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上海交通大学蔡旭等:海上风电变流器研究现状与展望

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该文受国家自然科学基金面上项目(51677117)资助。

 

原文发表在《全球能源互联网》2019年第2卷第2期,欢迎品读。

作者:蔡旭1,陈根1,周党生2,张建文1,王琰2,邵昊舒1,王武华2

单位:1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院风力发电研究中心;2. 深圳市禾望电气股份有限公司

文章背景

海上风能资源丰富但海上风电投资大,提升单台风机的容量可以大大提高海上风电的经济效益。作为发电机和电网的接口,风电变流器是风电机组中的关键设备,是机组电气性能、变换效率、可用度的主要决定因素之一,是整个风力发电系统并网性能的核心。因此,在海上风电变流器向着10MW级以上超大容量化发展的同时,其运行效率、可靠性、可用度和并网性能方面都必须满足更高的要求。

海上风电变流器最新研究进展分析

为满足大容量海上风电机组运行效率可靠性可用度并网性能的严苛要求,海上风电变流器呈现出大容量化、全功率变换、多机并联等技术发展趋势。本文针对上述4个方面性能的提升技术,综合评述了海上风电变流器的最新研究现状和发展趋势。

1、运行效率提升技术

① 提高风电变流器的效率,可以采用高效率变换拓扑、宽禁带器件替代传统的硅器件、PWM调制优化、有源阻尼控制、中压功率变换等方法。

②充分利用并联型变流器的结构特点,在波动功率下通过动态分配并联系统内各个变换器的实际运行功率,来提高并联型变换器的运行效率。

2、可靠性提升技术

① 变流器的可靠性由其拓扑结构的可靠性和功率器件的可靠性共同决定。热应力引起的机械疲劳是模块失效的主要原因,因此通过降低IGBT等开关器件电热应力波动的控制策略是提高变流器可靠性的手段。

② 由于风电的随机性、波动性,IGBT结温长期处于剧烈波动状态,常规电力电子设备可靠性评估方法和提高技术措施已无法满足风电变流器实际高可靠性要求,国内外针对风电变流器设计阶段的寿命评估、运行阶段的在线监测和状态控制等方面已开展大量研究。

③ 海上风电变流器均采用封闭式全水冷的高防护等级柜体设计,温度场空间分布不均匀会引起凝露现象,对变流器运行造成危害,还需考虑采用加热、除湿或者主动热控制方法以防止功率突降时凝露发生。

3、可用度提升技术

① 当变流器处于故障工况时,通过容错控制使风电机组继续运行直至维修,减少意外故障造成的被动停机,是提升海上风电机组可靠性的主要途径。容错控制的总体性能取决于故障诊断和隔离的速度和精度。

② 冗余配置变流器系统可分为开关级、桥臂级、模块级和系统级共4级冗余,在变流器发生故障后,通过隔离和切换控制,通常可保持性能不变。而对于无硬件冗余变流器系统,利用双向开关连接背靠背变流器两侧变换器的同相桥臂,通过共用桥臂实现容错控制,需要降功率运行。

③ 并联变流器系统故障后的高效容错控制、无冗余硬件条件下的容错控制、多故障下的重构控制,均是当前研究的热点。

4、电网支撑能力提升技术

① 在高比例电力电子发电设备并网背景下,风电机组应具备惯量响应能力已基本达成共识。目前主流的风电机组虚拟惯量控制的方式之一是在机组主控制器中增加反映电网频率变化的附加功率,另一个研究方向是风电变流器的电压源型控制。

② 风电机组的虚拟惯量控制可能导致频率的二次跌落、系统性振荡等问题,也是当前研究热点。

③ 传统投入crowbar解决低电压穿越方案,将带来转子变流器闭锁、控制性能下降问题,采用超级电容器储能、直流chopper、协调控制等综合设计,可实现机组在各种故障穿越过程中的动态控制时,进一步提高对电网的主动无功功率支撑能力。

海上风电变流器技术展望

● 采用两电平或三电平变换器并联组成的变流器是海上风电变流器的主流结构,容量将从多MW级进入10MW级。

● 高压大容量并联系统的运行控制、容错和重构可有效提高变流器系统的效率和可用度。

● 伴随高压大电流宽禁带器件的技术突破,采用模块化多电平或级联多电平拓扑的海上风电变流器也将具有可行性。

● 采用控制的方法提高风电机组的发电效率、可靠性、可用性和并网性能是最经济可行的手段,关键技术包括:

♢ 轻载且大幅波动工况下的效率提升

♢ 以容错运行为代表的可利用率提升

♢ 无闭锁故障穿越

♢ 适应风电直流并网的变流器

♢ 以主动阻尼电网频率变化为代表的变流器电网支撑

♢  ……

本文引文信息

蔡旭,陈根,周党生,等. 海上风电变流器研究现状与展望[J]. 全球能源互联网,2019,2(2):102-115.

CAI Xu, CHEN Gen, ZHOU Dangsheng, et al. Review and prospect on key technologies for offshore wind power converters[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2019, 2(2): 102-115(in Chinese).

 研究团队

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上海交通大学风力发电研究中心以蔡旭教授为学科带头人,由9位教师、1位博士后、1位工程师、40余位博士、硕士生组成,发表相关论文300余篇,获70余项国家发明专利授权、已毕业博士生28名。主要研究领域有大功率电力电子与新能源发电、风电直流送出与并网、电池储能功率变换与并网三大研究方向。其中,大功率电力电子与新能源发电研究小组于MW级风电及大型海上风电机组电力变换、多目标优化的主控-变桨-变流协同控制、友好型风电机组并网及风电机组与直流汇聚系统交互等方向,研究小组目前共有博士研究生7人,教师3人。近3年来,本研究小组在风电机组电力变换、多目标协同优化控制、友好型并网等方向发表论文30余篇,申请发明专利20余项。与南网科研院、中国电科院、全球能源互联网研究院、甘肃风电研究中心、禾望电气、上海电气、华锐风电、金风科技、FUJI电机、挪威NTNU和加拿大SFU等大学和科研机构在风电变流器及整机控制领域建立了广泛的合作关系。

作者简介

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蔡  旭

博士,教授,博士生导师

上海交通大学电气工程系教授,博士生导师,上海交通大学能源研究院副院长、风力发电研究中心主任,中国电机工程学会高级会员,中国电源学会高级会员,中国电机工程学会直流输电专委会、电力系统专委会委员。主要研究方向为大功率电力电子、风电机组电气控制、轻型直流输配电、大容量电池储能接入系统、可再生能源并网技术、电能质量治理装置等

E-mail:xucai@sjtu.edu.cn

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陈  根

博士

研究方向为大功率风电变流器的高效、可靠控制

E-mail:chengen@sjtu.edu.cn

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周党生

硕士,高级工程师

主要研究方向为新能源发电装备及其控制技术,电机控制及传动系统等

E-mail:zhoudangsheng@hopewind.com

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张建文

博士,副研究员,硕士生导师

主要研究领域为可再生能源功率变换与并网技术、大功率电力电子与电力系统控制

E-mail:icebergzjw@sjtu.edu.cn

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王  琰

硕士研究生

深圳市禾望电气风电产品线总经理,负责公司风电变流器研发工作,主要研究领域为大功率风电变流器和高可靠海上风电变流器

E-mail:wangyan@hopewind.com

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邵昊舒

博士研究生

研究方向为风电接入与并网技术

E-mail:shaohaoshu1208@sjtu.edu.cn

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王武华

硕士

主要研究领域为风电变流器、大功率变频器、电力电子变换装置

E-mail:wangwuhua@hopewind.com

编辑李锡

审核:白恺

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