科普丨什么是风电变流器？

风电变流器是风力发电中不可或缺的环节，是通过整流、逆变原理将不稳定的风电变换成为电压、频率、相位符合并网要求的电能的控制装置。在风力发电设备中，风电变流器是目前风力发电机组不可缺少的能量变换单元。风电变流器不仅提高了机组效率，而且对于机组并网、电网安全稳定运行起到了良好作用，每一套新增风机均需要配备一套风电变流器。

定义

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。

同时，风电变流器是专门应用于风力发电系统的电力电子设备，将风力发电机产生的不稳定电压、频率和相位的交流电（AC）转换为稳定且满足电网要求的交流电或者直流电（DC）输出。同时根据风速大小适应发电机转速，使风机实现最佳风能捕获。

发展历程

20世纪80年代，风力发电技术开始受到全球关注，风电变流器的发展可追溯到此阶段；

1986年，我国第一座陆上风电场成功并网发电，揭开了我国风电从无到有的发展大幕。在逐渐走向成熟的同时，风电技术关键设备方面国产化的水平明显提高（2009年前后，风电变流器开始进入国产化替代阶段）；

21世纪，随着全球对可再生能源的需求不断增加，风电变流器行业得到了快速发展；

2000年至2010年间，风电装机容量的大幅增长，推动了风电变流器市场的扩大。此阶段，风电变流器性能得到显著提升的同时逐渐降低了成本；

2010年至2020年间，风电变流器行业进入成熟期。此阶段，全球范围内风电项目越来越多，风电变流器市场规模持续扩大。风电变流器产品开始向多样化和定制化方向发展，效率和可靠性也得到进一步提升。

结构组成

风电变流器主要由以下部件组成：

功率模块：功率模块是变流器的核心部件，由IGBT、GTO等半导体器件组成，用于进行电力转换。

控制系统：控制系统用于控制变流器的运行，包括电压、电流、频率等参数的控制。

冷却系统：冷却系统用于冷却变流器内部的热量。

保护系统：保护系统用于保护变流器在发生故障时的安全。

（资料图：禾望电气双馈变流器-690V-风冷机型）

功能

1、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。

2、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。

3、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。

4、变流器配电系统提供雷击、过流、过压、过温等保护功能。

5、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。

6、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。

工作原理

风电变流器主要由整流器、逆变器和滤波器组成：

整流器：整流器将风力发电机产生的交流电转换成直流电，就像将交流整流成直流一样。

逆变器：逆变器将直流电转换成与电网频率、电压相符的交流电，就像将直流电转换成交流电一样。

滤波器: 滤波器用于消除整流和逆变过程中产生的谐波，就像净化水一样，将电网中的谐波净化掉。

运行特征

高电压、大电流：风电变流器承受着高电压、大电流的冲击，相当于承受着高压水流的冲击，因此其元器件必须具有良好的耐压和耐流能力。

谐波污染：变流器在运行过程中会产生谐波，就像水流中混入了杂质一样，会污染电网，影响电网的安全运行。

复杂环境：风电变流器通常安装在风机顶部，环境恶劣，相当于在沙漠或戈壁滩工作，因此其防护等级必须很高。

类型

风电变流器可以基于不同的分类标准进行区分。

按拓扑结构：可分为双馈型变流器、全功率变流器、中压风电变流器等；

按控制方式：可分为PWM型变流器、多电平型变流器和直接转换型变流器；

按连接方式：可分为单相变流器、三相变流器、并网型变流器和离网型变流器；

按应用场景：可分为地面风电场变流器、海上风电场变流器、储能系统接入变流器和分布式风能应用变流器；

按功率级别：可分为低功率（＜100kW）变流器、中功率（100-1000kW）变流器和高功率（＞1000kW）变流器。

技术特点

（一）双馈变流器技术特点：

双向功率流：实现风力涡轮机和电网之间的双向能量传输，提高系统的灵活性和可控性。

部分功率转换：将部分风力涡轮机功率通过转子传递到电网，降低了对变流器的功率需求，降低成本。

较小的容量：相较于传统的全功率变流器，双馈变流器具有较小的容量，降低了成本，并减少对稀有材料的需求。

提高的电压质量：通过在转子侧引入变频器，实现对转子电压和频率的控制，提高电压质量和电网稳定性。

（二）全功率变流器技术特点： 

全功率转换：将整个风力涡轮机的功率通过变频器传输到电网，提高系统的效率和发电能力。

高效率：利用高效的功率器件和先进的控制策略，最大限度地提高能量转换效率，降低能量损失。

高稳定性：具备更高的抗干扰能力和电网适应性，稳定地将电力注入电网，提高系统的可靠性和可控性。

网络支持功能：提供无功功率控制和电压/频率调节等功能，增强电网稳定性和可靠性。

常见故障现象

风电变流器常见的故障现象包括：

（1）功率模块损坏：就像水泵损坏，会导致变流器无法正常进行电力转换。

（2）控制系统故障：就像水闸损坏，会导致变流器无法正常控制电压、电流等参数。

（3）冷却系统故障：就像水箱漏水，会导致变流器内部温度过高，影响其运行。

（4）保护系统故障：就像保险丝熔断，会导致变流器无法在发生故障时及时保护自身。

故障检查和维修方法

1. 功率模块损坏

检查功率模块的电压、电流、温度等参数。

使用功率模块测试仪进行检测。

更换损坏的功率模块。

2. 控制系统故障

检查控制系统的软硬件是否损坏。

使用控制系统测试仪进行检测。

重新编程或更换损坏的控制系统部件。

3. 冷却系统故障

检查冷却系统的风扇、水泵、管道等部件是否损坏。

清理冷却系统内部的灰尘和污垢。

更换损坏的冷却系统部件。

4. 保护系统故障

检查保护系统的设置是否正确。

测试保护系统的动作是否可靠。

调整或更换保护系统部件。

未来发展趋势

在双馈和全功率变流器技术的基础上，未来变流器的发展趋势将集中在以下几个方向：

1、高频化

通过提高变流器的开关频率，使其更加紧凑、轻便，具备更高的响应速度和更精确的电力控制。研究人员正致力于研究新型开关器件和电磁干扰抑制技术，以提高系统效率和可靠性。

2、模块化设计

将变流器设计为模块化结构，以提供灵活、可扩展、易于维护和升级的解决方案。研究人员将进一步探索新型模块结构、模块间通信技术和可重组模块组件，以实现更高级别的灵活性和可配置性。

3、新型功率器件应用

研究人员正在积极探索碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新型功率器件的应用，这些器件具有更高的开关速度、更低的功耗和更高的温度耐受性。进一步研究将推动其在变流器中的更广泛应用，提高系统效率和可靠性。

4、智能控制与管理

通过引入先进的控制算法、智能化监测技术和远程通信能力，变流器能够实现自适应控制、故障诊断和优化运行。研究人员将进一步研究智能控制与管理系统的可靠性、安全性和通信技术，实现更高级别的自主运行、智能优化和网络集成。

5、多能源互联

随着可再生能源的不断发展，将风能、太阳能和能量储存系统等多个能源整合在一起，实现能源互补和协同管理。研究人员将进一步研究多能源互联技术的互操作性、能量流调度和智能能源管理，推动可再生能源系统的可持续发展和能源供应的可靠性。

代表企业

禾望电气

深圳市禾望电气股份有限公司专注于新能源和电气传动产品的研发、生产、销售和服务，主要产品包括风力发电产品、光伏发电产品、储能产品、制氢电源产品、电能质量产品、电气传动产品等，拥有完整的大功率电力电子装置及监控系统的自主开发及研发实力与测试平台。公司通过技术和服务上的创新，不断为客户创造价值，现已成为国内新能源领域最具竞争力的电气企业之一。

在新能源领域，禾望产品系列覆盖国内750kW~30MW风电变流器、5kW~3.125MW光伏逆变器及1.0MW~6.25MW箱逆变一体机等主流机型。

风电产品：新一代风冷双馈变流器、中压全功率变流器-3300V、全功率变流器-900V/950V/1140V、全功率变流器-690V、双馈变流器-950V/1140V-水冷机型、双馈变流器-950V/1140V-风冷机型、双馈变流器-690V-水冷机型、双馈变流器-690V-风冷机型。

（资料图：禾望电气新一代风冷双馈变流器）

阳光电源

阳光电源股份有限公司是一家专注于太阳能、风能、储能、氢能、电动汽车等新能源电源设备的研发、生产、销售和服务的国家重点高新技术企业。主要产品有光伏逆变器、风电变流器、储能系统、水面光伏系统、新能源汽车驱动系统、充电设备、可再生能源制氢系统、智慧能源运维服务等，并致力于提供全球一流的清洁能源全生命周期解决方案。

风电变流器产品：双馈风电变流器、全功率风电变流器、中压风电变流器。

（资料图：阳光电源双馈-1140V-5/6/8/10MW）

海得新能源

浙江海得新能源有限公司拥有风机变桨、变流和主控控制的核心技术、完整的知识产权系列产品和行业解决方案。力争成为世界一流的新能源领域电控系统及设备的专业生产企业！

风电产品：

双馈变流器：1.5MW~3.6MW双馈风冷变流器、2.0MW双馈风冷变流器、2.0MW双馈液冷变流器、2.5MW双馈风冷变流器、3.0MW双馈风冷变流器、3.6MW双馈风冷变流器

全功率变流器：850KW全功率风冷变流器、1MW全功率液冷变流器、1.5MW全功率液冷变流器、2.0MW全功率液冷变流器、2.5MW全功率液冷变流器、3.0MW全功率液冷变流器、4.0MW全功率液冷变流器、5.0MW全功率液冷变流器、6.0MW全功率液冷变流器、7.0MW全功率液冷变流器、8.0MW全功率液冷变流器

（资料图：海得新能源1.5MW双馈风冷变流器）

日风电气

浙江日风电气股份有限公司原为浙江日风电气有限公司，公司于2015年7月由有限责任公司整体变更设立为股份有限公司。日风电气成立于2008年，是浙江润丰能源集团有限公司的控股子公司。

日风自主研发的风电变流器低电压穿越测试平台，成为浙江省最具规模的风电变流器实验平台，该平台于2011年通过了中国电力科学研究院低电压穿越认证测试。

主营产品：1.5MW、2.0MW、2.5MW、3.0MW双馈式风力发电变流器、2.0MW-5.5MW直驱式风力发电变流器。

（资料图：日风电气3-3.4MW双馈风冷机型）

维谛技术（Vertiv）

VERTIV是全球风电机组用变流器完整解决方案提供商，为全球客户提供量身定制的解决方案，以满足每个项目的要求。我们提供的风电机组变流器已经广泛的使用在全球主要风电发展国家，覆盖了海上风电和陆上风电两大领域，全球并网装机总量已经达到30GW以上。我们在欧洲、亚洲拥有生产设施和服务代表处及备件中心，为您提供更高效和专业的支持和服务。

Wintrust双馈变流器及其选配件主要用于双馈发电机组配套，实现对发电机的变速恒频控制，获得更佳的发电效率和发电质量。

（资料图：维谛技术Wintrust双馈变流器）

来源综合自：百度百科、风电电气设计、碳榕数科、智研咨询