风电变流器(12届电力电子学术年会报告)-第二讲-2

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2001~2009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2001~2009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2004~2009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2005~2009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HornsRevII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DFIG网侧控制器转子侧控制器SVPWMSVPWMdcVgigvL1iL2icvEMI接触器接触器EMIrinsisvdu/dt抑制器LCL滤波器升压变压器690V码盘核心控制单元核心控制单元核心控制单元监控系统外部通讯双馈型风力发电机驱动控制变流器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（0.85MW至3.8MW）•一类应用于永磁同步电机且无齿轮箱的ACS800-77系列（0.8MW至6MW）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FERCOrder661二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AMSCWindtec（美国苏州）二风电变流器及产业概况美国超导公司AMSCWindtec（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AMSCWindtec（美国苏州）WindtecPM3000W技术参数一览表SpecificationsNominalACVoltage:690VACNominalDCBusVoltage:1150VDCMax.TransientDCBusVoltage:1400VDCPWMSwitchingFrequency:3kHzMax.ContinuousACPhaseCurrent:750A二风电变流器及产业概况美国超导公司AMSCWindtec（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-MX1H・3kV级：200～2500kW・6kV级：400～5000kW・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-MX1S6KV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45１５００KVA/３．３KV功率单元变压器冷却风机控制单元尺寸W３４００＊H２４００＊D１２００重量：５３００Kg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Multibrid5MW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设计三超大功率风电变流器方案1.8MVA,4QTHESWITCH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%;*CostOfEnerg