风力发电变流器发展现状与展望

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1、风力发电变流器发展现状与展望马伟明，肖飞（海军工程大学电力电子技术研究所，武汉４３００３３）［摘要］　风电机组宽泛的使用环境，使作为机组关键设备之一的大容量变流器必须满足高功率密度、高可靠性与优良控制性能等要求。国产风电变流器的研发近几年有了较快的发展，但总体上依然落后于国外先进水平。文章对风电变流器，重点是直驱式全功率变流器的若干关键技术做了介绍，给出了相关问题的解决思路。［关键词］　风力发电；变速恒频；双馈型；直驱型；变流器［中图分类号］　ＴＭ３１３　［文献标识码］　Ａ　［文章编号］　１００９－１７

2、４２（２０１１）０１－００１１－１０也取得了长足进步，特别是风力发电机组自身，由1前言２０世纪９０年代的定桨距、恒速技术，发展到现在的风力发电在过去的１０年间一直作为世界上增变桨距、变速技术，而且单机容量不断刷新纪录。兆长最快的能源。作为世界第二大能源消费国，我国瓦级大功率风电机组正逐步成为主流，海上风电技已将能源列为核心发展战略之一，国家能源委员会术逐渐成熟，有力地促进了特大型风电机组的发展的成立意味着能源问题是涵盖国家各层面的战略问（单机容量大于或等于５ＭＷ）。变速恒频风电机组题。在新能源战略规划中

3、，风力发电占有重要地位。的共同特点是需要辅之相应的电力电子变流装置，我国风能资源丰富，第四次全国风能资源普查的阶配合发电机进行功率控制，使风机在较宽转速范围段性成果显示，不包括青藏高原，我国陆上５０ｍ高内实现最佳功率捕获，并且实现对电网低电压穿越度风能资源潜在开发量为２３．８亿ｋＷ，７０ｍ高度可及无功功率支持。电力电子技术在其中发挥了巨大以达到２８．５亿ｋＷ，１１０ｍ可以达到３８．０４亿ｋＷ，的作用，其涵盖电力电子器件、变流电路和控制电路近海５ｍ到２５ｍ水深线以内区域可装机容量约三个部分，是电力、电子、

4、控制三大电气工程技术领２亿ｋＷ。受传统石化能源价格上涨和国家政策域之间的交叉学科，和现代控制理论、材料科学、电鼓励等因素的影响，我国的风力发电行业也进入机工程、微电子技术等许多领域密切相关，如图１所了快速发展时期。数据显示，２００８年我国新增风示。电机组５１３０多台，装机容量６２４．６万ｋＷ，新增我国大型风力发电技术自主水平相对滞后，且装机增长率为８９％，２００９年新增１２００万ｋＷ发展不均衡。风机叶片、发电机、齿轮箱等一些关键风电装机容量。目前，中国风电装机总容量已连续部件虽已实现国产化，但变流器、控

5、制系统、高性能５年实现翻番，并跻身全球１０大风能市场，位列美齿轮箱与轴承的关键技术等还主要依赖于国外进国和德国之后，成为全球发展速度最快的风力发电口。当前，陆地风力发电机组主力机型的单机容量市场。以１．５ＭＷ、２ＭＷ为主，在这一功率等级及以上的在风电装机容量快速增长的同时，风电技术全功率变流器几乎被国外产品所垄断，严重制约了［收稿日期］　２０１０－０６－０８［基金项目］　国家自然科学基金委创新研究群体科学基金资助项目（５０７２１０６３）［作者简介］　马伟明（１９６０—），男，江苏扬中市人，中国工程院院士

6、，海军工程大学教授，主要从事舰船电气工程领域研究；Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｗｅｉｍｉｎ＠ｐｕｂｌｉｃ．ｗｈ．ｈｂ．ｃｎ２０１１年第１３卷第１期11并控制输出功率因数，定子侧变流器保持直流侧电压稳定。图1电力电子技术与其他学科的交叉Fig．1Powerelectronicstechnologyintersectedbyothersubjects我国风电产业的发展。近年来，国内在兆瓦级风电变流器的研发上也取得了较大进展，但还需接受用户长期现场运行的考验。其中，由海军工程大学研制的直驱型２ＭＷ级全功率变流器已开始小

7、批量投产，合肥阳光、金风科技等其他公司同类产品也正在产业化过程之中。为应对风力发电的迅速发展和装机容量的增长，亟需推进我国风电设备行业的自主创新能力，从而提高国产技术和装备的竞争能力。图2双馈异步发电系统结构及机舱布置示意图文章针对两种主流风电系统，对兆瓦级风力发Fig．2Structureofthedoublyfedinduction电变流器进行了介绍，重点分析了直驱型风力发电generationsystemandthearrangement变流器的控制、设计及低电压穿越策略。oftheequipme

8、nts2两种典型风力发电系统及其发展趋势同步直驱风力发电系统中同步发电机输出频率按照发电机转速的不同，风电系统可分为定转和电压随转速变化的交流电，经背靠背变流器系统速、受限变转速和变转速３种；根据传动链组成，风接至电网（见图３）。目前，市场上直驱式风力发电电系统可分为齿轮箱驱动型和直接驱动型；根据变机可分为电激磁同步发电机和永磁同步发电机两大流器容量的不同，分为部分容量变流器风电机组和类。同步直驱风力发电系统采用的是全功率变流全部容量（全额