1、中国电工技术学会电力电子学会第十二届学术年会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（哈尔滨 2010.8）MW级风力发电用变流器现状及发展趋势级风力发电用变流器现状及发展趋势合肥工业大学合肥工业大学张张 兴兴报告提纲报告提纲 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：全球风机总装机容量（单位：MW）20092009年全球风机装机总容量为：年全球风机装机总容量为：159.213GW159.213GW，年增长率为年增长率为31.7%31.7%，是十年来增长最快的！，是十年来增长最快的！一 国
2、内外风力发电状况20012009全球风机新装机容量（单位：全球风机新装机容量（单位：MW）20092009全球风机新装机容量为全球风机新装机容量为38.3GW38.3GW比十年前增长比十年前增长1010倍！倍！一 国内外风力发电状况20092009全球风机累计装机容量排名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！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20092009全球新增装机容量各国份额全球新增装机容量各国份额 2009 2009 年中国新增风电装机容量为：年中国新增风电装机容量为：13.8GW13.8GW，跃居全球第一！跃居全球第一！一 国内外风力
3、发电状况 2009 2009年全球风机生产十强企业名单年全球风机生产十强企业名单我国华锐、金风、东汽三家企业我国华锐、金风、东汽三家企业 进入进入20092009年全球风机生产十强！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年我国累计风电装机排名前12家企业市场份额家企业市场份额一 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
4、内外风力发电状况20092009年全球海上风电新增装机容量年全球海上风电新增装机容量达达454MW454MW，增长速度达到，增长速度达到30%30%目前全球在建的最大海上风电场：目前全球在建的最大海上风电场：丹麦北部海岸的丹麦北部海岸的Horns Rev II Horns Rev II 海海上风电场，其装机容量为上风电场，其装机容量为209MW209MW目前，上海东海大桥目前，上海东海大桥102MW102MW海上风海上风电场的电场的3434台台3MW3MW风电机组全部并网风电机组全部并网成功。成功。2010年我国首轮海上风电场项目年我国首轮海上风电场项目特许权招标将在今年特许权招标将在今年9月
5、开始投标月开始投标包括两个包括两个300MW的近海风电场和的近海风电场和两个两个200MW的滩涂风电场项目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！二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况风电机组类型：风电机组类型：二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况高速型：双馈、全功率高速型：双馈、全功率（发电机体积最小！）（发电机体积最小！）低速型
6、：全功率低速型：全功率（发电机体积最大！）（发电机体积最大！）中速型：全功率中速型：全功率（发电机体积中等！）（发电机体积中等！）永磁发电机与齿轮箱的集成永磁发电机与齿轮箱的集成紧凑、高效紧凑、高效双馈电压型风机变流器拓扑双馈电压型风机变流器拓扑二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况全功率电压型风机变流器拓扑全功率电压型风机变流器拓扑二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况全功率电流型风机变流器拓扑全功率电流型风机变流器拓扑优点：优点：1 1）适合于高压大容量系统（功率器件串联相对容易）；）适合于高压大容量系统（功率器件串联相对容易）；2 2）由于阀侧电压近似正）由于阀侧电压近似
7、正 弦，无需弦，无需du/dtdu/dt滤波器；滤波器；3 3）良好的短路保护能力和）良好的短路保护能力和LVRTLVRT特性特性 缺点：缺点：1 1）功率器件及供货问题；）功率器件及供货问题；3 3）储能电感体积大、增加了损耗；）储能电感体积大、增加了损耗；2 2）系统的动态响）系统的动态响应和振荡问题应和振荡问题二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况电流型电流型+电压型的风机变流器电压型的风机变流器优点：优点：1 1）主变流器采用电流型拓扑且以方波调制以减低损耗）主变流器采用电流型拓扑且以方波调制以减低损耗 2 2）次变流器采用电压型拓扑且以低容量实现有源滤波）次变流器采用电压型拓
8、扑且以低容量实现有源滤波 3 3）较快的动态影响和稳定性）较快的动态影响和稳定性 缺点：缺点：1 1）变流器结构复杂；）变流器结构复杂；2 2）控制复杂）控制复杂二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况矩阵型风机变流器矩阵型风机变流器优点：无中间储能环节，效率高；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）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）；开关损耗减少（半数的功率器件处于自然换流）；du/dudu/du低低缺点：采用双向功率器件，且数量较多；缺点：采用双向功率器件，且数量较多；输入输出耦合，输入输出耦合，FRTF
9、RT性能差性能差二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况预期：预期：1）到）到2020年年70%以上的海上风电市场将由直驱风机组成（包括混合型）；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）未来1-2年年3MW机型的成本可下降机型的成本可下降3-5%；2）直驱风机在陆上风电市场的份额也会增加；）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）直驱机组将在2020年占到总新装机量的年占到总新装机量的20%（目前占（目前占14%）。）。尽管初始成本高出尽管初始成本高出5%-10%5%-10%，因为大幅，因为大幅降低了运营成本并降低了运营成本并省去了齿轮箱更换省去了齿轮
10、箱更换成本，成本，直驱风机对直驱风机对于海上风电市场具于海上风电市场具有成本优势有成本优势二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况关于直驱机组关于直驱机组发展趋势发展趋势二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况2009-2014 2009-2014 年中国每年风电变流器供需缺口年中国每年风电变流器供需缺口二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况2009-2014 2009-2014 年中国每年全功率风电变流器供需缺口年中国每年全功率风电变流器供需缺口二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况2009-2014 2009-201
11、4 年中国每年双馈型风电变流器供需缺口年中国每年双馈型风电变流器供需缺口二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况国外主流风机变流器生产商国外主流风机变流器生产商其中：其中：CONVERTEAM、ABB、EMERSON等占有国内前几位的市场份额等占有国内前几位的市场份额二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况ABB ABB 风机变流器风机变流器一类是应用于双馈发电系统的一类是应用于双馈发电系统的ACS800-67ACS800-67系列（系列（0.85 MW至至3.8 MW）一类应用于永磁同步电
12、机且无齿轮箱的一类应用于永磁同步电机且无齿轮箱的ACS800-77ACS800-77系列（系列（0.8 MW至至6 MW）特点：特点：采用直接转矩控制（采用直接转矩控制（DTCDTC）三相半桥模块化设计三相半桥模块化设计全封闭紧凑型设计全封闭紧凑型设计二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况ACS800-67LC 液冷型适用于液冷型适用于3MW 机组的双馈风电变流器机组的双馈风电变流器ACS800-77LC液冷型适用于液冷型适用于5MW 以下机组的全功率风电变流器以下机组的全功率风电变流器配备有最新的软件和硬件，配备有最新的软件和硬件，以支持各个地区的电网法规。以支持各个地区的电网法规。
13、如如E.ON、R.E.E 和和FERC Order 661二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况ABB 风机变流器风机变流器二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况ABB ABB 风机变流器风机变流器科孚德机电科孚德机电 (Converteam)(Converteam)前身是法国知名企前身是法国知名企业阿尔斯通业阿尔斯通 (Alstom)(Alstom)机电部，于机电部，于20052005年成为年成为独立的公司独立的公司Converteam Converteam 中国区总部科孚德机电中国区总部科孚德机电(上海上海)有有限公司位于上海市莘庄工业园区内，从限公司位于上海市莘庄工业园区
14、内，从2005 2005 年发展到现在已有年发展到现在已有110 110 余名员工，并拥有余名员工，并拥有2000 2000 余平米的生产基地余平米的生产基地风机变流器系列：风机变流器系列：双馈变流器双馈变流器 (ProWind)(ProWind)：0.5 5MW/690V0.5 5MW/690V低压全功率变流器低压全功率变流器 (MV3000)(MV3000)：1 5MW/690V1 5MW/690V中压变流器中压变流器(MV7000)(MV7000)：3 8MW/3300V 3 8MW/3300V、6600V6600V 特点：低压系列特点：低压系列采用相桥模块化设计采用相桥模块化设计，产品
15、成，产品成熟、价格较熟、价格较ABBABB低低二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况科孚德机电科孚德机电 (Converteam)(Converteam)变流器变流器二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况科孚德机电科孚德机电 (Converteam)(Converteam)变流器变流器二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况科孚德机电科孚德机电 (Converteam)(Converteam)变流器变流器艾默生网络能源有限公司（美国艾默生网络能源有限公司（美国 深圳）深圳）1.5MW 1.5MW 双馈风机变流器双馈风机变流器-风冷风冷1.25MW/1.5MW1.25MW/
16、1.5MW双馈风机变流器双馈风机变流器-液冷液冷2MW 2MW 双馈风机变流器双馈风机变流器-液冷液冷2.5MW 2.5MW 双馈风机变流器双馈风机变流器-液冷液冷3MW 3MW 双馈风机变流器双馈风机变流器-液冷液冷1.5MW 1.5MW 全功率风机变流器全功率风机变流器-风冷风冷二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况艾默生网络能源有限公司（美国艾默生网络能源有限公司（美国 深圳）深圳）二二 风电变流器及产业概况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 PM10
17、00 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。二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况美国超导公司美国超导公司AMSC Windtec（美国（美国 苏州）苏州）二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况美国超导公司美国超导公司AMSC Windtec（美国（美国 苏州）苏州）.PowerModule PMPM系列实际上是一种便于快速开发变流器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
18、波器、的可编程的核心功率平台（无输入、输出滤波器、电气电气开关等）开关等）二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况美国超导公司美国超导公司AMSC Windtec（美国（美国 苏州）苏州）Windtec PM3000W 技术参数一览表技术参数一览表SpecificationsNominal AC Voltage:690 VACNominal DC Bus Voltage:1150 VDCMax.Transient DC Bus Voltage:1400 VDCPWM Switching Frequency:3 kHzMax.Continuous AC Phase Current:750A
19、二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况美国超导公司美国超导公司AMSC Windtec（美国（美国 苏州）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 20062006年风机变流器装变量占全球的年风机变流器装变量占全球的14%14%的市场份额的市场份额二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况产品名称：FSDrive-MX1H3kV级：2002500kW6kV级：4005000kW10kV级：即将上市全系列均采用稳定可靠和维护简便的风冷技全系列均采用稳定可靠和维护简便的风冷技术术 FSDrive-MX1SFSDrive-MX1S系列系列FSDrive-MX
20、1S 6KV 外观图44日本安川电机已推出高压矩阵变频器日本安川电机已推出高压矩阵变频器二二 风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况45功率单元变压器冷却风机控制单元尺寸WHD重量：Kg日本安川电机的高压矩阵变频器日本安川电机的高压矩阵变频器二二 风电变流器及产业概况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）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山东新风光电子科技发展有限公司司 北京清能华福风电技术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北京科诺伟业科技有限公司 东方日立电控设备有限公司东方日立电控设备有限公司 深圳市
21、禾望电气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合肥阳光电源有限公司 江苏大权集团公司江苏大权集团公司 海德新能源公司海德新能源公司 哈尔滨九洲电气哈尔滨九洲电气 国电龙源电气有限公司国电龙源电气有限公司 天津瑞能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南车株洲电力机车研究所有限公司司二二
22、风电变流器及产业概况风电变流器及产业概况三 超大功率风电变流器方案风电机组单机容量不断增大，正向风电机组单机容量不断增大，正向10MW10MW迈进，迈进，超大功率时代到来了！超大功率时代到来了！模块化设计的优点：模块化设计的优点：1 1）易于容量的扩大）易于容量的扩大 2 2）有助于大规模标准化生产，有效降低成本）有助于大规模标准化生产，有效降低成本 3 3）系统配置灵活、维修方便）系统配置灵活、维修方便 4 4）优化运行模式、提高运行效率和寿命周期）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扩大容量的基本方案模块化设计模块化设计三 超大功率风电变流器方案变流器的模块化设计变流器的
23、模块化设计 模块化设计的基本方式：模块化设计的基本方式：1 1）相桥臂模块设计）相桥臂模块设计 2 2）独立的）独立的AC-DCAC-DC设计设计 3 3）独立的）独立的AC-DC-AC+AC-DC-AC+滤波器设计滤波器设计 4 4）独立的）独立的AC-DC-ACAC-DC-AC设计设计 5 5）级联多电平模块化设计）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变流器的模块化设计独立的独立的AC-DC-AC+AC-DC-AC+滤波器设计滤波器设计三 超大功率风电变流器方案变流器的模块化设计变流器的模块化设计独立的独立的AC-DC-ACAC-DC-AC设计设计主电路主电路+
24、驱动驱动相桥臂模块设计相桥臂模块设计三 超大功率风电变流器方案变流器的模块化设计变流器的模块化设计独立的独立的AC-DCAC-DC设计设计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变流器的模块化设计级联多电平模块化设计级联多电平模块化设计优点：适用于高压设计优点：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超大
25、功率设计的根本方法提高电压等级提高电压等级低压模块化方案低压模块化方案（以电励磁同步全功率为例）（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（中压电压型变流器方案（3MW3MW）系统系统三 超大功率风电变流器方案中压电压型变流器方案（中压电压型变流器方案（3MW3MW）网侧网侧三 超大功率风电变流器方案中压电压型变流器方案（中压电压型变流器方案（3MW3MW）直流升压直流升压三 超大功率风电变流器方案中压电压型变流器方案（中压电压型变流器方案（3MW3MW）机侧机侧三 超大功率风电变流器方案中压电压型变流器方案（中压电压型变流器方案（5MW5MW）系统系统三 超大功
26、率风电变流器方案中压电压型变流器方案（中压电压型变流器方案（5MW5MW）网侧网侧三 超大功率风电变流器方案中压电压型变流器方案（中压电压型变流器方案（5MW5MW）直流升压直流升压三 超大功率风电变流器方案中压电压型变流器方案（中压电压型变流器方案（5MW5MW）机侧机侧三 超大功率风电变流器方案中压电压型变流器方案（中压电压型变流器方案（7.5MW7.5MW）系统系统三 超大功率风电变流器方案中压电流型变流器方案（中压电流型变流器方案（3MW）系统系统三 超大功率风电变流器方案中压电流型变流器方案（中压电流型变流器方案（3MW）网侧网侧三 超大功率风电变流器方案中压电流型变流器方案（中压电
27、流型变流器方案（3MW）机侧机侧三 超大功率风电变流器方案中压电流型变流器方案（中压电流型变流器方案（5MW）系统系统三 超大功率风电变流器方案中压电流型变流器方案（中压电流型变流器方案（5MW）网侧网侧三 超大功率风电变流器方案中压电流型变流器方案（中压电流型变流器方案（5MW）机侧机侧三 超大功率风电变流器方案中压电流型变流器方案（中压电流型变流器方案（7.5MW）系统系统三 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电压型变流系统平均成本下降20%;电流型变流系统
28、平均成本下降电流型变流系统平均成本下降33%;*Cost Of Energy(COE-电度成本电度成本)Annual Energy Production(AEP-年发电量年发电量)低、中压的经济型比较低、中压的经济型比较与低压系统相比：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，中压在超大功率领域，中压变流器技术优势明显！变流器技术优势明显！在在20012001年之前：德国电网上的风电机组在电网故障时都会切除年之前：德国电网上的风电机组在电网故障时都会切除20012001年简单的年简单的FRTFRT要求。实现故障后的有功支持要求。实现故障后的有功支持20032003年年E Eo
29、non提出了更高提出了更高LVRTLVRT要求，并在特定电压区域进行无功补偿要求，并在特定电压区域进行无功补偿20062006年年E Eonon提出了高压与超高压并网导则，其区域划分和控制要求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更加详细20082008年年E Eonon提出了海上风电场并网导则，针对海上风电场提出了新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要求20092009年年E EOnOn专门就超高压并网提出导则专门就超高压并网提出导则 四四 关于低电压穿越关于低电压穿越LVRT(FRT)德国并网导则的发展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
30、发展，并更加关注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）！控制（无功）！德国德国EOn-2006并网导则（并网导则（type 2)四四 关于低电压穿越关于低电压穿越LVRT(FRT)双重双重LVRT丹麦的并网导则要求丹麦的并网导则要求1)1)两相短路两相短路100ms100ms后间隔后间隔300ms300ms再发生再发生100ms100ms两相短路时，不能脱网两相短路时，不能脱网2 2）单相短路）单相短路100ms100ms后间隔后间隔1s1s再发生再发生100ms100m
31、s单相短路时，不能脱网单相短路时，不能脱网四四 关于低电压穿越关于低电压穿越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关于高电压穿越HVRTHVRT四四 关于低电压穿越关于低电压穿越LVRT(FRT)关于高电压穿越关于高电压穿越HVRTHVRT 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由于各国电网架构的差异，导致过压可能有不同
32、的峰值和持续时间特征，因此国际上关注时间特征，因此国际上关注HVRTHVRT电网要求各地不同。在澳大利亚，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电网导则规定风机忍受过压30%30%持续持续60ms60ms。四四 关于低电压穿越关于低电压穿越LVRT(FRT)中国电科院中国电科院风电场接入电力系统规定（讨论稿）风电场接入电力系统规定（讨论稿）四四 关于低电压穿越关于低电压穿越LVRT(FRT)LVRT(FRT)方案方案 被动法：转子撬棒、定子撬棒、直流斩波（组合）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、有源阻尼法主动法：动态磁链法、有源阻尼法 混合法：被动
33、法混合法：被动法+主动法主动法 FACT法：法：DVR法、法、STATCOM法法 难点：难点：1 1）满足成本限制要求）满足成本限制要求 2 2）实验与测试（电网与系统）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！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！四四 关于低电压穿越关于低电压穿越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NoImage中国电工技术学会电力电子学会第十二届学术年会中国电工技术学会电力电子学会第十二届学术年会（2010.8 2010.8 哈尔滨）哈尔滨）
