行状态 控制系统由高速数字信号处理器（DSP）、人机操作界面和可编程逻配电系统由并网接触器、主断路器、继电器、变压器等组成，自身集辑控制器（PLC）共同构成。整个控制系统配备不间断电源（UPS），控制柜：控制柜主要对采集回的各种模拟数字信号进行分析,发出控便于电压跌落时系统具有不间断运行能力。 成功满发，截止目前运行状态稳定。 附：北京清能华福风电技术有限公司简介 目前在赤峰、大安等风场正陆续进行变流器吊装施工。 限公司自主研发的1.5MW风电变流器在国电联合动力技术有限公司北京清能华福风电技术有限公司成立于2006年7月，由“国内高压变求。 2009年12月28日经过2天的现场调试，北京清能华福风电技术有及其现场调试所相关技术人员的支持下，已于哲里根图风场全部并网公司坐落于中关村科技园，依托清华大学电力系统国家重点实验室的厚的资金、科研、市场、服务实力，为国家大力鼓励、扶持的风力发电事业，提供其拥有自主知识产权的核心装备——兆瓦级风力发电机变流器及其电控系统。一流技术以及利德华福专业化、规模化、现代化的生产厂房，凭借雄以达到满功率发电和连续运行的要求，系统品质达到了风场应用的要资控股，是专门从事开发、制造风电变流器与控制系统产品的高新技术企业。 频器领域最具影响力的企业”——北京利德华福电气技术有限公司投3月至今，在河北建设投资公司和东方汽轮机有限公司的支QHVERT-DFIG型风电变流器具有以下一些特点： 优异的控制性能 完备的保护功能 少发电机损耗，提高运行效率，提升风能利用率。 风速范围内的变速恒频发电，改善风机效率和传输链的工作状况，减 型风电变流器技术特征 型风电变流器可以优化风力发电系统的运行，实现宽良好的电网适应能力 具备高可靠性，适应高低温、高海拔等恶劣地区运行 变流器在河北海兴风电场成功并网发电，通过240小时验收，目前已无故障连续运行8000多小时。成功经历了夏季高温、冬季降雪后的持下，北京清能华福风电技术有限公司自主研发生产的1.5MW风电QHVERT-DFIG型风电变流器最新动态 模块化设计，组合式结构，安装维护便捷 2丰富的备品备件；专业、快速的技术服务 低温、海边盐雾等运行环境的考验，事实证明了：清能华福变流器可

[整理]东汽FD70FD77风电机组变流器系统原理及应用

东汽FD70/FD77风电机组变流器系统原理及应用1 变速恒频发电系统的工作原理 1.1 交流电机的旋转磁场 以单相交流电机为例，单相交流电机有2 个绕组，它们在空间上相差90?正交分布，分别给2 个绕组加入时间上相差90?的交流电。如图1（a）所示，发电机定子上正交分布有2 个绕组，一个是AX，另一个是BY。2 个绕组加上的电流波形如图1（b）所示。我们规定从A 流进X 流出或从B 流进Y 流出为正方向；从X 流进A 流出或从Y 流进B 流出为负方向。 图1 单项交流电机绕组 在t0 时刻，A 绕组上通过的电流为零；B 绕组上通过的电流为负的最大值。根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。 在t1 时刻，A 绕组上通过的电流为正的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从上至下方向↓。 在t2 时刻，A 绕组上通过的电流为零，B 绕组上通过的电流为正的最大值，根据电磁定律，t2 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从右至左方向←。 在t3 时刻，A 绕组上通过的电流为负的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t3 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从下至上方向↑。 在t4 时刻，正好回到t0 时刻的状态，两个绕组合成的磁场方向为从左至

右方向→。电流变化一个周期，两个绕组合成的磁场旋转一周。 旋转磁场的转速为n=60f/p。 同理，如果三相绕组在空间上按120?对称分布，三相绕组在时间上分别加上相位相差120?的三相交流电。同样要在转子铁芯周围形成一个旋转磁场。 旋转磁场的转速n=60f/p。 其中，f 为三相交流电频率。P 为磁极对数。 1 变速恒频发电系统的工作原理 1.1 交流电机的旋转磁场 以单相交流电机为例，单相交流电机有2 个绕组，它们在空间上相差90?正交分布，分别给2 个绕组加入时间上相差90?的交流电。如图1（a）所示，发电机定子上正交分布有2 个绕组，一个是AX，另一个是BY。2 个绕组加上的电流波形如图1（b）所示。我们规定从A 流进X 流出或从B 流进Y 流出为正方向；从X 流进A 流出或从Y 流进B 流出为负方向。 图1 单项交流电机绕组

风电变流器项目申报材料

风电变流器项目 申报材料 规划设计/投资方案/产业运营

摘要说明— 目前，风电作为应用最广泛和发展最快的新能源发电技术，已在全球 范围内实现规模化应用。在风力发电设备中，风电变流器是风力发电机组 不可缺少的能量变换单元，是风电机组的关键部件之一。风电变流器的行 业规模一般以风电机组装机容量衡量。 该风电变流器项目计划总投资14381.39万元，其中：固定资产投资11092.81万元，占项目总投资的77.13%；流动资金3288.58万元，占项目 总投资的22.87%。 达产年营业收入26846.00万元，总成本费用21187.27万元，税金及 附加244.59万元，利润总额5658.73万元，利税总额6683.83万元，税后 净利润4244.05万元，达产年纳税总额2439.78万元；达产年投资利润率39.35%，投资利税率46.48%，投资回报率29.51%，全部投资回收期4.89年，提供就业职位419个。 报告内容：项目总论、投资背景及必要性分析、市场调研预测、产品 规划、项目建设地研究、项目土建工程、工艺先进性分析、项目环保研究、职业保护、风险评价分析、项目节能分析、项目实施计划、项目投资计划 方案、经济效益评估、综合评价结论等。 规划设计/投资分析/产业运营

风电变流器项目申报材料目录 第一章项目总论 第二章投资背景及必要性分析第三章产品规划 第四章项目建设地研究 第五章项目土建工程 第六章工艺先进性分析 第七章项目环保研究 第八章职业保护 第九章风险评价分析 第十章项目节能分析 第十一章项目实施计划 第十二章项目投资计划方案 第十三章经济效益评估 第十四章招标方案 第十五章综合评价结论

风电变流器简介

风电变流器简介 风能作为一种清洁得可再生能源,越来越受到世界各国得重视,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。我公司自06年成功研制第一台风电变流器以来,不断寻求技术革新严把质量关,目前已实现规模化得生产。 本文将针对市场上主流得双馈型风电变流器进行简介。 QHVERT-DFIG型风电变流器系统功能 变流器通过对双馈异步风力发电机得转子进行励磁,使得双馈发电机得定子侧输出电压得幅值、频率与相位与电网相同,并且可根据需要进行有功与无功得独立解耦控制。 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与电网造成得不利影响。 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得实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统得集成控制。 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。 QHVERT-DFIG型风电变流器基本原理 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得“双DSP得全数字化控制器”;在发电机得转子侧

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、自动软并网与最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率得IGBT功率器件,保证良好得输出波形。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得运行状态与输出电能质量。这种电压型交-直-交变流器得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得发电机有功与无功得解耦控制,就是目前双馈异步风力发电机组得一个代表方向。 变流器工作原理框图如下所示: QHVERT-DFIG型风电变流器系统构成

风电变流器简介

风电变流器简介 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。我公司自06年成功研制第一台风电变流器以来，不断寻求技术革新严把质量关，目前已实现规模化的生产。 本文将针对市场上主流的双馈型风电变流器进行简介。 QHVERT-DFIG型风电变流器系统功能 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。 QHVERT-DFIG型风电变流器基本原理 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。 变流器工作原理框图如下所示： QHVERT-DFIG型风电变流器系统构成 变流器由主电路系统、配电系统以及控制系统构成。包括定子并网开关、整

用第4代IGBT模块实现风电变流器的高功率密度设计

Using IGBT4 Modules to realize High Power Density Design of Wind Power Converters
Oct. 2010 Power Seminar

Wind Power and Infineon Solution
22.05.2007
For internal use only
Page 2

Double Feed Induction Generator
22.05.2007
For internal use only
Page 3

Direct-Drive Synchronous Generator
22.05.2007
For internal use only
Page 4

Direct-Drive Synchronous Generator
22.05.2007
For internal use only
Page 5

Requirement of IGBT modules for wind converter
20 years design-lifetime for power semiconductors ? calculation based on load cycles given by customers based on their specific power conversion system. Clearance and creepage distances higher than for industry inverters needed in case no splash water protected cabinet is used. ? for high humidity and salt content in the air Low losses Low thermal resistances Availability of DC-link voltage ? Package, internal stray inductance. RBSOA
22.05.2007
For internal use only
Page 6

变流器基本原理

1、双馈型风力发电系统的运行原理 双馈型风力发电系统结构图如图1所示，由风轮机、齿轮箱、变桨结构、偏航机构、双馈电机、变流器、变压器、电网等构成。其工作过程为：当风吹动风轮机转动时，风轮机将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈电机，双馈电机将机械能转化为电能，再经变流器及变压器将其并入电网。通过系统控制器及变流器对桨叶、双馈电机进行合理的控制使整个系统实现风能最大捕获，同时，通过对变桨机构、变流器及Crowbar 保护电路的控制来应对电力系统的各种故障。 双馈异步发电机的定子与转子两侧都可以馈送能量，由于转子侧是通过变频器接入的低频电流起到了励磁作用， 因此又名交流励磁发电机。双馈异步发电机主机结构特点是：定子与一般三相交流发电机定子一样，具有分布式绕组；转子不是采用同步发电机的直流集中绕组，而是采用三相分布式交流绕组，与三相绕线式异步机的转子结构相似。正常工作时，定子绕组并入工频电网，转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电，转子励磁系统通常采用交-直-交变频电源供电。 图1、双馈风力发电系统结构图 双馈异步发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止，此时有如下数学关系表达式： 12 r n n n =±2160 f n n f r p ±=

12 11 r n n n s n n ?==±式中，1n 、r n 、2n 分别为定子电流产生磁场的旋转速度、转子旋转速度和转子电流产生磁场相对于转子的旋转速度，1f 、2f 分别为定、转子电流频率，p n 为发电机极对数，s s n n n s ?=为发电机的转差率。由上式可知，当发电机转子转速r n 发生变化时，若调节转子电流频率2f 相应变化，可使1f 保持恒定不变，实现双馈异步发电机的变速恒频控制。当r n <1n 时，电机处于亚同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相同，变频器向转子提供交流励磁，定子向电网馈出电能；当r n >1n 时，电机处于超同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相反，此时定、转子均向电网馈出电能；当r n =1n 时，2f =0，变频器向转子提供直流励磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运行。 双馈电机转子侧接变流器，其调速的基本思想就是要在转子回路上串入附加电势，通过调节附加电势的大小、相位和相序来实现双馈调速。与传统的直流励磁同步发电机相比，双馈异步发电机励磁系统的调节量由一个变为三个，即励磁电流的幅值、频率和相位。所以，调节励磁不仅可以调节发电机的无功功率，还可以调节发电机的有功功率和转子转速。因此，该电机在提高电力系统稳定性、变速运行能力方面有着优良的特性。 2.变速恒频双馈风力发电机运行工况 2.1双馈电机在不同工作状态下的功率分布流程 从上面对双馈电机的分析，我们可以建立双馈电机在不同情况下的运行状态，并且同时分析在该种情况下的功率流程。主要讨论的是定子侧功率1P （向电网输出电能时为正，吸收电网电能时为负），转差功率s P （向电网馈送电能时为正，吸收电网电能时为负）和机械功率mec P （电机吸收机械功率为正，电机输出机械功率时为负）。 1）双馈电机运行于超同步发电机情况下： 整个风机的机械效率 同步转速

风电变流器Crowbar电阻解决方案

风电变流器Crowbar电阻解决方案 风力发电系统图： Crowbar电阻器-低电压穿越技术 低电压穿越：电网电压瞬间跌落时，机组仍能并网运行。 Crowbar电阻能在瞬间把巨大的能量耗散掉。 风力发电低电压运行能力线： CROWBAR电阻能量冲击波形图 500KJ 2.5Ω 冲击时间0.984S 电阻材料SUS 304, 温漂1400ppm/℃,电流峰值7KA,衰减到4.5KA

风力发电系统中电网低电压故障频度，CROWBAR电阻的工作频度： 以1.5MW风力发电机为例，环境温度＜60℃ 200J 1次/秒 220KJ 1次/30分钟 350000次 (20年寿命) 640KJ 1次/星期 1000次 (20年寿命) 1360KJ 1次/月 250次 (20年寿命) Crowbar电阻-栅格结构，自然风冷：

M = Q/(C*Δt) M：电阻材料的质量。单位：kg Q：电阻材料吸收的能量。单位：kJ C：电阻材料的比热容。单位：kJ/kg.K Δt:电阻材料的温升。单位：K 以1.5MW风力发电机为例： 电阻材料：SUS304。 Qmax=1360KJ C=0.5kJ/kg·K Δt=450K M=1360/(0.5×450)=6.04Kg 电阻材料重量：约6.04Kg 辅助材料重量：约20Kg 体积：500×450×150 （mm） Crowbar电阻-夹层结构，自然风冷:

M = Q/(C*Δt) M：电阻材料的质量。单位：kg Q：电阻材料吸收的能量。单位：kJ C：电阻材料的比热容。单位：kJ/kg.K Δt:电阻材料的温升。单位：K 以1.5MW风力发电机为例： 电阻材料：SUS304。 夹层材料：白云母板.耐温500℃ 设计电阻吸收全部能量，最高温升450K.由于瞬间云母绝 缘材料会吸收部分能量，实际电阻温升＜ 400K Qmax=1360KJ C=0.5KJ/Kg·K Δt=400K M=1360/(0.5×400)=6.8Kg 电阻材料重量：约6.8Kg 辅助材料重量：约22Kg 体积：490×320×200 （mm） Crowbar电阻-管式结构，自然风冷：

风电系统PWM并网变流器

第二章风电系统PWM并网变流器 2．1直驱风力发电变流系统概述 直驱型风力发电机组需要做全功率的变流器变换"其交／直整流既可以采用ＩGBＴPＷＭ整流器,也可以采用二极管不控整流与升压斩波＂后者使用的大功率ＩＧBT开关管少,因而性价比更高"本文研究的MW级风力发电变流系统采用二极管不控整流,升压斩波与两重并网逆变器的功率变换拓扑结构"通过控制升压斩波器的输入电流以控制有功功率,调节无功则通过控制作为电网接口的电压型PWM变流器"系统变流部分拓扑如图2一1所示＂ 图2一１直驱风力发电变流系统拓扑结构 发电机采用多极永磁同步电机＂发．出的交流电的电压幅值与频率随风速的变化而改变"经电容滤波后,六相二极管桥式整流器将幅值与频率变化的交流电变换为直流"不控整流输出的卜直流电压往往

不能达到网侧逆变(ＰＷM变换）对直流侧电压的要求,需要升压斩波器提高直流侧电压＂三相电压型ＰWＭ变流器将直流电逆变为电压幅值和频率恒定的交流电馈入电网＂图2一1所示的网侧逆变器采用特殊的直流侧中点接地的拓扑结构"另外在升压斩波与网侧逆变器中间有制动单元"一旦电网电压跌落,制动单元IGBT导通,电阻消耗能量,从而减小并网电流＂网侧采用ＬCＬ滤波技术可以有效地滤除PＷＭ变换中产生的高频谐波" 系统结构具有以下特点： １.电机采用多极永磁同步结构:实现了电机的低速运转,无齿轮箱:不需励磁,无滑环和电刷;大大减少了系统的机械维护成本" ２.电机与整流桥均采用六相结构,可减小电压脉动并降低对直流侧滤波电容量的要求" 3．升压斩波器和并网逆变器采用并联多重化结构，一方面分担电流;另一方面采用合理的调制模式可以有效地抑制高频谐波" 4.PＷＭ变流器直流侧中点接地使三相电流独立控制,且对多重化结构能抑制环流,同时由于对直流电压中点的箱位降低了对直流母线绝缘性能的要求；而将直流电压分为两个独立变量,在控制上必须增加一个直流电压控制环或直流电压补偿器,加大了控制难度,且由于中线的连接,引入了零序电流＂ 5.斩波器输出之后加入了制动单元"当电网电压突然跌落时,由于风轮机的机械惯性,传递功率不变而使并网电流突增＂此时使制动

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。

风电系统PWM并网变流器

第二章风电系统PWM并网变流器 2.1直驱风力发电变流系统概述 直驱型风力发电机组需要做全功率的变流器变换"其交/直整流既可以采用IGBTPWM整流器,也可以采用二极管不控整流与升压斩波"后者使用的大功率IGBT开关管少,因而性价比更高"本文研究的MW 级风力发电变流系统采用二极管不控整流,升压斩波与两重并网逆变器的功率变换拓扑结构"通过控制升压斩波器的输入电流以控制有功功率,调节无功则通过控制作为电网接口的电压型PWM变流器"系统变流部分拓扑如图2一1所示" 图2一1直驱风力发电变流系统拓扑结构 发电机采用多极永磁同步电机"发.出的交流电的电压幅值与频率随风速的变化而改变"经电容滤波后,六相二极管桥式整流器将幅值与频率变化的交流电变换为直流"不控整流输出的卜直流电压往往

不能达到网侧逆变(PWM变换)对直流侧电压的要求,需要升压斩波器提高直流侧电压"三相电压型PWM变流器将直流电逆变为电压幅值和频率恒定的交流电馈入电网"图2一1所示的网侧逆变器采用特殊的直流侧中点接地的拓扑结构"另外在升压斩波与网侧逆变器中间有制动单元"一旦电网电压跌落,制动单元IGBT导通,电阻消耗能量,从而减小并网电流"网侧采用LCL滤波技术可以有效地滤除PWM变换中产生的高频谐波" 系统结构具有以下特点: 1.电机采用多极永磁同步结构:实现了电机的低速运转,无齿轮箱:不需励磁,无滑环和电刷;大大减少了系统的机械维护成本" 2.电机与整流桥均采用六相结构,可减小电压脉动并降低对直流侧滤波电容量的要求" 3.升压斩波器和并网逆变器采用并联多重化结构,一方面分担电流;另一方面采用合理的调制模式可以有效地抑制高频谐波" 4.PWM变流器直流侧中点接地使三相电流独立控制,且对多重化结构能抑制环流,同时由于对直流电压中点的箱位降低了对直流母线绝缘性能的要求;而将直流电压分为两个独立变量,在控制上必须增加一个直流电压控制环或直流电压补偿器,加大了控制难度,且由于中线的连接,引入了零序电流" 5.斩波器输出之后加入了制动单元"当电网电压突然跌落时,由于风轮机的机械惯性,传递功率不变而使并网电流突增"此时使制动

风电变流器十种可能故障分析

故障分类可能故障故障报警 主板故障1、A/D芯片故障，导致采样异常。 2、通用I/O故障，导致无控制输入输出。 3、板上电源故障，导致部分芯片无法正 常工作。 4、DSP芯片故障，系统瘫痪。 5、EPWM输出故障，驱动异常。1、过欠压，过欠流，或相序错误。 2、反馈异常。 3、不定。 4、无法启动。 5、励磁失败。 驱动电路故障1、电/光转换电路故障。 2、光纤超限折弯，信号无法输出。 3、光/电转换故障。 4、驱动板输出故障。1、励磁失败。 2、励磁失败。 3、励磁失败。 4、励磁失败。 IGBT故障1、IGBT烧毁。 2、IGBT反馈信号电路故障。1、IGBT故障/过流。 2、IGBT故障。 辅助电源故障1、给主板供电的辅助电源故障，系统瘫 痪。 2、采样电路供电的辅助电源故障，采样 有误。 3、驱动板供电的辅助电源故障，IGBT 无法被驱动。 4、给继电器供电的辅助电源故障，继电 器不动作。1、主控无供电。 2、过欠压，过欠流，或相序错误。 3、励磁失败。 4、反馈异常。 Chooper电路故障1、Chooper电路无法驱动，不能进行放 电。 2、Chooper电路IGBT烧毁，不能进行 放电。 3、Chooper电路处于常导通状态，无法 为母线充电。1、chooper IGBT故障。 2、chooper IGBT故障。 3、母线欠压。 电缆故障1、对地短路。 2、对地高阻故障，三相不平衡。 3、相间短路。1、欠压，过流，缺相。 2、欠压，过流，缺相。 3、烧毁。 通信故障1、DSP与PLC通信故障，系统命令无 法下达，停机。 2、触摸屏通信故障，无法本地操作。 3、与主控通信故障，系统停机。1、通信故障，或反馈异常。 2、无故障报警。触摸屏无法操作。 3、与主控通信故障。 采样电路故障1、电压/电流传感器损坏，数据异常。 2、M线受干扰，采样异常。1、欠压，欠流，缺相。 2、过欠压，过欠流，或相序错误。 接触不良故障1、主回路接触不良。 2、控制回路接触不良。 3、光纤接触被污染。1、欠压，欠流，缺相。 2、不定。 3、励磁失败。 其他故障1、元件损坏，如继电器、接触器等。 2、软件故障，因低温或雷击等导致程序 丢失。 3、加热器故障，导致系统无法启动。