双馈型变速恒频风电机组变流器关键技术研究及其应用
一、成果简介：
风电变流器是风力发电机组中的核心部件之一，在风力发电系统中起着至关重要的作用，其关键技术的进步可带动整个风电机组涉网性能、发电质量、可靠性等关键指标的有效提升。
项目立足于行业技术趋势及风电场实际需求，自主开发大功率风电变流器通用技术平台，并自主研发2.xMW、3.xMW系列化双馈式风电机组变流器产品，针对不同技术需求和应用环境做针对性研究与设计，含系统设计、算法涉及、软/硬件设计、电气设计、结构设计、工艺设计等，形成一套拥有完全自主知识产权的2.0MW以上大功率双馈式风电机组变流器核心技术，并通过了国家权威实验室的型式试验认证，完成了产业化目标。
项目解决了大功率变流器适应薄弱电网、水冷散热、发电效率等关键技术问题，提出了基于加权最小二乘算法的电网电压正负序解耦算法和自适应谐振控制策略、基于谐振控制器的风电机组传动链阻尼控制策略、双馈发电机定子短接状态下的励磁电压控制策略和参数优化法等四个创新点。
2019年6月，中国电机工程学会对项目研究成果的鉴定意见：该项目对双馈型变速恒频风电机组变流器的关键技术进行了全面研究，技术水平和主要性能指标达到国际先进水平；其中，双馈发电机定子短接状态下的励磁电压控制策略和基于热管的变流器磁性元件散热技术处于国际领先水平。
2.0MW双馈式风电变流器
3.0MW双馈式水冷风电变流器
二、技术优势及性能指标：
项目的研制成果——双馈式风电机组变流器系列化产品的主要技术指标如下表所示，功率等级覆盖2.0-3.4MW。
功率等级 | 2.0MW | 2.2MW | 2.5MW | 3.0MW | 3.2MW | 3.4MW | |
环境适应性 | |||||||
存储温度 | -40℃～+70℃ | ||||||
运行环境温度范围 | -40℃～+50℃ | ||||||
海拔高度 | 普通型：≤2000m | ≤2500m | |||||
高海拔：≤3000m | |||||||
超高海拔：≤4000m | |||||||
相对湿度 | ≤95%，含凝露环境 | ||||||
防风沙 | 10mg/m³ | ||||||
防腐等级 | C3-H | ||||||
防雷等级 | Ⅰ | ||||||
防护等级 | 控制柜：IP54 其他柜体：IP23 | IP54 | |||||
变流器基本技术参数 | |||||||
发电机额定输出有功功率 | 2100kW | 2300kW | 2500kW | 3200kW | 3350kW | 3550kW | |
系统功率因数 | 电压690V±10%满载有功时，超前0.95～1～滞后0.95 | ||||||
额定电压 | 690V | ||||||
额定频率 | 50Hz | ||||||
频率正常运行波动范围 | 45Hz~47Hz：0.5s；47Hz~52.5Hz：连续可靠运行；52.5Hz~55Hz：0.5s | ||||||
过载能力 | 106%过载工况下长期连续可靠运行；110%过载工况下连续可靠运行1分钟 | ||||||
降容要求 | 环境温度50℃以上时降容使用，降容比例为2%/1℃ | ||||||
冷却方式 | 强迫风冷 | 液冷 | |||||
噪音 | ≤80dB | ≤70dB | |||||
效率 | 满负荷时＞97% | ||||||
通讯方式 | CAN-open/Profibus，可定制 | ||||||
保护功能 | 过流保护、直流环节电压保护、功率器件过温保护、发电机超速保护、功率器件故障硬件保护、缺相保护、接地故障保护、相序错误保护、浪涌过电压保护等 | ||||||
低电压穿越功能 | 主动式 | ||||||
高电压穿越功能 | 主动式 | ||||||
电机侧变流器技术参数 | |||||||
额定功率 | 846kVA | 1195kVA | 1494kVA | 1793kVA | |||
额定电流 | 708A | 1000A | 1250A | 1500A | |||
最大输出电流 | 778A 60s/30min | 1100A 60s/30min | 1375A 60s/30min | 1650A 60s/30min | |||
最大可控制的连续转子电压 | 753V | ||||||
调制频率 | 2kHz | ||||||
发电机侧电压du/dt | ＜1200V/us，发电机电缆长度需小于150m | ||||||
电网侧变流器技术参数 | |||||||
额定功率 | 504kVA | 657kVA | 837kVA | ||||
额定电流 | 422A | 550A | 700A | ||||
最大输出电流 | 464A（60s/30min） | 605A（60s/30min） | 770A（60s/30min） | ||||
调制频率 | 3kHz | ||||||
直流环节技术参数 | |||||||
变流器直流母线最大操作直流电压 | 1300V | ||||||
变流器直流母线额定连续直流电压 | 1065V | ||||||
项目所研制变流器在标准化、信息化、产品适应性、可扩展性等方面实现了高性能，主要指标优于国标及国内主流厂家指标。
项目 | 提升的性能指标 | 备注 | |
低电压穿越 | 1. 扩大了风电机组稳定运行的电网电压范围，将国标要求的电网电压0.9pu以上稳定运行扩展到0.85pu以上稳定运行 | 优于国标要求（国标要求为并网点电压最低跌至20%，持续时间625ms不脱网运行；国标要求为并网点电压±10%连续运行） | |
2. 拓宽了风电机组可承受的跌落电压范围。将国标要求的风电机组在并网点电压最低跌至额定电压的20％不脱网扩展为15%以上不脱网 | |||
3. 延长了电网电压各跌落幅度可维持并网运行的时间，如电网电压跌落至20%有效值时应具有维持并网运行625ms的低电压穿越能力延长至922ms | |||
4. 具备连续两次低电压穿越能力 | |||
高电压穿越 | 1. 当电网在1.3pu运行时，动作时限为0.5s | 满足《GB/T 36995-2018》要求。该标准高于澳大利亚1.3pu、60ms，美国WECC 1.2pu、1s | |
2. 当电网在1.25pu运行时，动作时限为1s | |||
3. 当电网在1.2pu运行时，动作时限10s | |||
4. 当电网在1.1pu运行时，连续运行 | |||
电网适应性 | 电网电压不对称 | 1. 负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%的工况下，变流器能够控制电网中任意两相电流有效值的差值在150A及以内 | 优于国标要求（国标要求为负序电压不平衡度不超过2%，短时不超过4%稳定运行） |
2.负序电压不平衡度高于2%且不超过4%，短时高于4%且不超过8%的工况下，变流器能够控制电网中任意两相电流有效值的差值在300A及以内 | |||
频率波动范围 | 电网频率在47Hz~52.5Hz范围内波动时，变流器可长期连续可靠运行。在特殊电网环境下，55Hz时变流器可短时运行。 | 优于国标要求（国标要求为47.5Hz ~51.5Hz） | |
运行温度范围 | -40℃~+50℃ | 高于主流厂家变流器（+45℃~+50℃降容） | |
三、所属领域：
综合能源系统方向：能源控制技术
综合能源服务方向：清洁能源服务技术
智慧能源方向：能源互联网
四、成熟度：
产业化阶段
五、市场应用情况及经济效益分析：
截至2020年10月底，应用本项目技术成果的风电变流器已累计发货超过700台，并网运行520台。未来随着风电的理性发展以及国内厂家技术水平的逐渐提高，高性能3.0MW及更高功率的变流器市场份额必将大幅提高。随着上网要求的不断提高，运用此技术的在运行风电变流器国产化改造、高电压穿越等技术改造将成为大量风电场业主的实际的、迫切的需求，拥有巨大的市场空间。
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