风电变流器

励磁装置

风电变流器，是双馈风力发电机中，加在转子侧的励磁装置。其主要功能是在转子转速n变化时，通过变流器控制励磁的幅值、相位、频率等，使定子侧能向电网输入恒频电。包括功率模块、控制模块、并网模块。

发展

据《中国风电变流器市场研究报告》数据显示2010年全球风能产业创造产值近400亿欧元(550亿美元)，而2009年同期数据为500亿欧元(700亿美元)。2010年全球风能产业产值的下降同风力发电费用下降、风能产业向中国转移有关。2010年中国成为风能装机容量最大的国家，并成为国际风能产业的中心，中国在全球风能市场比重超过50%。

在海上风能发电方面，中国2010年在上海附近外海建立了第二个主要海上风场，装机容量达到100MW。相比中国总风能装机容量，海上风能在中国依然微不足道(其新增装机容量仅占总新增装机容量的0.5%)。在低增长、中度增长和高速增长三种情境下，中国的风电装机容量将在2020年分别达到1亿kW，1.5亿kW和2亿kW的规模。与此同时，风电在总能源消费中的比重将分别达到1.6%、2.5%和3.3%。

我国风电装机容量的快速增长为我国风电变流器产业的发展提供了强大动力。2009年，我国风电变流器的市场容量为60亿元。其中，直驱风机对于全功率变频器的需求为2202MW，市场容量为14亿元;双馈装机新增容量对双馈变流器的市场需求为11608MW，市场容量为46亿元。2010年，直驱风机对于全功率变流器的需求量在3230MW左右，市场容量约为19亿元;双馈风机对于双馈变流器的需求量在9770MW左右，市场容量约为35亿元。2010年，我国风电变流器市场总容量约为55亿元。

2009年，我国兆瓦级风电变流器约为3000套，多数企业生产的变流器主要为1.5MW级。已经形成1.5MW产能的企业主要有清能华福，科诺伟业，阳光电源，禾望电气，南车时代等，但2010年仍然以小批量生产为主。从规划产能来看，主要国内企业将会在2011年形成总量4000台以上的生产能力。2011年，阳光电源、禾望电气和南车时代各自的产能有望达到1000台风电变流器。

2015年，航天一院18所自主研发的风电变流器完成低电压穿越试验。此次低电压穿越试验的成功，标志着我国已经自主掌握了风电变流器的核心技术和关键算法。

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。

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所示：

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、IGBT、PLC、JCE1000-AXS电流传感器、风机、有源Crowbar电路、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：

转子侧逆变器、直流母线单元、电网侧整流器。

原理图如下：

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，节约了机舱空间，柜中还可提供现场调试的220V电源。

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辑控制器（PLC）共同构成。整个控制系统配备不间断电源（UPS），便于电压跌落时系统具有不间断运行能力。

上述各功能分配到控制柜、功率柜、并网柜中：

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,发出控制指令,控制变流器的运行状态

控制柜主要由主控箱、PLC、滤波器、电源模块等组成。

功率柜：主要负责转子滑差能量的传递。