风电变流器的技术现状与发展

赵艳梅

【摘 要】随着社会不断进步，环境保护和能源资源等方面逐渐受到人们的密切关注。人类对自然界内的可再生资源的利用得到了不断提升，然而风电变流器是人们为了对可再生风能资源进行再利用，给人们生存以及发展带来更好电能资源。本文概述了风力发电和风电变流器相关内容，并且分析了风电变流器技术的应用和特殊需求，最后探究了风电变流器未来发展方向，力求给人们对风电变流器技术的发展提供一定的依据。

【关键词】风电变流器；现状；发展

一、风力发电与风电变流器概述

风能和其他可再生能源发电相对比，人们对其发电的基础比较成熟。风能发电是一项科学前沿的产业，其为我国定为战略性的新型产业。在全球，我国风电装机持续增长的速度比较快，持续增长风电装机的容量最大[1]。在风电发电机组当中，风电变流器是一个大型的核心部件。风电变流器的性能直接关乎着风电发电的状况。人们为了可以让风机得到实用的最好风能捕捉，因此选择在风电机组内利用变速恒频技术，进而成功的利用改良后发电机转速可以利用风力大小智能的进行变化[2]。当前，主要人们主要是利用风电变流器来实现风机的变速恒频，其对高电压以及低电压穿越还有对电网无功率有所支持。当前，不管是国外还是国内，并网式的风力发电系统内应用风电机组大多数都利用了全功率变流器和双馈变流器。

二、风电变流器技术的应用

1.双馈变流器的应用

和一些技术相对比，人们对双馈变流器的发展还比较成熟和先进。双馈变流器按照永通可以分成许多类拓扑结构。在人们日常的实际应用过程中，双馈变流器主要是通过电压源型的双WPM变换结构为主，其他的结构作为辅助相互进行配合。这类结构的优点为比较灵活，并且可以实现发电机在比较宽的理想转速范围当中稳定的运行[3]。除此之外，它的设计电流也比较简单，能够非常好的利用了交-直-交的方式来更好实现人们一直想要实现的两个变换器之间的解耦。与其他风电变流器采用的的技术不同，双馈变流器使用的关键技术在于有效利用变流器的励磁控制策略。在目前，矢量控制策略成为双馈型机组中最为常用的控制方法。但是它非常长度依赖于电机本身参数，还需要需要详细而又准确的电机模型。而且双馈型变流器使用的电路是非线性的，电路在不断工作的时候会持续向电网注入谐波电流，那么要如何有效的控制谐波电流也成为了双馈型变流急需要解决的另外一个关键问题。

2.全功率变流器的应用

全功率变流器中的额定功率相对其他变流器而言较多，当前的主要有1.5MW，2MW，2.5MW，3MW，5MW，或者6MW。不过人们常用的主流功率是1.5MW，2MW，2.5MW。由于实际生活中风电机组接入点电压等级存在不同程度上的差异，人们将全频功率变流器拓扑结构主要划分为两大类，一类是采用二电平结构，它经常被应用于生活中的低电压系统，电网电压等级一般都在690V以下。另一类则是采用多电平结构，主要应用于生活中的中压系统，电网电压等级一般都在在590V以上，两者相互搭配满足人们的日常需求。二电平变流器和多电平变流器在控制原理上有很多的共同之处。

三、风电变流器技术特殊应用需求

1.需具备低电压和高电压穿越功能

所谓低电压穿越，指在风电机组并网点电压跌落的时候，风电机组能够保持不脱网，甚至还能向电网提供一定的无功功率，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间（区域）。高电压穿越则要求在电网短时出现高压的情况下不能脱网。火力发电或水力发电机组是可控发电能源，机组本身有励磁调节系统，能维持机端电压稳定，并入电网的机组相当于电压源。而风力发电则与之不同，风是不可控能源，风速的变化造成发电机的转速在大范围内变化。风力发电机多是异步或永磁式发电机，机组本身无励磁调节系统，从当前普遍采用的风机变流器控制情况来看，并入电网的风力发电机组相当于电流源，其输出电压取决于电网电压。当电网电压跌落或恢复时，不具备低电压和高电压穿越功能的风电变流器会引起交流侧过流或直流侧过压保护而脱网。风电机组的发电机、变压器等设备要消耗无功，当大量机组跳闸，会因无功消耗设备的减少以及送电线路产生的充电功率而使系统电压升高，很多风机又会因过电压而跳闸，使事故扩大。

2.需具备更高可靠性

风电场大都位于交通不便的偏远地区或海上，风电设备及部件的维修和更换较困难，有些变流器模块还位于塔顶的机舱中，吊装、拆卸都很困难，再加上风电机组要求具有20年以上的寿命。因此，要求风电变流器必须具有非常高的可靠性，在出厂前需要对变流器进行全套的安全性和稳定性测试，对质量要求非常严格。最近几年多次发生的风机烧毁事件或安全事故，大多都与风电变流器的质量缺陷有关。目前国产风电变流器相比国外品牌产品虽有价格上的优势，但无论在技术上还是在可靠性方面仍存在较大的差距。一些风机整机厂家在采购了国产变流器，试用一段时间后，由于变流器故障频繁影响到发电量，这些厂家不得不再次改用国外变流器。由于供大于求，目前国内风电机组价格偏低，风机整机厂的降本压力向部件厂商传递。风电变流器作为风电机组的核心部件，市场竞争激烈，过度降本的结果已影响到产品质量和可靠性，这种现状应当引起大家的重视。

3.需能适应恶劣环境

我国幅员辽阔，风力资源很丰富，但地域环境差异较大。现在风力发电几乎已在全国各地落根。一些风场湿度很大，极易引起凝露造成变流器故障；一些风场风沙较大，长期大风沙极易损坏变流器；一些风场建在潮间带及海上，变流器极易遭受盐雾的侵蚀而失效；一些风场建在极端温度区域，极端的低溫或高温气侯会造成变流器的结构损坏。这些恶劣的应用环境大大提高了风电变流器的设计难度，风机整机厂家都对变流器的防护等级提出了较高要求，目前一般要求达到IP54等级。

四、风电变流器技术发未来发展

随着科学技术的不断进步，风电技术也会不断的完善和发展。风电变流器的发展方向会朝着电网友好型，更加智能型，追求高可靠程度。其中最为重要的控制技术也会得到不断优化，让它能够有满足风场电机组对电网的需求。具备有更好的能够使用的分布式风电几并网技术，有效的解决目前风电机存在的开发利用大规模集中，远距离输送为主，发展过程中遇到消耗难，送出难的问题。未来的风电变流器也会具有故障智能诊断和远程监控功能，能够实现，现场无人值守，少量人员值班的远程监视与控制。风电场的远程监控系统能够实时监控风电变流器的工作状态，自动记录和保留风电变流器故障的日志，供技术人员分析和处理等。

五、结束语

风电变流器是风力发电系统的关键设备，未来的风电变流器能够随着人们的需求而不断的创新和优化，供人们使用。所以风电变流器产业的前景很广阔，提高风风电变流器的质量，性能和适应各种环境是国内外各个厂家急需要关注的问题。我们也相信风电变流器能够给我们环境保护和资源利用提供强有力的保证。最后，由于笔者水平有限文中存在的不足之处敬请广大读者谅解，笔者也希望文章能够给广大读者和相关从业人员有所帮助。

【参考文献】

[1]刘刚.关于风力发电机组变流器技术的探究[J].科技展望 ，2016，26（17）：91-92.

[2]施鹏飞.风电装机容量迅猛增长及其隐忧[J].风力发电，2017（02）.

[3]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2015.