風電變流器

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、風機、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：主要負責轉(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、風機、有源Crowbar等構(gòu)成。

并網(wǎng)柜：主要用于變流器與發(fā)電機系統(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：

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

風電變流器具有以下一些特點：

2 優(yōu)異的控制性能

2 完備的保護功能

2 良好的電網(wǎng)適應能力

2 具備高可靠性，適應高低溫、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)，安裝維護便捷

變流器通過對雙饋異步風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子進行勵磁，使得雙饋發(fā)電機的定子側(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)需要進行有功和無功的獨立解耦控制。

變流器控制雙饋異步風力發(fā)電機實現(xiàn)軟并網(wǎng)，減小并網(wǎng)沖擊電流對電機和電網(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)控制器及風場遠程監(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、過溫等保護功能。

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

變流器可根據(jù)海拔進行特殊設(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)電機勵磁控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于風機最大功率點跟蹤的發(fā)電機有功和無功的解耦控制，是雙饋異步風力發(fā)電機組的一個代表方向。

變流器工作原理框圖如所示：

據(jù)《中國風電變流器市場研究報告》數(shù)據(jù)顯示2010年全球風能產(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年全球風能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的下降同風力發(fā)電費用下降、風能產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移有關(guān)。2010年中國成為風能裝機容量最大的國家，并成為國際風能產(chǎn)業(yè)的中心，中國在全球風能市場比重超過50%。

在海上風能發(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場，裝機容量達到100MW。相比中國總風能裝機容量，海上風能在中國依然微不足道(其新增裝機容量僅占總新增裝機容量的0.5%)。在低增長、中度增長和高速增長三種情境下，中國的風電裝機容量將在2020年分別達到1億kW，1.5億kW和2億kW的規(guī)模。與此同時，風電在總能源消費中的比重將分別達到1.6%、2.5%和3.3%。

我國風電裝機容量的快速增長為我國風電變流器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強大動力。2009年，我國風電變流器的市場容量為60億元。其中，直驅(qū)風機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)風機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;雙饋風機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，我國風電變流器市場總?cè)萘考s為55億元。

2009年，我國兆瓦級風電變流器約為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)能有望達到1000臺風電變流器。

2015年，航天一院18所自主研發(fā)的風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，標志著我國已經(jīng)自主掌握了風電變流器的核心技術(shù)和關(guān)鍵算法。

大功率并網(wǎng)風電變流器狀態(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)域得到了廣泛應用。然而對于電力電子器件，特別是半導體功率器件，早期人們認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警的能力。而實際上，風電變流器狀態(tài)監(jiān)測可通過對變流器裝置的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，進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)的器件健康狀況進行評估，為風機變流器的運行維護和狀態(tài)檢修提供依據(jù)，是監(jiān)測和預防風電機組災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前系統(tǒng)健康狀態(tài)的特征信號，進而評估系統(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)且老化進程未得到很好的抑制，那么其熱疲勞應力將逐步增大。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)測流程進行分析。

大功率并網(wǎng)風電變流器狀態(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、控制和進行常規(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)測量不僅依賴風機當前的運行工況，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)風電變流器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)風電變流器狀態(tài)監(jiān)測方法

目前風電變流器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)生的熱應力將會導致引線、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、跨導和導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)，有必要基于模型預測方法，通過一種刻度進程方式來表征模塊失效前的剩余壽命，從而實現(xiàn)風電機組變流器更為準確的狀態(tài)監(jiān)測。例如將變流器狀態(tài)監(jiān)測和風機/風電場級SCADA系統(tǒng)有機結(jié)合起來，為風電變流器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)趨勢進行評估的數(shù)據(jù)馭動方法結(jié)合起來，可以進一步提高功率模塊的健康狀況評估有效性 。