风力发电中的电力电子变流技术

1、风力发电中的电力电子变流技术风力发电中的电力电子变流技术 一、风力发电概述一、风力发电概述 二二 、风力发电系统中的典型变流方案、风力发电系统中的典型变流方案 三三 、调制技术、调制技术 四四 、大功率变流技术、大功率变流技术一、风力发电概述一、风力发电概述1、风力发电现状及展望、风力发电现状及展望2、风力发电系统分类、风力发电系统分类3、风力发电与电力电子变流技术、风力发电与电力电子变流技术1、风力发电现状及展望、风力发电现状及展望 全球风电全球风电现状现状及及展望展望 2009年，尽管国际金融危机还在持续，全球风电行业仍继续迅速增长，年，尽管国际金融危机还在持续，全球风电行业仍继续迅速增长

2、，年度年度市场增长率达到了市场增长率达到了41%。世界风电市场格局没有发生变化，欧盟、。世界风电市场格局没有发生变化，欧盟、美国和亚洲仍占据了全球风电发展的主流，主要的变化是美国和亚洲仍占据了全球风电发展的主流，主要的变化是中国取代了美中国取代了美国国，成为当年新增风电装机容量，成为当年新增风电装机容量世界第一世界第一的国家。的国家。 根据全球风能理事会（根据全球风能理事会（Global Wind Energy Counci l，缩写，缩写GWEC）所编辑的统计报告，全球风电装机容量达到所编辑的统计报告，全球风电装机容量达到1.58亿亿kW，累计增长率达到，累计增长率达到31.9%。 全球风能

3、理事会、绿色和平和德国航空航天中心全球风能理事会、绿色和平和德国航空航天中心 (DLR)自自2005年起，年起，每两年更新一次全球风能发展的情景展望。情景展望由参考情景、稳健每两年更新一次全球风能发展的情景展望。情景展望由参考情景、稳健情景和超前情景三个情景构成。情景和超前情景三个情景构成。1、风力发电现状及展望、风力发电现状及展望 我国风电我国风电现状现状及及展望展望 自从自从1985年第一台年第一台风电机组并网发电以来，中国风电经历了缓慢爬升风电机组并网发电以来，中国风电经历了缓慢爬升到快速发展的过程，到快速发展的过程，2009年我国风电产业发展领跑全世界，增速超过年我国风电产业发展领跑全

4、世界，增速超过100%，累计装机居世界第二位，新增装机居世界第一位，装备制造能力，累计装机居世界第二位，新增装机居世界第一位，装备制造能力居世界第一位，新增装机和风机产量都约占世界的居世界第一位，新增装机和风机产量都约占世界的1/3。风电发展的布局。风电发展的布局没有发生大的变化，没有发生大的变化，内蒙古内蒙古仍然雄踞榜首。开发商还是大型央企领衔，仍然雄踞榜首。开发商还是大型央企领衔，龙源（国电）龙源（国电）、大唐大唐和和华能华能稳居三甲。稳居三甲。 全球风能理事会（全球风能理事会（GWEC）预测；中国国内专家对风电发展形势的判）预测；中国国内专家对风电发展形势的判断；本报告对中国风电发展的判

5、断。断；本报告对中国风电发展的判断。 内蒙内蒙苏尼特右旗风电场苏尼特右旗风电场和辽宁法库和辽宁法库望海寺风电场望海寺风电场调研介绍。调研介绍。2、风力发电系统分类、风力发电系统分类两大类：两大类：恒速恒频恒速恒频发电和发电和变速恒频变速恒频发电。发电。 恒速恒频发电恒速恒频发电 恒速恒频发电采用笼形异步电机，其动力系统和电机的机械特性示于恒速恒频发电采用笼形异步电机，其动力系统和电机的机械特性示于图图1。发电时涡轮机拖动异步发电机转动，转速略超过同步转速后，转差。发电时涡轮机拖动异步发电机转动，转速略超过同步转速后，转差率率s和转矩和转矩te变负，电机工作于发电状态。由于只工作在机械特性的线性

6、变负，电机工作于发电状态。由于只工作在机械特性的线性区，转差率很小区，转差率很小(s5%)，风速变化时转速基本恒定，所以称恒速发电。，风速变化时转速基本恒定，所以称恒速发电。随风速变化，通过调整桨叶倾角随风速变化，通过调整桨叶倾角(pitch angle)来控制输出功率和转速。来控制输出功率和转速。 特点特点: 电气系统简单，适合在野外、缺少维护的环境工作；电气系统简单，适合在野外、缺少维护的环境工作； 转速不变，转速不变，输出功率和转速的控制全靠倾角控制完成，要求倾角控制响应快，动作输出功率和转速的控制全靠倾角控制完成，要求倾角控制响应快，动作次数多，调节机构易疲劳损坏；次数多，调节机构易疲

7、劳损坏； 强阵风来时，转速不变，机械承受应力强阵风来时，转速不变，机械承受应力大，要求坚固，所以又称大，要求坚固，所以又称“刚性刚性”风力发电。风力发电。 综合上述特点，恒速发电适合用于小功率，通常不大于综合上述特点，恒速发电适合用于小功率，通常不大于600kw。 2、风力发电系统分类、风力发电系统分类两大类：两大类：恒速恒频恒速恒频发电和发电和变速恒频变速恒频发电。发电。 恒速恒频发电恒速恒频发电 图图1 恒速恒频发电系统和笼型电机机械特性恒速恒频发电系统和笼型电机机械特性2、风力发电系统分类、风力发电系统分类两大类：两大类：恒速恒频恒速恒频发电和发电和变速恒频变速恒频发电。发电。 变速恒频

8、发电变速恒频发电 变速变速恒频恒频发电采用同步发电机或双馈发电机发电采用同步发电机或双馈发电机(绕线异步机绕线异步机)，风速变化，风速变化时，转速也随之变化，通过电力电子变换器，使电机接入恒频时，转速也随之变化，通过电力电子变换器，使电机接入恒频(50hz)、恒、恒压电网发电。通常转速在压电网发电。通常转速在33%范围内变化，风速小时调转速，强风来时范围内变化，风速小时调转速，强风来时调桨叶倾角调桨叶倾角。 由于采用了电力电子变换器，变速发电的电气系统较复杂，但能取得由于采用了电力电子变换器，变速发电的电气系统较复杂，但能取得如下好处如下好处: 在不同风速下，涡轮机都工作在最高效率点，提高出力

9、在不同风速下，涡轮机都工作在最高效率点，提高出力10%； 强阵风来时，转速适当升高，部分风能贮存于机械惯量中强阵风来时，转速适当升高，部分风能贮存于机械惯量中(风力发电机组机风力发电机组机械惯量很大械惯量很大)，减小电机磁转矩脉动和机械承受的应力，减轻机械强度要求，减小电机磁转矩脉动和机械承受的应力，减轻机械强度要求，所以又称所以又称“弹性弹性”风力发电；由于电磁转矩脉动小，发出电力的波动小，风力发电；由于电磁转矩脉动小，发出电力的波动小，提高发电质量；风速小时调转速，倾角维持最小值不变，倾角控制器不工提高发电质量；风速小时调转速，倾角维持最小值不变，倾角控制器不工作。在强风来时倾角控制器才工

10、作，且响应可以减缓，动作次数减少，机作。在强风来时倾角控制器才工作，且响应可以减缓，动作次数减少，机构寿命延长。构寿命延长。 综合上述特点，变速发电适合用于大功率，通常大于综合上述特点，变速发电适合用于大功率，通常大于1000kw。 2、风力发电系统分类、风力发电系统分类 变速恒频发电变速恒频发电 绕线转子双馈发电机系统绕线转子双馈发电机系统 绕线异步机的定子直接联电网，转子经四象限电压型交绕线异步机的定子直接联电网，转子经四象限电压型交-直直-交变频器交变频器接电网，转子电压和频率比例于电机转差率，随转速变化而变化，变频器接电网，转子电压和频率比例于电机转差率，随转速变化而变化，变频器把转差

11、频率的转差功率变换为恒压、恒频把转差频率的转差功率变换为恒压、恒频(50hz)的转差功率，送至电网，的转差功率，送至电网，如图如图1-5所示。所示。 p=ps-pr ; pr=sps; p=(1-s)ps 转速高于同步速时，转差率转速高于同步速时，转差率s0，转差功率从电网，经变频器流入转子，电网收到的功率为定、，转差功率从电网，经变频器流入转子，电网收到的功率为定、转子输出功率之差，小于定子功率。转子输出功率之差，小于定子功率。 特点特点: 在变频器中仅流过转差功率，其容量小，通常按发电总功率的在变频器中仅流过转差功率，其容量小，通常按发电总功率的25左右选取左右选取(转速变化范围转速变化范

12、围33)，投资和损耗小，发电效率提高，投资和损耗小，发电效率提高2-3，谐波吸收方便；谐波吸收方便； 由于要求双方向功率流过变频器，它必须是四象限双由于要求双方向功率流过变频器，它必须是四象限双PWM变频器，价格约是同容量单象限变频器的一倍；只能使用双馈电机，变频器，价格约是同容量单象限变频器的一倍；只能使用双馈电机，比永磁电机重，效率低。比永磁电机重，效率低。2、风力发电系统分类、风力发电系统分类2、风力发电系统分类、风力发电系统分类2、风力发电系统分类、风力发电系统分类 变速恒频发电变速恒频发电 永磁同步发电机直驱型风力发电系统永磁同步发电机直驱型风力发电系统 同步电动机输出频率和电压随转

13、速变化的交流电，经一台单象限电压同步电动机输出频率和电压随转速变化的交流电，经一台单象限电压型交型交-直直-交变频器接至恒压、恒频交变频器接至恒压、恒频(50Hz)电网，如图电网，如图1-6所示。所示。 特点特点: 发电机发出的全部电功率都通过变频器，变频器容量需按发电机发出的全部电功率都通过变频器，变频器容量需按100功率选取，比双馈系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收麻烦；功率选取，比双馈系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收麻烦； 使用永磁使用永磁发电机，电机轻，效率高，变换器增加的投资可以从机械结构的节约中得发电机，电机轻，效率高，变换器增加的投资可以从机械结构的节约中得到补偿；到补偿； 变

14、频器中的交直变换可以用二极管整流变频器中的交直变换可以用二极管整流+直流斩波，简单。直直流斩波，简单。直驱型风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。驱型风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。 2、风力发电系统分类、风力发电系统分类3、风力发电与电力电子变流技术、风力发电与电力电子变流技术自自20世纪世纪80年代以来，风力发电技术发展迅速，经历了从恒速年代以来，风力发电技术发展迅速，经历了从恒速 恒频到变速恒频的发展恒频到变速恒频的发展 ，期间电力电子变流技术发挥了巨大作，期间电力电子变流技术发挥了巨大作 用。下面以直驱型风力发电系统为样本，对其中涉及到的电

15、力用。下面以直驱型风力发电系统为样本，对其中涉及到的电力 电子变流技术给出拓扑结构。电子变流技术给出拓扑结构。3、风力发电与电力电子变流技术、风力发电与电力电子变流技术3、风力发电与电力电子变流技术、风力发电与电力电子变流技术3、风力发电与电力电子变流技术、风力发电与电力电子变流技术3、风力发电与电力电子变流技术、风力发电与电力电子变流技术3、风力发电与电力电子变流技术、风力发电与电力电子变流技术3、风力发电与电力电子变流技术、风力发电与电力电子变流技术3、风力发电与电力电子变流技术、风力发电与电力电子变流技术二二 、风力发电系统中的典型变流方案、风力发电系统中的典型变流方案1、整流技术方案、

16、整流技术方案2、斩波技术方案、斩波技术方案3、逆变技术方案、逆变技术方案1、整流技术方案、整流技术方案不可控整流方案不可控整流方案1、整流技术方案、整流技术方案多脉波不可控整流方案多脉波不可控整流方案1、整流技术方案、整流技术方案三相单管整流方案三相单管整流方案1、整流技术方案、整流技术方案三相单管整流方案三相单管整流方案1、整流技术方案、整流技术方案PWM整流方案整流方案1、整流技术方案、整流技术方案PWM整流方案整流方案2、斩波技术方案、斩波技术方案Boost斩波器斩波器2、斩波技术方案、斩波技术方案Boost斩波器斩波器3、逆变技术方案、逆变技术方案基于晶闸管的逆变方案基于晶闸管的逆变方

17、案3、逆变技术方案、逆变技术方案电压型电压型PWM逆变方案逆变方案3、逆变技术方案、逆变技术方案电压型电压型PWM逆变方案逆变方案3、逆变技术方案、逆变技术方案电流型电流型PWM逆变方案逆变方案4、典型方案实例、典型方案实例不可控整流不可控整流+Boost+逆变方案逆变方案4、典型方案实例、典型方案实例双双PWM背靠背方案背靠背方案4、典型方案实例、典型方案实例双双PWM背靠背方案背靠背方案三、调制技术三、调制技术正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制SPWMSinuous Pulse Width Modulation 空间矢量调制空间矢量调制SVMSpace Vector Modulation四、大功

18、率变流技术四、大功率变流技术1、器件串并联技术、器件串并联技术2、多电平变流技术、多电平变流技术3、多重化技术技术、多重化技术技术1、器件串并联技术、器件串并联技术1、器件串并联技术、器件串并联技术1、器件串并联技术、器件串并联技术2、多电平变流技术、多电平变流技术二极管箝位型多电平技术二极管箝位型多电平技术2、多电平变流技术、多电平变流技术二极管箝位型多电平技术二极管箝位型多电平技术2、多电平变流技术、多电平变流技术飞跨电容箝位型多电平技术飞跨电容箝位型多电平技术2、多电平变流技术、多电平变流技术级联级联H桥型多电平技术桥型多电平技术2、多电平变流技术、多电平变流技术级联飞跨电容型多电平技术级联飞跨电容型多电平技术2、多电平变流技术、多电平变流技术级联二极管箝位型多电平技术级联二极管箝位型多电平技术3、模块并联技术、模块并联技术Boost电路的并联技术电路的并联技术3、模块并联技术、模块并联技术带耦合电感的带耦合电感的Boost电路电路3、模块并联技术、模块并联技术