風電變流器是風力發(fā)電中不可或缺的環(huán)節(jié)，是通過整流、逆變原理將不穩(wěn)定的風電變換成為電壓、頻率、相位符合并網(wǎng)要求的電能的控制裝置。在風力發(fā)電設備中，風電變流器是目前風力發(fā)電機組不可缺少的能量變換單元。風電變流器不僅提高了機組效率，而且對于機組并網(wǎng)、電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行起到了良好作用，每一套新增風機均需要配備一套風電變流器。

定義

風電變流器是雙饋風力發(fā)電機中，加在轉子側的勵磁裝置。其主要功能是在轉子轉速n變化時，通過變流器控制勵磁的幅值、相位、頻率等，使定子側能向電網(wǎng)輸入恒頻電。包括功率模塊、控制模塊、并網(wǎng)模塊。

同時，風電變流器是專門應用于風力發(fā)電系統(tǒng)的電力電子設備，將風力發(fā)電機產(chǎn)生的不穩(wěn)定電壓、頻率和相位的交流電（AC）轉換為穩(wěn)定且滿足電網(wǎng)要求的交流電或者直流電（DC）輸出。同時根據(jù)風速大小適應發(fā)電機轉速，使風機實現(xiàn)最佳風能捕獲。

發(fā)展歷程

20世紀80年代，風力發(fā)電技術開始受到全球關注，風電變流器的發(fā)展可追溯到此階段；

1986年，我國第一座陸上風電場成功并網(wǎng)發(fā)電，揭開了我國風電從無到有的發(fā)展大幕。在逐漸走向成熟的同時，風電技術關鍵設備方面國產(chǎn)化的水平明顯提高（2009年前后，風電變流器開始進入國產(chǎn)化替代階段）；

21世紀，隨著全球對可再生能源的需求不斷增加，風電變流器行業(yè)得到了快速發(fā)展；

2000年至2010年間，風電裝機容量的大幅增長，推動了風電變流器市場的擴大。此階段，風電變流器性能得到顯著提升的同時逐漸降低了成本；

2010年至2020年間，風電變流器行業(yè)進入成熟期。此階段，全球范圍內(nèi)風電項目越來越多，風電變流器市場規(guī)模持續(xù)擴大。風電變流器產(chǎn)品開始向多樣化和定制化方向發(fā)展，效率和可靠性也得到進一步提升。

結構組成

風電變流器主要由以下部件組成：

功率模塊：功率模塊是變流器的核心部件，由IGBT、GTO等半導體器件組成，用于進行電力轉換。

控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)用于控制變流器的運行，包括電壓、電流、頻率等參數(shù)的控制。

冷卻系統(tǒng)：冷卻系統(tǒng)用于冷卻變流器內(nèi)部的熱量。

保護系統(tǒng)：保護系統(tǒng)用于保護變流器在發(fā)生故障時的安全。

（資料圖：禾望電氣雙饋變流器-690V-風冷機型）

功能

1、變流器通過對雙饋異步風力發(fā)電機的轉子進行勵磁，使得雙饋發(fā)電機的定子側輸出電壓的幅值、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。

2、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。

3、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。

4、變流器配電系統(tǒng)提供雷擊、過流、過壓、過溫等保護功能。

5、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)。

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

工作原理

風電變流器主要由整流器、逆變器和濾波器組成：

整流器：整流器將風力發(fā)電機產(chǎn)生的交流電轉換成直流電，就像將交流整流成直流一樣。

逆變器：逆變器將直流電轉換成與電網(wǎng)頻率、電壓相符的交流電，就像將直流電轉換成交流電一樣。

濾波器: 濾波器用于消除整流和逆變過程中產(chǎn)生的諧波，就像凈化水一樣，將電網(wǎng)中的諧波凈化掉。

運行特征

高電壓、大電流：風電變流器承受著高電壓、大電流的沖擊，相當于承受著高壓水流的沖擊，因此其元器件必須具有良好的耐壓和耐流能力。

諧波污染：變流器在運行過程中會產(chǎn)生諧波，就像水流中混入了雜質(zhì)一樣，會污染電網(wǎng)，影響電網(wǎng)的安全運行。

復雜環(huán)境：風電變流器通常安裝在風機頂部，環(huán)境惡劣，相當于在沙漠或戈壁灘工作，因此其防護等級必須很高。

類型

風電變流器可以基于不同的分類標準進行區(qū)分。

按拓撲結構：可分為雙饋型變流器、全功率變流器、中壓風電變流器等；

按控制方式：可分為PWM型變流器、多電平型變流器和直接轉換型變流器；

按連接方式：可分為單相變流器、三相變流器、并網(wǎng)型變流器和離網(wǎng)型變流器；

按應用場景：可分為地面風電場變流器、海上風電場變流器、儲能系統(tǒng)接入變流器和分布式風能應用變流器；

按功率級別：可分為低功率（＜100kW）變流器、中功率（100-1000kW）變流器和高功率（＞1000kW）變流器。

技術特點

（一）雙饋變流器技術特點：

雙向功率流：實現(xiàn)風力渦輪機和電網(wǎng)之間的雙向能量傳輸，提高系統(tǒng)的靈活性和可控性。

部分功率轉換：將部分風力渦輪機功率通過轉子傳遞到電網(wǎng)，降低了對變流器的功率需求，降低成本。

較小的容量：相較于傳統(tǒng)的全功率變流器，雙饋變流器具有較小的容量，降低了成本，并減少對稀有材料的需求。

提高的電壓質(zhì)量：通過在轉子側引入變頻器，實現(xiàn)對轉子電壓和頻率的控制，提高電壓質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性。

（二）全功率變流器技術特點： 

全功率轉換：將整個風力渦輪機的功率通過變頻器傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，提高系統(tǒng)的效率和發(fā)電能力。

高效率：利用高效的功率器件和先進的控制策略，最大限度地提高能量轉換效率，降低能量損失。

高穩(wěn)定性：具備更高的抗干擾能力和電網(wǎng)適應性，穩(wěn)定地將電力注入電網(wǎng)，提高系統(tǒng)的可靠性和可控性。

網(wǎng)絡支持功能：提供無功功率控制和電壓/頻率調(diào)節(jié)等功能，增強電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性。

常見故障現(xiàn)象

風電變流器常見的故障現(xiàn)象包括：

（1）功率模塊損壞：就像水泵損壞，會導致變流器無法正常進行電力轉換。

（2）控制系統(tǒng)故障：就像水閘損壞，會導致變流器無法正常控制電壓、電流等參數(shù)。

（3）冷卻系統(tǒng)故障：就像水箱漏水，會導致變流器內(nèi)部溫度過高，影響其運行。

（4）保護系統(tǒng)故障：就像保險絲熔斷，會導致變流器無法在發(fā)生故障時及時保護自身。

故障檢查和維修方法

1. 功率模塊損壞

檢查功率模塊的電壓、電流、溫度等參數(shù)。

使用功率模塊測試儀進行檢測。

更換損壞的功率模塊。

2. 控制系統(tǒng)故障

檢查控制系統(tǒng)的軟硬件是否損壞。

使用控制系統(tǒng)測試儀進行檢測。

重新編程或更換損壞的控制系統(tǒng)部件。

3. 冷卻系統(tǒng)故障

檢查冷卻系統(tǒng)的風扇、水泵、管道等部件是否損壞。

清理冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的灰塵和污垢。

更換損壞的冷卻系統(tǒng)部件。

4. 保護系統(tǒng)故障

檢查保護系統(tǒng)的設置是否正確。

測試保護系統(tǒng)的動作是否可靠。

調(diào)整或更換保護系統(tǒng)部件。

未來發(fā)展趨勢

在雙饋和全功率變流器技術的基礎上，未來變流器的發(fā)展趨勢將集中在以下幾個方向：

1、高頻化

通過提高變流器的開關頻率，使其更加緊湊、輕便，具備更高的響應速度和更精確的電力控制。研究人員正致力于研究新型開關器件和電磁干擾抑制技術，以提高系統(tǒng)效率和可靠性。

2、模塊化設計

將變流器設計為模塊化結構，以提供靈活、可擴展、易于維護和升級的解決方案。研究人員將進一步探索新型模塊結構、模塊間通信技術和可重組模塊組件，以實現(xiàn)更高級別的靈活性和可配置性。

3、新型功率器件應用

研究人員正在積極探索碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新型功率器件的應用，這些器件具有更高的開關速度、更低的功耗和更高的溫度耐受性。進一步研究將推動其在變流器中的更廣泛應用，提高系統(tǒng)效率和可靠性。

4、智能控制與管理

通過引入先進的控制算法、智能化監(jiān)測技術和遠程通信能力，變流器能夠實現(xiàn)自適應控制、故障診斷和優(yōu)化運行。研究人員將進一步研究智能控制與管理系統(tǒng)的可靠性、安全性和通信技術，實現(xiàn)更高級別的自主運行、智能優(yōu)化和網(wǎng)絡集成。

5、多能源互聯(lián)

隨著可再生能源的不斷發(fā)展，將風能、太陽能和能量儲存系統(tǒng)等多個能源整合在一起，實現(xiàn)能源互補和協(xié)同管理。研究人員將進一步研究多能源互聯(lián)技術的互操作性、能量流調(diào)度和智能能源管理，推動可再生能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和能源供應的可靠性。

代表企業(yè)

禾望電氣

深圳市禾望電氣股份有限公司專注于新能源和電氣傳動產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務，主要產(chǎn)品包括風力發(fā)電產(chǎn)品、光伏發(fā)電產(chǎn)品、儲能產(chǎn)品、制氫電源產(chǎn)品、電能質(zhì)量產(chǎn)品、電氣傳動產(chǎn)品等，擁有完整的大功率電力電子裝置及監(jiān)控系統(tǒng)的自主開發(fā)及研發(fā)實力與測試平臺。公司通過技術和服務上的創(chuàng)新，不斷為客戶創(chuàng)造價值，現(xiàn)已成為國內(nèi)新能源領域最具競爭力的電氣企業(yè)之一。

在新能源領域，禾望產(chǎn)品系列覆蓋國內(nèi)750kW~30MW風電變流器、5kW~3.125MW光伏逆變器及1.0MW~6.25MW箱逆變一體機等主流機型。

風電產(chǎn)品：新一代風冷雙饋變流器、中壓全功率變流器-3300V、全功率變流器-900V/950V/1140V、全功率變流器-690V、雙饋變流器-950V/1140V-水冷機型、雙饋變流器-950V/1140V-風冷機型、雙饋變流器-690V-水冷機型、雙饋變流器-690V-風冷機型。

（資料圖：禾望電氣新一代風冷雙饋變流器）

陽光電源

陽光電源股份有限公司是一家專注于太陽能、風能、儲能、氫能、電動汽車等新能源電源設備的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務的國家重點高新技術企業(yè)。主要產(chǎn)品有光伏逆變器、風電變流器、儲能系統(tǒng)、水面光伏系統(tǒng)、新能源汽車驅動系統(tǒng)、充電設備、可再生能源制氫系統(tǒng)、智慧能源運維服務等，并致力于提供全球一流的清潔能源全生命周期解決方案。

風電變流器產(chǎn)品：雙饋風電變流器、全功率風電變流器、中壓風電變流器。

（資料圖：陽光電源雙饋-1140V-5/6/8/10MW）

海得新能源

浙江海得新能源有限公司擁有風機變槳、變流和主控控制的核心技術、完整的知識產(chǎn)權系列產(chǎn)品和行業(yè)解決方案。力爭成為世界一流的新能源領域電控系統(tǒng)及設備的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)！

風電產(chǎn)品：

雙饋變流器：1.5MW~3.6MW雙饋風冷變流器、2.0MW雙饋風冷變流器、2.0MW雙饋液冷變流器、2.5MW雙饋風冷變流器、3.0MW雙饋風冷變流器、3.6MW雙饋風冷變流器

全功率變流器：850KW全功率風冷變流器、1MW全功率液冷變流器、1.5MW全功率液冷變流器、2.0MW全功率液冷變流器、2.5MW全功率液冷變流器、3.0MW全功率液冷變流器、4.0MW全功率液冷變流器、5.0MW全功率液冷變流器、6.0MW全功率液冷變流器、7.0MW全功率液冷變流器、8.0MW全功率液冷變流器

（資料圖：海得新能源1.5MW雙饋風冷變流器）

日風電氣

浙江日風電氣股份有限公司原為浙江日風電氣有限公司，公司于2015年7月由有限責任公司整體變更設立為股份有限公司。日風電氣成立于2008年，是浙江潤豐能源集團有限公司的控股子公司。

日風自主研發(fā)的風電變流器低電壓穿越測試平臺，成為浙江省最具規(guī)模的風電變流器實驗平臺，該平臺于2011年通過了中國電力科學研究院低電壓穿越認證測試。

主營產(chǎn)品：1.5MW、2.0MW、2.5MW、3.0MW雙饋式風力發(fā)電變流器、2.0MW-5.5MW直驅式風力發(fā)電變流器。

（資料圖：日風電氣3-3.4MW雙饋風冷機型）

維諦技術（Vertiv）

VERTIV是全球風電機組用變流器完整解決方案提供商，為全球客戶提供量身定制的解決方案，以滿足每個項目的要求。我們提供的風電機組變流器已經(jīng)廣泛的使用在全球主要風電發(fā)展國家，覆蓋了海上風電和陸上風電兩大領域，全球并網(wǎng)裝機總量已經(jīng)達到30GW以上。我們在歐洲、亞洲擁有生產(chǎn)設施和服務代表處及備件中心，為您提供更高效和專業(yè)的支持和服務。

Wintrust雙饋變流器及其選配件主要用于雙饋發(fā)電機組配套，實現(xiàn)對發(fā)電機的變速恒頻控制，獲得更佳的發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量。

（資料圖：維諦技術Wintrust雙饋變流器）

來源綜合自：百度百科、風電電氣設計、碳榕數(shù)科、智研咨詢