兆瓦级风电系统变流器关键技术（上）

1 引言

目前，随着化石能源的枯竭和我国“节能减排”计划的提出，新能源正日益成为传统能源的重要补充甚至替代能源。我国能源中长期规划即为：合理高效利用常规能源，积极开发利用替代能源。其中，风能作为替代能源之一在我国有着得天独厚的优势，风力发电在全球乃至全国已成为最具商业化发展前景的成熟技术和新兴产业。在借鉴国外成熟先进的风力发电技术的基础上，国内兆瓦级以下的风电技术已经相对成熟，但为了提高风能利用率，降低风力发电成本，发展大容量、高性能兆瓦级风电机组是整个风力发电产业的必然方向。

限于风力发电机组制造水平和开关器件耐压耐流水平不可能在短期内有进一步的提高，针对目前风力发电领域统一的发电机出口电压690v而言，采用变流器并联技术来提高整个系统的电流水平进而提高整个系统的功率等级有如下许多优势：可以在保持变流器开关现有耐电压、耐电流水平不变的情况下提高整个系统的功率等级、系统可靠性以及效率；降低开关损耗并减小电流电压的纹波；并联结构适合于系统模块化，易于系统重新配置，提高了系统的灵活性。应用于直驱式风电系统中的并联背靠背全功率变流器作为提高大功率风力发电系统中变流器功率等级的技术，国外大型的风电厂商已经取得了系列成果，而我国在该领域的研究刚刚起步，需要对其核心技术进行研究并掌握自主知识产权。

因此，研究日益发展的直驱式风力发电系统背靠背全功率变流器拓扑及其控制，尤其是研究在大功率、大电流情况下变流器的并联运行特性，对于实现大功率风力发电设备国产化，提高风力发电机组运行可靠性，降低风力发电成本，促进风力发电产业的发展，都具有十分重要的意义。

随着风电系统中单机容量的逐步增大，除比较成熟的双馈式变速恒频发电系统外，永磁同步发电系统正成为风电领域的研究热点。这种系统中，风轮与永磁同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。传动系统部件的减少，不仅节约了成本、而且减少了维护量。然而，这种系统需要全功率变流器，在现有器件功率水平、电机绝缘制造水平和开关频率等诸多因素制约下，变流器直接并联的方式因其具备可以通过提高整个系统电流等级来达到扩大变流器容量、结构简单、模块化设计、易扩展等优点，是一种较为理想的解决方案。国外mw级风电系统中，大功率变流器基本都采用变流器并联的方式来达到扩容的目的。该技术国外已有较成熟的产品，如ABB unl13/300。并联运行中，环流、均流、功率平衡、协调控制以及应对电网扰动等问题是难点，我国对此方面的研究还处于起步阶段，对变流器的并联运行还未掌握关键核心技术和自主知识产权。因此，非常有必要通过本项目的技术攻关来赶上国外同类产品的水平并为我国发展大功率等级风电系统以及海上大功率风力发电做好技术储备。

德国、丹麦等发达国家风力发电市场比较成熟，大量的mw级风力电站投入运营。我国进入风力发电领域虽然较晚，但是发展速度却突飞猛进。按照去年底机组吊装完成数量的统计，2006年中国除台湾省外新增风电机组1454台，装机容量133.7万千瓦，比过去累计20年的数量还多。其中兆瓦级以上风电机组263台，占新增机组数量的18%。与2005年当年新增装机50.3万千瓦相比，2006年当年新增装机增长率为166%，其中，内蒙古装机容量超过50万千瓦，占全国总装机的1/5，其次是河北、吉林、辽宁、广东和新疆，装机容量都超过了20万千瓦。此外，目前600kw、750kw、850kw机式虽然仍占据主要市场份额，这类机式目前累计约占总装机台数的80%，约占总装机容量的75%，但是中国风电机组已经呈现出向兆瓦级以上大容量机组发展的趋势。2006年1月5日，国家发改委发布了《可再生能源发电有关管理规定》（发改能源[2006]13号）文件，文件明确：“发电企业应当积极投资建设可再生能源发电项目，并承担国家规定的可再生能源发电配额义务。”