風電變流器是風力發電中不可或缺的環節，是通過整流、逆變原理將不穩定的風電變換成為電壓、頻率、相位符合并網要求的電能的控制裝置。在風力發電設備中，風電變流器是目前風力發電機組不可缺少的能量變換單元。風電變流器不僅提高了機組效率，而且對于機組并網、電網安全穩定運行起到了良好作用，每一套新增風機均需要配備一套風電變流器。

定義

風電變流器是雙饋風力發電機中，加在轉子側的勵磁裝置。其主要功能是在轉子轉速n變化時，通過變流器控制勵磁的幅值、相位、頻率等，使定子側能向電網輸入恒頻電。包括功率模塊、控制模塊、并網模塊。

同時，風電變流器是專門應用于風力發電系統的電力電子設備，將風力發電機產生的不穩定電壓、頻率和相位的交流電（AC）轉換為穩定且滿足電網要求的交流電或者直流電（DC）輸出。同時根據風速大小適應發電機轉速，使風機實現最佳風能捕獲。

發展歷程

20世紀80年代，風力發電技術開始受到全球關注，風電變流器的發展可追溯到此階段；

1986年，我國第一座陸上風電場成功并網發電，揭開了我國風電從無到有的發展大幕。在逐漸走向成熟的同時，風電技術關鍵設備方面國產化的水平明顯提高（2009年前后，風電變流器開始進入國產化替代階段）；

21世紀，隨著全球對可再生能源的需求不斷增加，風電變流器行業得到了快速發展；

2000年至2010年間，風電裝機容量的大幅增長，推動了風電變流器市場的擴大。此階段，風電變流器性能得到顯著提升的同時逐漸降低了成本；

2010年至2020年間，風電變流器行業進入成熟期。此階段，全球范圍內風電項目越來越多，風電變流器市場規模持續擴大。風電變流器產品開始向多樣化和定制化方向發展，效率和可靠性也得到進一步提升。

結構組成

風電變流器主要由以下部件組成：

功率模塊：功率模塊是變流器的核心部件，由IGBT、GTO等半導體器件組成，用于進行電力轉換。

控制系統：控制系統用于控制變流器的運行，包括電壓、電流、頻率等參數的控制。

冷卻系統：冷卻系統用于冷卻變流器內部的熱量。

保護系統：保護系統用于保護變流器在發生故障時的安全。

（資料圖：禾望電氣雙饋變流器-690V-風冷機型）

功能

1、變流器通過對雙饋異步風力發電機的轉子進行勵磁，使得雙饋發電機的定子側輸出電壓的幅值、頻率和相位與電網相同，并且可根據需要進行有功和無功的獨立解耦控制。

2、變流器控制雙饋異步風力發電機實現軟并網，減小并網沖擊電流對電機和電網造成的不利影響。

3、變流器提供多種通信接口，如Profibus, CANopen等（可根據用戶要求擴展），用戶可通過這些接口方便的實現變流器與系統控制器及風場遠程監控系統的集成控制。

4、變流器配電系統提供雷擊、過流、過壓、過溫等保護功能。

5、變流器提供實時監控功能，用戶可以實時監控風機變流器運行狀態。

6、變流器可根據海拔進行特殊設計，可以按客戶定制實現低溫、高溫、防塵、防鹽霧等運行要求。

工作原理

風電變流器主要由整流器、逆變器和濾波器組成：

整流器：整流器將風力發電機產生的交流電轉換成直流電，就像將交流整流成直流一樣。

逆變器：逆變器將直流電轉換成與電網頻率、電壓相符的交流電，就像將直流電轉換成交流電一樣。

濾波器: 濾波器用于消除整流和逆變過程中產生的諧波，就像凈化水一樣，將電網中的諧波凈化掉。

運行特征

高電壓、大電流：風電變流器承受著高電壓、大電流的沖擊，相當于承受著高壓水流的沖擊，因此其元器件必須具有良好的耐壓和耐流能力。

諧波污染：變流器在運行過程中會產生諧波，就像水流中混入了雜質一樣，會污染電網，影響電網的安全運行。

復雜環境：風電變流器通常安裝在風機頂部，環境惡劣，相當于在沙漠或戈壁灘工作，因此其防護等級必須很高。

類型

風電變流器可以基于不同的分類標準進行區分。

按拓撲結構：可分為雙饋型變流器、全功率變流器、中壓風電變流器等；

按控制方式：可分為PWM型變流器、多電平型變流器和直接轉換型變流器；

按連接方式：可分為單相變流器、三相變流器、并網型變流器和離網型變流器；

按應用場景：可分為地面風電場變流器、海上風電場變流器、儲能系統接入變流器和分布式風能應用變流器；

按功率級別：可分為低功率（＜100kW）變流器、中功率（100-1000kW）變流器和高功率（＞1000kW）變流器。

技術特點

（一）雙饋變流器技術特點：

雙向功率流：實現風力渦輪機和電網之間的雙向能量傳輸，提高系統的靈活性和可控性。

部分功率轉換：將部分風力渦輪機功率通過轉子傳遞到電網，降低了對變流器的功率需求，降低成本。

較小的容量：相較于傳統的全功率變流器，雙饋變流器具有較小的容量，降低了成本，并減少對稀有材料的需求。

提高的電壓質量：通過在轉子側引入變頻器，實現對轉子電壓和頻率的控制，提高電壓質量和電網穩定性。

（二）全功率變流器技術特點： 

全功率轉換：將整個風力渦輪機的功率通過變頻器傳輸到電網，提高系統的效率和發電能力。

高效率：利用高效的功率器件和先進的控制策略，最大限度地提高能量轉換效率，降低能量損失。

高穩定性：具備更高的抗干擾能力和電網適應性，穩定地將電力注入電網，提高系統的可靠性和可控性。

網絡支持功能：提供無功功率控制和電壓/頻率調節等功能，增強電網穩定性和可靠性。

常見故障現象

風電變流器常見的故障現象包括：

（1）功率模塊損壞：就像水泵損壞，會導致變流器無法正常進行電力轉換。

（2）控制系統故障：就像水閘損壞，會導致變流器無法正常控制電壓、電流等參數。

（3）冷卻系統故障：就像水箱漏水，會導致變流器內部溫度過高，影響其運行。

（4）保護系統故障：就像保險絲熔斷，會導致變流器無法在發生故障時及時保護自身。

故障檢查和維修方法

1. 功率模塊損壞

檢查功率模塊的電壓、電流、溫度等參數。

使用功率模塊測試儀進行檢測。

更換損壞的功率模塊。

2. 控制系統故障

檢查控制系統的軟硬件是否損壞。

使用控制系統測試儀進行檢測。

重新編程或更換損壞的控制系統部件。

3. 冷卻系統故障

檢查冷卻系統的風扇、水泵、管道等部件是否損壞。

清理冷卻系統內部的灰塵和污垢。

更換損壞的冷卻系統部件。

4. 保護系統故障

檢查保護系統的設置是否正確。

測試保護系統的動作是否可靠。

調整或更換保護系統部件。

未來發展趨勢

在雙饋和全功率變流器技術的基礎上，未來變流器的發展趨勢將集中在以下幾個方向：

1、高頻化

通過提高變流器的開關頻率，使其更加緊湊、輕便，具備更高的響應速度和更精確的電力控制。研究人員正致力于研究新型開關器件和電磁干擾抑制技術，以提高系統效率和可靠性。

2、模塊化設計

將變流器設計為模塊化結構，以提供靈活、可擴展、易于維護和升級的解決方案。研究人員將進一步探索新型模塊結構、模塊間通信技術和可重組模塊組件，以實現更高級別的靈活性和可配置性。

3、新型功率器件應用

研究人員正在積極探索碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新型功率器件的應用，這些器件具有更高的開關速度、更低的功耗和更高的溫度耐受性。進一步研究將推動其在變流器中的更廣泛應用，提高系統效率和可靠性。

4、智能控制與管理

通過引入先進的控制算法、智能化監測技術和遠程通信能力，變流器能夠實現自適應控制、故障診斷和優化運行。研究人員將進一步研究智能控制與管理系統的可靠性、安全性和通信技術，實現更高級別的自主運行、智能優化和網絡集成。

5、多能源互聯

隨著可再生能源的不斷發展，將風能、太陽能和能量儲存系統等多個能源整合在一起，實現能源互補和協同管理。研究人員將進一步研究多能源互聯技術的互操作性、能量流調度和智能能源管理，推動可再生能源系統的可持續發展和能源供應的可靠性。

代表企業

禾望電氣

深圳市禾望電氣股份有限公司專注于新能源和電氣傳動產品的研發、生產、銷售和服務，主要產品包括風力發電產品、光伏發電產品、儲能產品、制氫電源產品、電能質量產品、電氣傳動產品等，擁有完整的大功率電力電子裝置及監控系統的自主開發及研發實力與測試平臺。公司通過技術和服務上的創新，不斷為客戶創造價值，現已成為國內新能源領域最具競爭力的電氣企業之一。

在新能源領域，禾望產品系列覆蓋國內750kW~30MW風電變流器、5kW~3.125MW光伏逆變器及1.0MW~6.25MW箱逆變一體機等主流機型。

風電產品：新一代風冷雙饋變流器、中壓全功率變流器-3300V、全功率變流器-900V/950V/1140V、全功率變流器-690V、雙饋變流器-950V/1140V-水冷機型、雙饋變流器-950V/1140V-風冷機型、雙饋變流器-690V-水冷機型、雙饋變流器-690V-風冷機型。

（資料圖：禾望電氣新一代風冷雙饋變流器）

陽光電源

陽光電源股份有限公司是一家專注于太陽能、風能、儲能、氫能、電動汽車等新能源電源設備的研發、生產、銷售和服務的國家重點高新技術企業。主要產品有光伏逆變器、風電變流器、儲能系統、水面光伏系統、新能源汽車驅動系統、充電設備、可再生能源制氫系統、智慧能源運維服務等，并致力于提供全球一流的清潔能源全生命周期解決方案。

風電變流器產品：雙饋風電變流器、全功率風電變流器、中壓風電變流器。

（資料圖：陽光電源雙饋-1140V-5/6/8/10MW）

海得新能源

浙江海得新能源有限公司擁有風機變槳、變流和主控控制的核心技術、完整的知識產權系列產品和行業解決方案。力爭成為世界一流的新能源領域電控系統及設備的專業生產企業！

風電產品：

雙饋變流器：1.5MW~3.6MW雙饋風冷變流器、2.0MW雙饋風冷變流器、2.0MW雙饋液冷變流器、2.5MW雙饋風冷變流器、3.0MW雙饋風冷變流器、3.6MW雙饋風冷變流器

全功率變流器：850KW全功率風冷變流器、1MW全功率液冷變流器、1.5MW全功率液冷變流器、2.0MW全功率液冷變流器、2.5MW全功率液冷變流器、3.0MW全功率液冷變流器、4.0MW全功率液冷變流器、5.0MW全功率液冷變流器、6.0MW全功率液冷變流器、7.0MW全功率液冷變流器、8.0MW全功率液冷變流器

（資料圖：海得新能源1.5MW雙饋風冷變流器）

日風電氣

浙江日風電氣股份有限公司原為浙江日風電氣有限公司，公司于2015年7月由有限責任公司整體變更設立為股份有限公司。日風電氣成立于2008年，是浙江潤豐能源集團有限公司的控股子公司。

日風自主研發的風電變流器低電壓穿越測試平臺，成為浙江省最具規模的風電變流器實驗平臺，該平臺于2011年通過了中國電力科學研究院低電壓穿越認證測試。

主營產品：1.5MW、2.0MW、2.5MW、3.0MW雙饋式風力發電變流器、2.0MW-5.5MW直驅式風力發電變流器。

（資料圖：日風電氣3-3.4MW雙饋風冷機型）

維諦技術（Vertiv）

VERTIV是全球風電機組用變流器完整解決方案提供商，為全球客戶提供量身定制的解決方案，以滿足每個項目的要求。我們提供的風電機組變流器已經廣泛的使用在全球主要風電發展國家，覆蓋了海上風電和陸上風電兩大領域，全球并網裝機總量已經達到30GW以上。我們在歐洲、亞洲擁有生產設施和服務代表處及備件中心，為您提供更高效和專業的支持和服務。

Wintrust雙饋變流器及其選配件主要用于雙饋發電機組配套，實現對發電機的變速恒頻控制，獲得更佳的發電效率和發電質量。

（資料圖：維諦技術Wintrust雙饋變流器）

來源綜合自：百度百科、風電電氣設計、碳榕數科、智研咨詢