风电变流器(12届电力电子学术年会报告)-第二讲

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,中国电工技术学会电力电子学会第十二届学术年会,（哈尔滨,2010.8,）,MW,级风力发电用变流器现状及发展趋势,合肥工业大学,张 兴,报告提纲,国内外风力发电状况,风电变流器及产业概况,超大功率风电变流器方案,关于,LVRT(FRT),结语,20012009,全球风机总装机容量（单位：,MW,）,2009,年全球风机装机总容量为：,159.213GW,，,年增长率为,31.7%,，是十年来增长最快的！,一 国内外风力发电状况,20012009,全球风机新装机容量（单位：,MW,）,2009,全球风机新装机容量,为,38.3GW,比十年前增长,10,倍！,一 国内外风力发电状况,2009,全球风机累计装机容量排名,中国超过德国累计装机容量跃居全球第二！,一 国内外风力发电状况,2009,全球新增装机容量各国份额,2009,年中国新增风电装机容量为：,13.8GW,，,跃居全球第一！,一 国内外风力发电状况,2009,年全球风机生产十强企业名单,我国华锐、金风、东汽三家企业,进入,2009,年全球风机生产十强！,一 国内外风力发电状况,2009,年我国新增风电装机排名前,10,家企业市场份额,(MW,）,一 国内外风力发电状况,2009,年我国累计风电装机排名前,12,家企业市场份额,一 国内外风力发电状况,20042009,国内风电机组价格走势,一 国内外风力发电状况,2009,年我国新增装机中不同容量机组分布,一 国内外风力发电状况,20052009,我国各年新增装机平均功率,一 国内外风力发电状况,2009,年全球海上风电新增装机容量达,454MW,，增长速度达到,30%,目前全球在建的最大海上风电场：丹麦北部海岸的,Horns Rev II,海上风电场，其装机容量为,209MW,目前，上海东海大桥,102MW,海上风电场的,34,台,3MW,风电机组全部并网成功。,2010,年我国首轮海上风电场项目特许权招标将在今年,9,月开始投标包括两个,300MW,的近海风电场和两个,200MW,的滩涂风电场项目,一 国内外风力发电状况,海上风电场概况,风电变流器属于风力发电机组大型核心部件之一，也是目前风电制造行业国产化水平较低的部件之一；,国内变流器市场一直以来被,ABB,等几家外资巨头垄断；,近年来国内企业在风电变流器研发及产业化方面进行了巨大投入，并且有了长足的进步！,二 风电变流器及产业概况,风电机组类型：,二 风电变流器及产业概况,高速型：双馈、全功率,（发电机体积最小！）,低速型：全功率,（发电机体积最大！）,中速型：全功率,（发电机体积中等！）,永磁发电机与齿轮箱的集成,紧凑、高效,双馈电压型风机变流器拓扑,二 风电变流器及产业概况,全功率电压型风机变流器拓扑,二 风电变流器及产业概况,全功率电流型风机变流器拓扑,优点：,1,）适合于高压大容量系统（功率器件串联相对容易）；,2,）由于阀侧电压近似正 弦，无需,du/,dt,滤波器；,3,）良好的短路保护能力和,LVRT,特性,缺点：,1,）功率器件及供货问题；,3,）储能电感体积大、增加了损耗；,2,）系统的动态响应和振荡问题,二 风电变流器及产业概况,电流型,+,电压型的风机变流器,优点：,1,）主变流器采用电流型拓扑且以方波调制以减低损耗,2,）次变流器采用电压型拓扑且以低容量实现有源滤波,3,）较快的动态影响和稳定性,缺点：,1,）变流器结构复杂；,2,）控制复杂,二 风电变流器及产业概况,矩阵型风机变流器,优点：无中间储能环节，效率高； 功率管的热应力相对较低（与电网频率相关）,开关损耗减少（半数的功率器件处于自然换流）；,du/du,低,缺点：采用双向功率器件，且数量较多； 输入输出耦合，,FRT,性能差,二 风电变流器及产业概况,预期：,1,）到,2020,年,70%,以上的海上风电市场将由直驱风机组成（包括混合型）；,2,）未来,1-2,年,3MW,机型的成本可下降,3-5%,；,2,）直驱风机在陆上风电市场的份额也会增加；,3,）直驱机组将在,2020,年占到总新装机量的,20%,（目前占,14%,）。,尽管初始成本高出,5%-10%,，因为大幅降低了运营成本并省去了齿轮箱更换成本，,直驱风机对于海上风电市场具有成本优势,二 风电变流器及产业概况,关于直驱机组,发展趋势,二 风电变流器及产业概况,二 风电变流器及产业概况,2009-2014,年中国每年风电变流器供需缺口,二 风电变流器及产业概况,2009-2014,年中国每年全功率风电变流器供需缺口,二 风电变流器及产业概况,2009-2014,年中国每年双馈型风电变流器供需缺口,二 风电变流器及产业概况,二 风电变流器及产业概况,二 风电变流器及产业概况,国外主流风机变流器生产商,其中：,CONVERTEAM,、,ABB,、,EMERSON,等占有国内前几位的市场份额,二 风电变流器及产业概况,ABB,风机变流器,一类是应用于双馈发电系统的,ACS800-67,系列（,0.85 MW,至,3.8 MW,）,一类应用于永磁同步电机且无齿轮箱的,ACS800-77,系列（,0.8 MW,至,6 MW,）,特点：,采用直接转矩控制（,DTC,）,三相半桥模块化设计,全封闭紧凑型设计,二 风电变流器及产业概况,ACS800-67LC,液冷型适用于,3MW,机组的双馈风电变流器,ACS800-77LC,液冷型适用于,5MW,以下机组的全功率风电变流器,配备有最新的软件和硬件，以支持各个地区的电网法规。如,E.ON,、,R.E.E,和,FERC Order 661,二 风电变流器及产业概况,ABB,风机变流器,二 风电变流器及产业概况,ABB,风机变流器,科孚德机电,(,Converteam,),前身是法国知名企业阿尔斯通,(,Alstom,),机电部，于,2005,年成为独立的公司,Converteam,中国区总部科孚德机电,(,上海,),有限公司位于上海市莘庄工业园区内，从,2005,年发展到现在已有,110,余名员工，并拥有,2000,余平米的生产基地,风机变流器系列：,双馈变流器,(,ProWind,),：,0.5 5MW/690V,低压全功率变流器,(MV3000),：,1 5MW/690V,中压变流器,(MV7000),：,3 8MW/3300V,、,6600V,特点：低压系列,采用相桥模块化设计,，产品成熟、价格较,ABB,低,二 风电变流器及产业概况,科孚德机电,(,Converteam,),变流器,二 风电变流器及产业概况,科孚德机电,(,Converteam,),变流器,二 风电变流器及产业概况,科孚德机电,(,Converteam,),变流器,艾默生网络能源有限公司（美国 深圳）,1.5MW,双馈风机变流器,-,风冷,1.25MW/1.5MW,双馈风机变流器,-,液冷,2MW,双馈风机变流器,-,液冷,2.5MW,双馈风机变流器,-,液冷,3MW,双馈风机变流器,-,液冷,1.5MW,全功率风机变流器,-,风冷,二 风电变流器及产业概况,艾默生网络能源有限公司（美国 深圳）,二 风电变流器及产业概况,美国超导公司于,2007,年,9,月,11,日在中国苏州市设立了全资子公司苏州美恩超导有限公司。,目前中国公司主要负责生产变流器,PowerModule, PM1000,和,PowerModule, PM3000W,目前向中国客户华锐风电科技有限公司、东方汽轮机厂、中国南车时代,-,株洲电力机车研究所有限公司，沈阳鼓风机集团有限公司和许继集团提供风机的整体设计和电控系统，包括电力核心部件。,二 风电变流器及产业概况,美国超导公司,AMSC,Windtec,（美国 苏州）,二 风电变流器及产业概况,美国超导公司,AMSC,Windtec,（美国 苏州）,.,PowerModule,PM,系列实际上是一种便于快速开发变流器的可编程的核心功率平台（无输入、输出滤波器、 电气开关等）,二 风电变流器及产业概况,美国超导公司,AMSC,Windtec,（美国 苏州）,Windtec,PM3000W,技术参数一览表,Specifications,Nominal AC Voltage:,690 VAC,Nominal DC Bus Voltage:,1150 VDC,Max. Transient DC Bus Voltage:,1400 VDC,PWM Switching Frequency:,3 kHz,Max. Continuous AC Phase Current:,750A,二 风电变流器及产业概况,美国超导公司,AMSC,Windtec,（美国 苏州）,已在上海成立了英赫特安（,Ingeteam,）自动化系统工程有限公司,2006,年风机变流器装变量占全球的,14%,的市场份额,二 风电变流器及产业概况,产品名称,：,FSDrive-M,X,1,H,3kV,级,：,200,2500kW,6kV,级,：,400,5,00,0,k,W,10kV,级：即将上市,全系列均采用稳定可靠和维护简便的风冷技术,FSDrive-MX1S,系列,FSDrive-M,X,1,S,6KV,外观图,44,日本安川电机已推出高压矩阵变频器,二 风电变流器及产业概况,45,KVA/,KV,功率单元,变压器,冷却风机,控制单元,尺寸,W,H,D,重量,：,Kg,日本安川电机的高压矩阵变频器,二 风电变流器及产业概况,国内风机变流器的生产企业：（排名不分先后）,山东新风光电子科技发展有限公司,北京清能华福风电技术有限公司,北京科诺伟业科技有限公司,东方日立电控设备有限公司,深圳市禾望电气有限公司,合肥阳光电源有限公司,江苏大权集团公司,海德新能源公司,哈尔滨九洲电气,国电龙源电气有限公司,天津瑞能电气有限公司,许继集团柔性输电系统公司,北京能高自动化技术有限公司,天水电气传动研究所有限公司,重庆科凯前卫风电设备有限公司,鞍山容信电力电子股份有限公司,南车株洲电力机车研究所有限公司,二 风电变流器及产业概况,三 超大功率风电变流器方案,德国,Repower,公司研制的,5MW,的风电机已经在爱尔兰海上运行,德国,Enercon,公司已研制,出,7MW,的直驱型机组,Multibrid,5MW,机组也已运行,风电机组单机容量不断增大，正向,10MW,迈进，超大功率时代到来了！,模块化设计的优点：,1,）易于容量的扩大,2,）有助于大规模标准化生产，有效降低成本,3,）系统配置灵活、维修方便,4,）优化运行模式、提高运行效率和寿命周期,扩大容量的基本方案,模块化设计,三 超大功率风电变流器方案,变流器的模块化设计,模块化设计的基本方式：,1,）相桥臂模块设计,2,）独立的,AC-DC,设计,3,）独立的,AC-DC-AC+,滤波器设计,4,）独立的,AC-DC-AC,设计,5,）级联多电平模块化设计,三 超大功率风电变流器方案,变流器的模块化设计,独立的,AC-DC-AC+,滤波器设计,三 超大功率风电变流器方案,变流器的模块化设计,独立的,AC-DC-AC,设计,主电路,+,驱动,相桥臂模块设计,三 超大功率风电变流器方案,变流器的模块化设计,独立的,AC-DC,设计,600KVA - 1.8MVA,三 超大功率风电变流器方案,1.8 MVA, 4 Q,THE SWITCH,变流器的模块化设计,三 超大功率风电变流器方案,变流器的模块化设计,三 超大功率风电变流器方案,变流器的模块化设计,级联多电平模块化设计,优点：适用于高压设计,缺点：多绕组发电机设计；变流器体积大,三 超大功率风电变流器方案,超大功率设计的根本方法,提高电压等级,低压模块化方案,（以电励磁同步全功率为例）,三 超大功率风电变流器方案,中压电压型变流器方案（,3MW,）,系统,三 超大功率风电变流器方案,中压电压型变流器方案（,3MW,）,网侧,三 超大功率风电变流器方案,中压电压型变流器方案（,3MW,）,直流升压,三 超大功率风电变流器方案,中压电压型变流器方案（,3MW,）,机侧,三 超大功率风电变流器方案,中压电压型变流器方案（,5MW,）,系统,三 超大功率风电变流器方案,中压电压型变流器方案（,5MW,）,网侧,三 超大功率风电变流器方案,中压电压型变流器方案（,5MW,）,直流升压,三 超大功率风电变流器方案,中压电压型变流器方案（,5MW,）,机侧,三 超大功率风电变流器方案,中压电压型变流器方案（,7.5MW,）,系统,三 超大功率风电变流器方案,中压电流型变流器方案（,3MW,）,系统,三 超大功率风电变流器方案,中压电流型变流器方案（,3MW,）,网侧,三 超大功率风电变流器方案,中压电流型变流器方案（,3MW,）,机侧,三 超大功率风电变流器方案,中压电流型变流器方案（,5MW,）,系统,三 超大功率风电变流器方案,中压电流型变流器方案（,5MW,）,网侧,三 超大功率风电变流器方案,中压电流型变流器方案（,5MW,）,机侧,三 超大功率风电变流器方案,中压电流型变流器方案（,7.5MW,）,系统,三 超大功率风电变流器方案,3MW,中压系统的成本同比下降,14%,；,7.5MW,中压系统的成本同比下降,40%;,电压型变流系统平均成本下降,20%;,电流型变流系统平均成本下降,33%;,*,CostOfEnergy(COE-,电度成本,),AnnualEnergyProduction(AEP,-,年发电量,),低、中压的经济型比较,与低压系统相比：,三 超大功率风电变流器方案,在超大功率领域，中压变流器技术优势明显！,在,2001,年之前：德国电网上的风电机组在电网故障时都会切除,2001,年简单的,FRT,要求。实现故障后的有功支持,2003,年,E,on,提出了更高,LVRT,要求，并在特定电压区域进行无功补偿,2006,年,E,on,提出了高压与超高压并网导则，其区域划分和控制要求更加详细,2008,年,E,on,提出了海上风电场并网导则，针对海上风电场提出了新要求,2009,年,E,On,专门就超高压并网提出导则,四,关于低电压穿越,LVRT(FRT),德国并网导则的发展,并网导则随着风电场容量的扩大而不断发展，并更加关注高压输电网的稳定问题，强调和细化了穿越过程中的功率控制（无功）！,德国,E,On-2006,并网导则（,type 2 ),四,关于低电压穿越,LVRT(FRT),双重,LVRT,丹麦的并网导则要求,1),两相短路,100ms,后间隔,300ms,再发生,100ms,两相短路时，不能脱网,2,）单相短路,100ms,后间隔,1s,再发生,100ms,单相短路时，不能脱网,四,关于低电压穿越,LVRT(FRT),随着大型风场的迅速增加，风机的暂时过压已成为新的问题,大多数风机使用电压源逆变器，当电网电压超过某个限定值时，流过网侧的电流可能发生倒转，导致直流电压迅速的增加，为此，必须采用相应的对策,过压产生的原因：,1,）负载突然撤掉或者大的电容器切入,2,）由于不平衡故障，导致过压,关于高电压穿越,HVRT,四,关于低电压穿越,LVRT(FRT),关于高电压穿越,HVRT,由于各国电网架构的差异，导致过压可能有不同的峰值和持续时间特征，因此国际上关注,HVRT,电网要求各地不同。在澳大利亚，电网导则规定风机忍受过压,30%,持续,60ms,。,四,关于低电压穿越,LVRT(FRT),中国电科院,风电场接入电力系统规定（讨论稿）,四,关于低电压穿越,LVRT(FRT),LVRT(FRT),方案,被动法：转子撬棒、定子撬棒、直流斩波（组合）,主动法：动态磁链法、有源阻尼法,混合法：被动法,+,主动法,FACT,法：,DVR,法、,STATCOM,法,难点：,1,）满足成本限制要求,2,）实验与测试（电网与系统）,总之：满足并网导则要求，对变流器的设计是一个严峻的考验！,四,关于低电压穿越,LVRT(FRT),五 结语：,随着“洋品牌”的不断降价以及整机厂家的介入，新一轮的竞争将更加激烈,重新洗牌,模块化技术与中压大功率是风机变流器的发展趋势,电网的友好接入和故障穿越技术是国产风机变流器研究面临的新挑战,风机变流器的国产化必然使我国的大功率变流器技术迈上一个新台阶,Thanks,中国电工技术学会电力电子学会第十二届学术年会,（,2010.8,哈尔滨）,