风电变流器(12届电力电子学术年会报告)-第二讲

风电变流器市场分析现状引言风电变流器作为风力发电系统中的重要组成部分，扮演着将风能转化为电能并传输到电网的关键角色。

近年来，随着全球对可再生能源的需求不断增加，风电变流器市场呈现出稳步增长的趋势。

本文将对风电变流器市场的现状进行详细分析。

市场规模根据市场研究数据显示，风电变流器市场规模逐年扩大。

据统计，2019年全球风电变流器市场规模达到XX亿美元，预计到2025年将进一步增至XX亿美元。

市场规模的增长主要受到可再生能源政策的推动以及风力发电技术的不断进步所驱动。

市场竞争格局风电变流器市场竞争激烈，主要企业包括ABB、西门子、GE等。

这些企业凭借其技术实力和市场占有率，在全球范围内占据绝对优势。

市场竞争格局呈现出少数大企业垄断的状态，中小型企业面临较大的竞争压力。

技术趋势随着技术的不断创新，风电变流器在以下几个方面呈现出明显的技术趋势：1.提高功率密度：风电变流器的功率密度不断提高，可以实现更高的转换效率和更小的体积。

2.增强智能化：通过引入智能控制算法和通信技术，风电变流器具备自适应、故障诊断等功能，提高了整个系统的稳定性和可靠性。

3.提高可靠性：通过采用更高质量的电子元器件和可靠性设计，风电变流器的可靠性得到显著提升，减少了故障和维护成本。

市场驱动因素风电变流器市场的增长主要受到以下几个市场驱动因素的推动：1.政策支持：各国政府对可再生能源的支持政策不断加大，鼓励风力发电的发展，进一步推动了风电变流器市场的增长。

2.环境压力：全球环境问题日益突出，减少碳排放已成为各国共同追求的目标。

风力发电作为清洁能源之一，受到了广泛关注，从而推动了风电变流器市场的需求增长。

3.技术进步：风力发电技术不断创新，风电变流器作为核心装置也不断提升性能，增加了市场需求。

市场挑战尽管风电变流器市场前景广阔，但仍面临一些挑战。

1.价格压力：市场竞争激烈，大企业通过规模效益和供应链优势降低产品价格，给中小型企业带来了价格压力。

风力发电PWM变流器及其控制策略的开题报告
本文将介绍风力发电PWM变流器及其控制策略的开题报告，在此之前，我们需要了解一些背景知识。

风力发电是目前世界上比较流行的清洁能源之一，也是一种非常有
效的替代传统能源的方式。

风力发电机的输出信号通常为三相交流信号，而电网要求的电网电压为单相电压，所以需要对输出信号进行处理，将
其转换为单相交流电信号，以便向电网输送产生的电能。

PWM变流器是
将风力发电机的交流电信号转换为电网电压所必须的关键之一，是风力
发电系统中非常重要的一部分。

PWM（脉宽调制）技术是一种宽波范围控制技术，它通过将电路开
和关，使电压的占空比随时间变化，从而实现对电路输出的精准控制。

在PWM变流器中，通过控制开关管的导通时间来调整电路中电压的大小，因此可以将三相交流电信号转换为单相交流电信号。

PWM变流器的控制
策略包括空间向量PWM（SVPWM）、正弦PWM（SPWM）和直接扭矩
控制（DTC）等，每种策略都有其优点和局限性。

在风力发电系统中，PWM变流器的控制策略不仅影响到系统的性能和效率，而且还会导致系统的稳定性和可靠性问题。

因此，需要深入研
究PWM变流器控制策略，并针对风力发电系统的特点进行优化和改进。

本文的研究目的是探索一种基于SVPWM和DTC的PWM变流器控
制策略，对该策略进行仿真和实验分析，以验证其在风力发电系统中的
有效性和可行性。

同时，还将分析该策略的优点和局限性，提出应对措施，为风力发电系统的稳定性和可靠性提供支持。

风电变流器的技术现状与发展摘要：随着人们对不可再生能源的消耗，可循环利用能源逐渐成为人们关注的对象，电能作为清洁型能源逐渐发展成为全球运用最广泛的能源。

而如何简单的利用可循环资源进行发电，成为我国重点研究的方向。

目前我国风电变流器的研发已经取得了明显的进步。

本文主要分析了风电变流器的类型，阐述了风电变流器的应用需求和技术现状，并针对风电变流器的技术发展趋势进行了研究和探讨，以期促进我国及全球风电变流器技术的进步。

关键词：风电变流器；风力发电；风电机组随着全球人口增多，各产业对能源的消耗日益加重，电能作为清洁型能源，其发展已经涉及到各行各业及人们的日常生活中，如何生产更加高效、稳定的电能，成为各个国家考虑的首要问题。

随着对风力的运用和发电技术的进步，风力发电逐渐成为我国具有一定发展前景的新型产业。

近年来，我国对风力发电的投入越来越大，相应技术也越来越高。

而风电变流器作为风力发电的主要构件，我国对其的研究也基本取向成熟。

一、风电变流器的类型分析风力发电主要是利用风力发电机组将风能转换为电能，因此风电机组需要捕捉到最佳的风能，才能够更好的实现电能转换。

捕捉最佳风能，要使发电机转速能够适应风力的变化，从而保持最佳浆液顶端速度与风速的比例，以及输出电压频率与电网频率的恒定性，即需要通过变速恒频技术来实现这一特性。

而风电变流器的作用，则是帮助风电机组实现变速恒频技术。

目前常用的风电变流器主要有两种：（一）双馈变流器变速恒频双馈风力发电系统的工作原理如图1所示，风轮的齿轮与双馈异步发电机进行连接，发电机定子与电网进行连接，而双馈变流器则连接在发电机和电网之间，当风轮转动时，就可以实现电能，并将电能通过电网输送出去。

其中双馈变流器在整个工作过程中，起到非常重要的作用。

图1 双馈变流器示意图变流器的电流还能够实现对风力发电机转速的控制，其同时能够对转子电流的转差频率进行控制，从而保证输出电压与电网的恒定性。

双馈变流器的名称来源主要是由于发电机的电功率会实现两个方向的馈送，即通过定子进行馈送和通过变流器进行馈送。

双馈型风力发电变流器及其控制随着环保意识的日益增强和可再生能源的广泛应用，风力发电技术得到了快速发展。

双馈型风力发电变流器作为风力发电系统中的关键设备之一，在提高风能利用率和电能质量方面具有重要作用。

本文将介绍双馈型风力发电变流器的工作原理、特点优势及其控制方式。

双馈型风力发电变流器是一种交直流变换设备，可将风力发电机发出的交流电转换为直流电，再供给电力系统使用。

其工作原理是采用双馈（交流和直流）线路，通过电力电子器件（如IGBT、SGCT等）的开关动作，控制交流和直流电流的双向流动，实现能量的交直流转换。

高效性：双馈型风力发电变流器具有较高的能量转换效率，可实现风能的最大化利用。

灵活性：双馈型风力发电变流器可通过控制开关器件的占空比，调节输出电流的幅值、频率和相位，满足不同风速和负荷条件下的运行需求。

稳定性：双馈型风力发电变流器可有效平抑风速波动带来的影响，提高电力系统的稳定性。

维护性：双馈型风力发电变流器采用模块化设计，便于维护和检修，降低了运维成本。

矢量控制：通过控制交流侧电流的幅值和相位，实现有功功率和无功功率的解耦控制，提高电力系统的稳定性。

直接功率控制：采用瞬时功率采样，通过控制逆变侧电流的幅值和相位，直接控制有功功率和无功功率，具有快速的动态响应。

神经网络控制：利用神经网络技术，建立风力发电变流器数学模型，实现自适应控制和优化运行。

模糊控制：基于模糊逻辑理论，通过模糊控制器对变流器进行非线性控制，具有良好的鲁棒性和适应性。

双馈型风力发电变流器作为风力发电系统的关键设备之一，具有高效、灵活、稳定和维护简便等特点及优势。

其控制方式多种多样，包括矢量控制、直接功率控制、神经网络控制和模糊控制等，可根据实际应用场景选择合适的控制方式以实现最优运行。

随着风电技术的不断发展，双馈型风力发电变流器在未来将发挥更加重要的作用，为可再生能源的广泛应用和绿色能源转型提供强有力的支持。

随着环境保护和可持续发展的日益重视，风力发电作为一种清洁、可再生的能源，越来越受到人们的。

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＂此时使制动单元IGＢT导通,旁路PWM变流器,电阻能耗制动,降低并网电流"待电网电压恢复后再断开制动单元开关管,系统正常运行"6.ＰＷM变流器网侧采用LCL滤波，实现了风电变流系统与电网的隔离：既滤除ＰWM变换的高频谐波，又滤除电网尖峰信号对功率变换系统的干扰"变流系统控制主要针对斩波器和逆变器"斩波器通过调节输入电流控制系统传输的有功功率"因为斩波器输出侧直流电压由ＰＷＭ变流器控制恒定,所以控制输入电流时，调节IGBT开关管的占空比即控制了升压斩波器的输出电流，进而控制输入风能的功率"对变速恒频系统，斩波器输入电压会随风速的变化而改变＂为了控制系统的有功功率,其输入电流指令也必然会相应的改变"所以快速的动态跟随性是斩波器的重要指标"网侧逆变器有两个控制要求,其一要求控制直流侧电压恒定,其二要求控制并网输出电流谐波畸变(THＤ)小,且保持单位功率因数(ｕnｉtｙpowerfactor）,以控制系统无功功率为零"当然在必要的情况下,也应可以向电网发出需要的感性无功或容性无功"而网侧逆变器由于与风轮机和同步发电机隔离,其主要控制目标是保持良好的抗扰性能"当然在系统指令改变时,ＰWM变流器也应具有快速的动态响应"２.2PwＭ变流器的分类及其拓扑从电力电子技术的发展来看,变流器较早应用的一种形式就是ＡC心C变换装置,即整流器"它的发展经历了由不控整流器（二极管整流)!相控整流器(采用半控开关器件,如晶闸管)到ＰwＭ整流器(采用全控开关器件,如IGBT)的发展历程"传统的相控整流器，应用的时间较长,技术也较为成熟,但存在以下问题: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"并网变流器作用(l）晶闸管换相引起网侧电压波形畸变;(2)网侧谐波电流对电网产生谐波污染;(3）深控时功率因数很低；(4)闭环控制时动态响应慢；虽然二极管整流器改善了网侧功率因数，但是仍会产生网侧谐波电流而污染电网,另外二极管整流的不足还在于直流侧电压的稳定性差"针对上述不足，PＷM整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进＂其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流,功能上也已经远远超过了最初的整流,所以名称也渐渐演变成变流器"PWM变流器可以取得以下优良性能:(ｌ)网侧电流近似正弦波;(２）网侧功率因数控制(如单位功率因数控制）;(３)电能双向传输;(4)较快的动态响应；（5)可进行并网逆变;目前已设计出多种的ＰＷＭ变流器，电压型和电流型是最基本的分类方法＂这两种类型的PWM变流器无论是在主电路结构!ＰWM信号发生以及控制策略等方面均有着各自的特点,并且两者存在着电路上的对偶性"电压型的ＰWM变流器研究和应用较多，因此本文主要介绍电压型PWM变流器(VＳＲ)＂1.单相半桥!全桥VSR拓扑图2一２分别示出了vsR单相半桥和单相全桥主电路拓扑结构Ｉ．４>"两者交流侧具有相同的电路结构,其中交流侧电感主要用以滤除网侧电流谐波"由图2一2(ａ）可看出，单相半桥VSR拓扑只有一个桥臂采用了功率开关,另一桥臂则由两电容串联组成,同时串联电容又兼作直流侧储能电容;单相全桥ＶSＲ拓扑结构则如图2一2(b)所示,它采用了具有4个功率开关的/H0桥结构"值得注意的是:电压型PWM变流器主电路功率开关必须反并联一个续流二极管以缓冲PWM 过程中的无功电能＂比较两者,显然半桥电路具有较简单的主电路结构，!1.功率开关数只有全桥电路的一半，因而造价相对较低,常用于低成本!小功率应用场合"进一步研究表明,在相同的交流侧电路参数条件下，要使单相半桥VＳR以及单相全桥VSR获得同样的交流侧电流控制特性,半桥电路直流电压应是全桥电路直流电压的两倍，因此单相半桥ＶＳR的直流侧电压利用率低,功率开关管耐压要求相对提高,另外,为使半桥电路中电容中点电位基本不变，还需引入电容均压控制,可见单相半桥VSR的控制相对复杂"2.三相桥式VSR拓扑结构图2-3为三相桥式VSR拓扑结构，其交流侧采用三相对称的无中线连接方式，采用6个功率开关管,这是一种最常用的三相电压型ＰＷM整流器,广泛应用于电力系统的有源滤波和谐波补偿，以及作为大功率拖动设备的前端整流。

风电变流器网侧PWM变换控制器研究哈尔滨九洲电气股份有限公司风力发电电源变换技术变速风力发电机组根据风速的变化，使机组保持最佳叶尖速比，从而获得最大风能。

随着电力电子技术的发展，半导体器件和变频器在电源方面上应用中的进步,成就了发达国家在70年代初的第一次世界能源危机期间用变频调速实现高效节能事业的大发展。

随着可控硅、GTO、IGCT和IGBT等电力电子元器件的开发及应用和相应的控制技术的发展，整流側也可以根据需要采用与逆变侧相同的电力电子元器件和变频结构。

另外变速风力发电机组与电网实现了柔性连接，大大减少了机械冲击和对电网的冲击。

不同的风力发电变频调速并网系统方案：1. 风力发电采用同步发电机的方案交流同步发电机的转速是一固定和恒速转速，此发电机的转速与电网频率的匹配是简单的硬连接，风力资源具有较大的随机性，因此发电机和电网之间使用交-直-交的频率变换器可使风机在较大转速范围内运行。

采用同步发电机风力发电方案对于同步机的励磁可以有两种方法：单独给励磁同步发电机的转子绕组提供一直流电源的方案和采用永磁同步发电机方案，两者的主要区别在一般后者更倾向应用在中、小容量的风力发电机组。

2. 风力发电采用的异步发电机的方案通过日常维护经验,我们知道：如果一种方案没有滑环的存在，这种方案将是最受欢迎的方案。

这也是当今交流异步电机更受青睐的原因。

在风力发电领域也含括着同样的问题，图2和图3都为交流异步电机的方案。

图2的方案一般采用在双速电机的方案上，即：在低风速运行时的效率问题，在整个运行风速范围内由于气流的速度是在不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化而调整，会使浆叶过早进入失速状态，同时发电机本身也存在低负荷时的效率问题。

因此在风力发电系统中普遍采用交流异步双速电机，分别设计成4极和6极。

一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到1/5。

这样，当风力发电机组在低速段运行时，不仅浆叶有较高的气动效率，发电机的效率也可能保持在较高水平。

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：12r n n n =±2160f n n f r p ±=1211r 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，ss 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。

风电变流器原理与维护-复件（1）.ppt.Convertor风电系统变流器原理与维护前言风力机控制技术已由定桨距失速控制风力机发展为变桨距控制风力机；发电系统的控制由恒速控制发展为变速恒频控制；变速恒频控制系统也出现了双馈异步机变流器变速恒频发电系统和直驱永磁同步电机变流器变速恒频系统等。

计算机和电力电子技术的飞速发展，为风电技术的发展提供了强大的推动力。

同步电机发电系统和异步电机发电系统各有所长，目前都在迅速发展中。

本课程主要介绍这两种系统迅速发展的核心技术：变流器—变速恒频控制器在风电系统中的应用与维护。

课程目录第一章变速恒频控制器—变流器第二章双馈电机的变速恒频发电原理第三章直驱低速永磁同步电机发电原理第四章变流器用半导体开关的特性第五章变流器的结构第六章变流器的检测与维护第七章变流器常见故障的处理第一章变速恒频控制器—变流器交流电机的转速交流电机的调速方案变频调速原理与变流器交流电机的转速n = 120 （1-s）f / pn：电机转速。

rpmf：输入电机的电源频率。

Hzs: 电机转差率。

S = (n0-nr) / n0p: 电机极数。

2，4，6…从上可见，交流电机的转速是由s , f , p 三个因素决定的。

也就是说交流电机调速有三套解决方案：调速滑差；变极调速；变频调速。

交流电机的调速方案交流电机调速方案一：滑差调速其特点是：技术简单，调速连续，价廉；但效率低，较耗能。

交流电机调速方案二：变极调速其特点是：技术简单，效率高；有级调速，应用受限。

交流电机调速方案三：变频调速其特点是：兼具高效率与可连续调速，易于自动控制；但技术复杂，价高，维护不易。

转差调速调S （转差调速）在变频器面市以前，是交流电机调速的主要方式。

转差调速分能耗型和回馈型两类。

能耗型如电机定子调压调速，滑差离合器调速，线绕转子电机转子回路串电阻调速等；回馈型：如串级调速。

调S（转差调速）的优点是无级调速，产品成本较低，产品种类丰富。