風(fēng)電變流器基本原理

變流器采用三相電壓型交-直-交雙向變流器技術(shù)，核心控制采用具有快速浮點運算能力的“雙DSP的全數(shù)字化控制器”；在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器實現(xiàn)定子磁場定向矢量控制策略，電網(wǎng)側(cè)變流器實現(xiàn)電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略；系統(tǒng)具有輸入輸出功率因數(shù)可調(diào)、自動軟并網(wǎng)和最大功率點跟蹤控制功能。功率模塊采用高開關(guān)頻率的IGBT功率器件，保證良好的輸出波形。這種整流逆變裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波含量少等優(yōu)點，可以明顯地改善雙饋異步發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量。這種電壓型交-直-交變流器的雙饋異步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于風(fēng)機(jī)最大功率點跟蹤的發(fā)電機(jī)有功和無功的解耦控制，是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個代表方向。

變流器工作原理框圖如所示：

變流器通過對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵磁，使得雙饋發(fā)電機(jī)的定子側(cè)輸出電壓的幅值、頻率和相位與電網(wǎng)相同，并且可根據(jù)需要進(jìn)行有功和無功的獨立解耦控制。

變流器控制雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)實現(xiàn)軟并網(wǎng)，減小并網(wǎng)沖擊電流對電機(jī)和電網(wǎng)造成的不利影響。

變流器提供多種通信接口，如Profibus, CANopen等（可根據(jù)用戶要求擴(kuò)展），用戶可通過這些接口方便的實現(xiàn)變流器與系統(tǒng)控制器及風(fēng)場遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的集成控制。

變流器配電系統(tǒng)提供雷擊、過流、過壓、過溫等保護(hù)功能。

變流器提供實時監(jiān)控功能，用戶可以實時監(jiān)控風(fēng)機(jī)變流器運行狀態(tài)。

變流器可根據(jù)海拔進(jìn)行特殊設(shè)計，可以按客戶定制實現(xiàn)低溫、高溫、防塵、防鹽霧等運行要求。

變流器由主電路系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。包括定子并網(wǎng)開關(guān)、整流模塊、逆變模塊、輸入/輸出濾波器、IGBT、PLC、JCE1000-AXS電流傳感器、風(fēng)機(jī)、有源Crowbar電路、控制器、監(jiān)控界面等部件。

變流器主回路系統(tǒng)包含如下幾個基本單元：

轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器、直流母線單元、電網(wǎng)側(cè)整流器。

原理圖如下：

配電系統(tǒng)由并網(wǎng)接觸器、主斷路器、繼電器、變壓器等組成，自身集成有并網(wǎng)控制系統(tǒng)，用戶無須再配置并網(wǎng)柜，提高了系統(tǒng)集成度，節(jié)約了機(jī)艙空間，柜中還可提供現(xiàn)場調(diào)試的220V電源。

控制系統(tǒng)由高速數(shù)字信號處理器（DSP）、人機(jī)操作界面和可編程邏輯控制器（PLC）共同構(gòu)成。整個控制系統(tǒng)配備不間斷電源（UPS），便于電壓跌落時系統(tǒng)具有不間斷運行能力。

上述各功能分配到控制柜、功率柜、并網(wǎng)柜中：

控制柜：控制柜主要對采集回的各種模擬數(shù)字信號進(jìn)行分析,發(fā)出控制指令,控制變流器的運行狀態(tài)

控制柜主要由主控箱、PLC、濾波器、電源模塊等組成。

功率柜：主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子滑差能量的傳遞。

功率柜主要由功率模塊、IGBT、PLC、JCE1005-FS電流傳感器、風(fēng)機(jī)、有源Crowbar等構(gòu)成。

并網(wǎng)柜：主要用于變流器與發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和電網(wǎng)連接控制、一些控制信號的采集以及二次回路的配置。

并網(wǎng)柜主要由斷路器、接觸器、信號采集元件、UPS、加熱器、信號接口部分等構(gòu)成。

變流器控制結(jié)構(gòu)框圖如下：

風(fēng)電變流器可以優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)寬風(fēng)速范圍內(nèi)的變速恒頻發(fā)電，改善風(fēng)機(jī)效率和傳輸鏈的工作狀況，減少發(fā)電機(jī)損耗，提高運行效率，提升風(fēng)能利用率。

風(fēng)電變流器具有以下一些特點：

2 優(yōu)異的控制性能

2 完備的保護(hù)功能

2 良好的電網(wǎng)適應(yīng)能力

2 具備高可靠性，適應(yīng)高低溫、高海拔等惡劣地區(qū)運行

2 模塊化設(shè)計，組合式結(jié)構(gòu)，安裝維護(hù)便捷

據(jù)《中國風(fēng)電變流器市場研究報告》數(shù)據(jù)顯示2010年全球風(fēng)能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造產(chǎn)值近400億歐元(550億美元)，而2009年同期數(shù)據(jù)為500億歐元(700億美元)。2010年全球風(fēng)能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的下降同風(fēng)力發(fā)電費用下降、風(fēng)能產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移有關(guān)。2010年中國成為風(fēng)能裝機(jī)容量最大的國家，并成為國際風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的中心，中國在全球風(fēng)能市場比重超過50%。

在海上風(fēng)能發(fā)電方面，中國2010年在上海附近外海建立了第二個主要海上風(fēng)場，裝機(jī)容量達(dá)到100MW。相比中國總風(fēng)能裝機(jī)容量，海上風(fēng)能在中國依然微不足道(其新增裝機(jī)容量僅占總新增裝機(jī)容量的0.5%)。在低增長、中度增長和高速增長三種情境下，中國的風(fēng)電裝機(jī)容量將在2020年分別達(dá)到1億kW，1.5億kW和2億kW的規(guī)模。與此同時，風(fēng)電在總能源消費中的比重將分別達(dá)到1.6%、2.5%和3.3%。

我國風(fēng)電裝機(jī)容量的快速增長為我國風(fēng)電變流器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強大動力。2009年，我國風(fēng)電變流器的市場容量為60億元。其中，直驅(qū)風(fēng)機(jī)對于全功率變頻器的需求為2202MW，市場容量為14億元;雙饋裝機(jī)新增容量對雙饋變流器的市場需求為11608MW，市場容量為46億元。2010年，直驅(qū)風(fēng)機(jī)對于全功率變流器的需求量在3230MW左右，市場容量約為19億元;雙饋風(fēng)機(jī)對于雙饋變流器的需求量在9770MW左右，市場容量約為35億元。2010年，我國風(fēng)電變流器市場總?cè)萘考s為55億元。

2009年，我國兆瓦級風(fēng)電變流器約為3000套，多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)的變流器主要為1.5MW級。已經(jīng)形成1.5MW產(chǎn)能的企業(yè)主要有清能華福，科諾偉業(yè)，陽光電源，禾望電氣，南車時代等，但2010年仍然以小批量生產(chǎn)為主。從規(guī)劃產(chǎn)能來看，主要國內(nèi)企業(yè)將會在2011年形成總量4000臺以上的生產(chǎn)能力。2011年，陽光電源、禾望電氣和南車時代各自的產(chǎn)能有望達(dá)到1000臺風(fēng)電變流器。

2015年，航天一院18所自主研發(fā)的風(fēng)電變流器完成低電壓穿越試驗。此次低電壓穿越試驗的成功，標(biāo)志著我國已經(jīng)自主掌握了風(fēng)電變流器的核心技術(shù)和關(guān)鍵算法。

大功率并網(wǎng)風(fēng)電變流器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)變流器狀態(tài)監(jiān)測概述

狀態(tài)監(jiān)測是在不干擾系統(tǒng)正常運行的前提下，提取反映系統(tǒng)健康狀況信息的一個過程。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在電機(jī)馭動、發(fā)電以及電能傳輸?shù)认到y(tǒng)或部件的健康狀況監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而對于電力電子器件，特別是半導(dǎo)體功率器件，早期人們認(rèn)為器件只有失效和運行兩種狀態(tài)，這種大多數(shù)工程師所認(rèn)可的布爾式觀點阻礙了人們對電力電子器件完全失效前其老化機(jī)制的深層次理解，因此反映其健康程度的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)一直停滯不前。目前很多工程師和設(shè)計師常常優(yōu)先選擇壓接封裝技術(shù)以及含故障容錯與內(nèi)置冗余等的可靠性改進(jìn)方法，而把狀態(tài)監(jiān)測作為一個備選項而忽略，這種做法不能實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控運行，也不具備早期檢測和故障預(yù)警的能力。而實際上，風(fēng)電變流器狀態(tài)監(jiān)測可通過對變流器裝置的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而判斷器件及裝置的健康水平，并對變流器功率模塊所呈現(xiàn)的器件健康狀況進(jìn)行評估，為風(fēng)機(jī)變流器的運行維護(hù)和狀態(tài)檢修提供依據(jù)，是監(jiān)測和預(yù)防風(fēng)電機(jī)組災(zāi)難性故障的重要手段之一。

工程實用的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要通過獲取表征當(dāng)前系統(tǒng)健康狀態(tài)的特征信號，進(jìn)而評估系統(tǒng)剩余壽命，以便在正常運行管理中提供有效的信息決策和優(yōu)化檢修。電力電子器件老化通常伴隨著功率損耗的增加以及熱量的累積，如果此時仍然保持之前的運行狀態(tài)且老化進(jìn)程未得到很好的抑制，那么其熱疲勞應(yīng)力將逐步增大。實驗結(jié)果表明，功率器件的內(nèi)部熱阻增加20%可作為功率模塊基木失效的依據(jù)之一。此外，還可從開關(guān)邊沿、導(dǎo)通電壓等電氣特征量的改變來監(jiān)測其隨老化程度的動態(tài)改變。其中，導(dǎo)通電壓表征了器件各層材料及層與層之間接口的物理特性;由于器件老化，內(nèi)部熱阻增加后，其結(jié)溫的增加會導(dǎo)致關(guān)斷卜降沿的變緩及功率損耗的增加。卜而對變流器狀態(tài)監(jiān)測特征量以及狀態(tài)監(jiān)測流程進(jìn)行分析。

大功率并網(wǎng)風(fēng)電變流器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)變流器狀態(tài)監(jiān)測特征量

針對變流器較為微弱的特征量，現(xiàn)有文獻(xiàn)陸續(xù)提出了一些器件級的監(jiān)測方法。然而，在一些高開關(guān)頻率工況及復(fù)雜噪聲環(huán)境卜，采用變流器功率模塊內(nèi)部的傳感器仍然很難監(jiān)測到這些微弱的特征量信號，因此，利用與器件級監(jiān)測相同的傳感器來保護(hù)、控制和進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測為主的部件級狀態(tài)監(jiān)測方法也在不斷發(fā)展中。

除電信號特征量之外，在運行過程中變流器功率模塊溫度監(jiān)測值也可作為提取器件狀態(tài)的重要特征量。雖然目前直接在線測量功率器件的結(jié)溫仍然是不可行的，但是由于結(jié)溫影響功率模塊內(nèi)部損耗，因此其表征運行狀態(tài)的溫度信號可從外部數(shù)據(jù)間接獲得。此外，溫度監(jiān)測量不僅依賴風(fēng)機(jī)當(dāng)前的運行工況，還和其歷史運行數(shù)據(jù)有關(guān)，而模塊熱阻的變化可以表征功率模塊的老化程度。

大功率并網(wǎng)風(fēng)電變流器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)風(fēng)電變流器狀態(tài)監(jiān)測方法

目前風(fēng)電變流器IGBT模塊狀態(tài)監(jiān)測通常采用數(shù)據(jù)馭動和基于物理模型的方法。其中，數(shù)據(jù)馭動包含基于器件端部特性和基于傳感器信號的狀態(tài)監(jiān)測方法。

基于器件端部特性狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的原理是由于IGBT的端部特性與其失效程度緊密相關(guān)，隨著功率循環(huán)次數(shù)的增加，因熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力將會導(dǎo)致引線、焊層疲勞老化，其表現(xiàn)在端部特性的變化即是IGBT的通態(tài)壓降逐漸增大。有文獻(xiàn)在電熱加載實驗的基礎(chǔ)上，研究了IGBT功率循環(huán)前后其柵極閥電壓、跨導(dǎo)及通態(tài)壓降隨溫度變化的特性，實驗結(jié)果表明:柵極閥電壓、跨導(dǎo)和導(dǎo)通壓降這三個電參數(shù)可作為IGBT模塊的狀態(tài)監(jiān)測特征參量。然而，由于功率器件端部信號變化微弱以及易受到其他可能因素(如溫度變化)的影響，加之其不易于實現(xiàn)在線測量，因此，僅僅依賴于器件端部特性的IGBT模塊狀態(tài)監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中仍然存在一定的困難。

考慮所捕獲的特征量信號強度和部件老化程度之間的重要關(guān)聯(lián)，有必要基于模型預(yù)測方法，通過一種刻度進(jìn)程方式來表征模塊失效前的剩余壽命，從而實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組變流器更為準(zhǔn)確的狀態(tài)監(jiān)測。例如將變流器狀態(tài)監(jiān)測和風(fēng)機(jī)/風(fēng)電場級SCADA系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，為風(fēng)電變流器IGBT模塊狀態(tài)監(jiān)測提供了一種新思路。此外，將依賴狀態(tài)監(jiān)測特征量的模型方法和對特征數(shù)據(jù)趨勢進(jìn)行評估的數(shù)據(jù)馭動方法結(jié)合起來，可以進(jìn)一步提高功率模塊的健康狀況評估有效性 。