风电场电气工程 第8章 风电场中的电力电子设备
风电场中的电气设备选择探析
风电场中的电气设备选择探析一、风电场电气设备的概述风电场的电气系统由一次系统和二次系统组成。
电气一次系统用于电能的生产、变换、分配、传输和消耗，对一次系统进行测量、监视、控制和保护的系统称为电气二次系统。
风电场电气一次系统和电气二次系统是由具体的电气设备构成的。
构成电气一次系统的电气设备称为一次设备，构成电气二次系统的电气设备称为电气二次设备。
一次设备是构成电力系统的主体，它是直接生产、输送、分配电能的电气设备，包括风力发电机组、变压器、开关设备、母线、电抗、电容、互感器、电力电缆和输电线路等。
二次设备通过CT、PT同一次设备取得电的联系，是对一次设备的工作进行监测、控制、调节和保护的电气设备，包括测量仪表、控制及信号器具、继电保护和自动装置等。
二.风电场的电气设备选择电气设备是在电力系统中对发电机、变压器、电力线路、断路器等设备的统称，各种不同型号的电气设备组合起来，推动了电力系统运行效率的提升。
选择电气设备时，必须根据选定的接入电力系统方式和电气主接线方案，计算短路电流并根据短路电流选择，主要电力设备包括：箱式变压器、无功补偿装置、35kV配电装置、主变压器、110/220kV高压配电装置等设备。
箱式变有欧式变与美式变之分。
欧式变占地面积大，造价略高，但维护检修方便，美式变占地面积小，造价低，维护检修较复杂，选用时可根据实际情况选择。
选择箱变容量时需考虑风机过负荷发电的情况，一般1500kW风力发电机选用1600kVA变压器即可满足要求。
目前风电场升压站无功补偿装置常见有SVC和SVG两种。
SVC占地面积较大，但目前技术已经十分成熟，价格也较低。
从原理上来说，SVG性能更好，且占地面积小，但目前国内技术尚不成熟，只有几家企业可以生产，关键部件需要进口，生产周期较长，价格远超同等容量SVC（以10Mvar无功补偿装置为例，SVG报价280万，MCR-SVC报价160万，TCR-SVC报价180万）。
风电场设备概述
风电场设备概述一、油浸式变压器风电场共装设变压器35台油浸式变压器。
其中110kV主变一台，运行于110kV Ⅰ母，用于将风电场电压升至110kV并入国投220kV风电汇集站；35kV箱式变压器33台，运行于35kV母线Ⅰ母，用于将风电机组出口电压升压至35kV汇集至35kV集电线路SVG。
35kVSVG补偿变1台，用于将35kV降压至10kV供SVG静止型动态无功发生装置。
二、干式变压器风电场共装设变压器2台干式变压器。
35kV/400V站用变一台，运行于110kV 1号主变35kVⅠ母，用于将35kV电压降至400V供风电场设备生活用电；35kV接地变压器一台，运行于110kV 1号主变35kV母线Ⅰ段，用于从110kV 1号主变低压侧引出中性点，供35kV线路保护用。
三、高压断路器本电场户外高压断路器主要分为2台110kV SF6断路器、1台35kV SF6断路器和5台35kV真空断路器，110kV SF6断路器型号规格为LW36-126(W)/T3150-40(H)，生产厂家为江苏如高高压电器有限公司；35kV SF6断路器型号规格为SFM-40.5，生产厂家为四川宝光电器设备有限公司；35kV 真空断路器型号规格SDQV-40.5，生产厂家为四川宝光电器设备有限公司。
四、隔离开关本电场户外隔离开关主要分为110kV 隔离开关和35kV隔离开关及10kV 隔离开关，110kV 隔离开关型号规格分别为双柱水平旋转式GW4A-126，生产厂家为江苏如高高压电器有限公司；35kV 隔离开关型号规格双柱水平旋转式GW4-35/630，生产厂家为江苏如高高压电器有限公司；10kV 隔离开关型号规格双柱水平旋转式GW4-12DW/1250-Ⅳ。
五、避雷器本电场避雷器主要分为110kV避雷器和35kV避雷器，110kV 避雷器型号规格分别Y10W-102/266W、Y1.5W-72/186W（1号主变高压侧中性点避雷器）；35kV 避雷器型号规格分别ZH-TBP-35、YH5WZ-51/134（800A）六、高压开关柜本电场高压开关柜型号规格为KYN61-40.5，生产厂家为江苏大全长江电器股份有限公司。
风力发电中电力电子技术的应用
风力发电中电力电子技术的应用摘要：电力电子技术的应用与风力风电技术的发展息息相关，在许多环节中都扮演着比较重要的角色，它已经成为了风力能源发电向前发展不可缺失的一部分。
风能源发电尽管初期由于技术上的不完善，存在着诸多的问题，当随着现在科技的不断发展，风力发电事业也不断的发展扩大，甚至成为当前社会电能的主要来源，作为一种可持续发展的能源，在未来的发展中无疑具有无限的拓展空间。
望我国持续的创新发展新能源，开拓出更多可以持续利用的能源，把它们应用于人们生活的方方面面，造福于社会，推动祖国经济事业的又快又强发展。
关键词：风力发电；电力电子；技术应用1风力发电基本概述风力发电是指将风的动能转化为电能，从而为国家电力系统提供大量稳定的电能。
风力发电能够充分利用风能这种清洁的可再生能源，并且可以产生能量巨大的电能，有着足够替代火力发电、水力发电、核能发电的潜力。
实际上，风力资源作为可再生能源，不但具有清洁、无污染的特性，更是能够通过风力发电产生巨大的电能。
据估算，如果能充分利用风能进行发电，其发电量几乎是全世界水力发电量的 10 倍。
风力发电机主要可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两种。
但是，风力发电也存在一些不容忽视的缺点，包括占用大片土地，对地区风力资源要求高，建设应用成本高等.2国内风力发电现状2.1我国风能资源丰富我国幅员辽阔，陆地边疆总长超过 2万公里，海岸线总长也在 1.8 万公里以上，据气象部门的调研资料显示我国风能资源丰富，仅可供开发利用的陆地风能资源便高达 253GW，而可供开发利用的海洋风能资源更是陆地风能资源的 3 倍之多。
可以说从东南沿海到西北川藏、青藏高原地区，都蕴藏了丰富的风能资源。
据统计，年平均风速在 6m/s 以上地区占我国国土总面积的 l%，风能资源极其丰富，位居世界第三（第一、二名分别为美国、俄罗斯）。
2.2国内风力发电发展迅猛早在 2009 年我国新增风能发电项目及发电量已经稳居世界第一位，近年来更是一直保持较高的发展速度，仅 2010 到2012 两年时间内，我国便有 20 座风电场相继建成，并且每座风电厂的发电能力都在 100MW以上。
电气工程中的电力电子设备与应用
电气工程中的电力电子设备与应用电力电子设备是电气工程领域中重要的组成部分，它们在能源转换、电力传输和变换等方面起着至关重要的作用。
本文将介绍电力电子设备的基本概念、常见类型以及其在电气工程中的应用。
一、基本概念电力电子设备是指利用电子器件来对电能进行转换、控制和调节的设备。
其核心元件通常是半导体器件，如二极管、晶闸管和功率场效应管等。
通过控制和调节这些器件的导通和截断状态，可以实现对电能的调节和转换。
二、常见类型在电力电子设备中，常见的类型包括整流器、逆变器、交流调压器、变频器等。
1. 整流器整流器是将交流电转换为直流电的装置。
通常，整流器由可控晶闸管或二极管等器件构成。
它们具有单相或三相输入和直流输出的特点，被广泛应用于电源供应、电动机驱动以及电压调节等领域。
2. 逆变器逆变器是将直流电转换为交流电的装置。
逆变器可以输出不同频率、不同电压和不同形式的交流电。
它们主要用于太阳能发电系统、风力发电系统和UPS（不间断电源）等应用中。
3. 交流调压器交流调压器可以实现电网电压的调节，使其保持在所设定的范围内，以保护电气设备的安全运行。
交流调压器通常由半导体功率器件和控制电路构成，广泛应用于电能质量改善、液晶显示器和电力电子变压器等领域。
4. 变频器变频器是通过改变电源频率来控制电机转速的装置。
它通常由整流器、逆变器和中间直流环节组成。
变频器广泛应用于交流电机驱动、电梯调速、轨道交通以及空调等领域。
三、电力电子设备在电气工程中的应用电力电子设备在电气工程中有着广泛的应用。
以下是一些常见应用场景：1. 可再生能源发电系统如太阳能发电和风力发电系统，这些系统中需要将直流电能转换为交流电能，以便对接到电网上。
逆变器在这些系统中起到关键作用。
2. 电力传输在远距离的电力传输中，通过采用高压直流输电（HVDC）技术，可以有效地减小传输损耗。
直流换流器作为核心设备，实现了交流电到直流电的转换，并确保电能稳定传输。
风机发电机中电力电子技术应用
风机发电机中电力电子技术应用一、风机发电机系统的基本构成风机发电机系统由风机、转子、发电机、逆变器和电网等组成。
风机负责将风能转化为机械能，转子将机械能转化为电能，发电机将电能转化为直流电能，逆变器将直流电能转化为交流电能，最后将交流电能输入电网。
1. 变频调速技术变频调速技术是风机发电机系统中最常见的电力电子技术应用之一。
通过逆变器将直流电能转化为交流电能，可以实现对转子的电力调节，从而实现风机的调速控制。
变频调速技术能够实现对风机转速的平稳控制，提高风机的工作效率。
2. MPPT技术最大功率点跟踪（MPPT）技术是提高风能利用效率的重要手段之一。
MPPT技术通过电力电子逆变器对风机输出功率进行在线监测和调节，以实现风机在不同风速下的最佳匹配，从而确保风机发电机组的最大功率输出。
MPPT技术能够有效提高风机发电机组的发电效率。
3. 无刷电机技术无刷电机技术是一种更先进的发电机技术，其通过电力电子技术实现对发电机的驱动控制。
与传统的刷电机相比，无刷电机由于没有刷子和滑环，具有结构简单、寿命长、效率高等优点。
无刷电机技术能够提高风机发电机组的可靠性和稳定性。
4. 并网逆变技术并网逆变技术是将风机发电机组的输出电能与电网进行连接的关键技术。
逆变器在这一过程中起到了重要的作用，它能够将直流电能转化为交流电能并输送至电网，实现风机发电机组和电网的互联。
并网逆变技术能够确保风机发电机组的电能输出稳定、可靠。
5. 无线通信技术随着无线通信技术的快速发展，其在风机发电机组中的应用也得到了拓展。
无线通信技术可以实现对风机发电机组的远程监控和控制，对发电机组的运行状态、发电功率等进行实时监测和调节，提高管理的灵活性和效率。
1. 灵活性强。
电力电子技术能够实现对风机发电机组的精确控制和调节，提高了系统的灵活性和可调性。
2. 节能效果显著。
电力电子技术可以实现对风机发电机组的功率调节和发电效率的提高，从而降低能耗和运行成本。
风电场电气系统(朱永强)第8章_电力电子
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PWM波形 调制法 生成方法 跟踪控制法
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风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§8.2 风电机组并网换流器
8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
朱永强， zyq@ 华北电力大学 电气与电子工程学院
风电场电气系统
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风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§8.3 无功补偿与电压控制装置
8.3.1 风电场的无功和电压控制需求
8.3.2 静止无功补偿器(SVC)
8.3.3
静止同步补偿器(STATCOM)
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.3 无功补偿与电压控制装置 § 8.3.1 风电场的无功和电压控制需求
风电场电气系统
制作人：朱永强, 田军
华北电力大学
风电场中的电力电子 技术
§8 风电场中的电力电子技术
8.1 电力电子技术基础
8.2 风电机组并网换流器 8.3 无功补偿与电压控制装置
风电场电气系统
2
风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.1 电力电子技术简介
模拟电子技术
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.4 PWM控制
图8-7 用矩形脉冲序列等 效正弦波形
风力发电课件--电气系统1讲解
风力发电机组输出的电能经由特定电力线路送给用户或接入电 网。 风力发电机组与电力用户或电网的联系是通过风电场中的电气 部分得以实现的。
风电场电气系统
风电场和电气部分的基本概念
§1.2 风电场的概念
风电场是在一定的地域范围内由同一单位经营管理的所有风力 发电机组及配套的输变电设备、建筑设施、运行维护人员等共 同组成的集合体。 选择风力资源良好的场地，根据地形条件和主风向，将多台风 力发电机组按照一定的规则排成阵列，组成风力发电机群，并 对电能进行收集和管理，统一送入电网，是建设风电场的基本 思想。
风电场电气系统
风电场和电气部分的基本概念
第1章 风电场和电气部分的基本概念
关注的问题 风电场的基本概念，电气和电气部分的概念； 电气部分的一般组成有哪些？各部分的作用是什么？ 电气部分的图形表示法 教学目标 了解风电场的基本概念和风电场电气部分的含义， 初步理解和掌握电气部分的大致构成及表示方法， 尤其是重要电气设备及其图形符号。
1. 能量转换过程
燃料的化学能→热能→机械能→电能
2. 火力发电厂三大主机
锅炉 汽轮机 发电机
3. 火力发电厂分类
凝气式火力发电厂，生产过程示意图见1-1 热电厂
风电场电气系统
风电场和电气部分的基本概念
▉ 火力发电厂— 凝汽式火电厂生产过程示意图
风电场电气系统
风电场和电气部分的基本概念
▉ 水力发电厂
发电厂中的发电机是一般意义上的电源，它将其他能源转化为 电能，如：煤炭、石油、水能、风能、太阳能、地热、潮汐等。 电能无法由自然界直接获取，是一种二次能源，那些存在于自 然界可以直接利用的能源被称为一次能源。 发电厂中发电机生产的电能一般需要经过变压器升高电压后送 入其所在电网中。 电能由电网输送到用户所在地，经降压后分配给最终的用户。 在电能生产到消费之间需要由电能可以传导的路径，由于一定 区域内发电厂和用户的分布非常复杂，因此这一路径自然形成 了网状结构，即所谓的电网，电能由发电厂生产出来以后在电 网中根据其结构按照物理规律自然分配。
电力电子技术在风电场中的应用
电力电子技术在风电场中的应用随着世界各国对环保意识日益提高以及能源危机的威胁，风力发电已经成为了一种受到欢迎的能源选择。
与传统的火力发电相比，风力发电具有环保、清洁、可再生的特点，同时也避免了对石油等化石燃料的过度依赖。
风力发电的核心就是风力发电机，而电力电子技术在风力发电机中的应用则成为了风力发电水平的重要标志。
风力发电机所涉及的电力电子技术主要有三个方面：首先是转换控制技术，其次是直流输电技术，最后是功率质量控制技术。
转换控制技术在风力发电机中，转换控制技术是最基本的。
因为这项技术被用来控制发电机转子的速度和输出的电压等电信号。
通过对风力发电机的电压、电流和功率进行调节，控制转子的转速。
其中最主要的控制参数就是无刷直流电机的转速、电磁转矩、转化效率以及电阻损失等。
直流输电技术直流输电技术被广泛应用于风力发电机的转换系统中。
这项新技术有效地解决了交流系统中输电线路电流的浪费问题。
在交流输电时，高电压线路需要通过变压器将电压降低，然后再经过输电线路传输。
但是，这种传输方式会导致线路损耗增大，电能转化效率降低。
而直流输电则通过将直流电源与电力线路相连接，实现了更高效的输电，让电能损失降低到了一定的程度。
功率质量控制技术风电场中会发生各种异常，如风速的快速变化、暴风雨等，这会影响到风力发电机的输出功率，并且容易产生电能混沌以及电网的传输失真问题。
在这样的情况下，我们需要对风力发电机的功率质量进行控制。
这项技术主要通过电流和电压调节器的设计来实现。
通过传感器、计算机控制器和反馈控制回路，能够有效地控制电流和电压的输入输出，保证发电系统的稳定性、可靠性和安全性。
总的来说，电力电子技术的应用使得风力发电成为了一项高效可靠的能源选择。
因为它可以更好地控制发电机的输出功率，从而避免了发电机过载和不能输出的情况。
同时，电力电子技术的应用也可以提供更好的电力传输方案，让电能损失降低到最小。
未来，随着电力电子技术的不断发展，风电场的输出效率将更加高效，且更加安全可靠。
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电机组额定功率的30％左右，体积和重量较小，因而具有 较低的成本。直驱型系统需要全功率变流器，即变流器的 容量需要按风电机组额定功率设计，体积和重量大，因而 具有较高的成本。 ❖ （2）结构 ❖ 直驱式风电系统的变流器接于定子绕组与电网之间，功率 输送是单向的，即只能从发电机定子绕组流入电网。因此 可以考虑采用低成本的不控或半控器件。
风电场电气工程 第8章 风电场中的电力电子设备
风电场中的电力电子 技术
第8章 风电场中的电力电子技术
❖8.1 电力电子技术基础 ❖8.2 风电机组并网换流器 ❖8.3 无功补偿与电压控制装置
风电场电气工程
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.1 电力电子技术简介
1. 电子技术
模拟电子技术
信息电子技术
数字电子技术
电力电子技术
应用于电力领域，即使用 电力电子器件对电能进行 变换与控制
2. 电力
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交流电（常用） 直流电（不常用）
火电厂、水电站、风电机组； 各种电动机
太阳能光伏发电 ； 电铁的牵引机车
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.1 电力电子技术简介
3. 电力电子 设备作用
交流电
直流电
转换
电压频率
电压频率
电源
输配电网
用电设备
转换
转换
无功补偿、电压控制
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.1.2 电力电子器件
电真空器件
电力电子器件
不可控器件：电力二极管（Power Diode）
半导体器件 半控型器件：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 绝缘栅双极晶体管（IGBT）
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风电场中的电力电子 技术
§8.3 无功补偿与电压控制装置
8.3.1 风电场的无功和电压控制需求
8.3.2 静止无功补偿器(SVC)
8.3.3 静止同步补偿器(STATCOM)
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.3 无功补偿与电压控制装置 § 8.3.1 风电场的无功和电压控制需PWM波形 生成方法
调制法
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跟踪控制法
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风电场中的电力电子 技术
§8.2 风电机组并网换流器
8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
8.2.3 无刷双馈式机组的并网换流器
8.2.4 风电机组并网换流器的总结
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全控型器件 电力场效应晶体管（MOSFET）
门极可关断晶闸管（GTO）
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.1.3 变流技术
实现 整流：交流变直流（AC-DC）
整流器
电力变换
实现 逆变：直流变交流（DC-AC）
实现 斩波：直流变直流（DC-DC）
逆变器 直流斩波器
实现 变压、变频、移相：交流变交流（AC-AC）
❖ 其容量也仅为发电机容量的一小部分，类似于交流励磁双 馈式风电机组的并网换流器。除了可实现变速恒频控制， 降低变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控 制，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了成本，又 提高了运行的可靠性。
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§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.4 风电机组并网换流器的总结
变压器、变频器 移相器
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§ 8.1.4 PWM控制
PWM控制的理论基础是面积等效原理， 即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时， 其效果基本相同。 这里所说的冲量，是指窄脉冲在时域波形图上的面积；效 果基本相同，是指惯性环节的输出响应波形基本相同。
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器
图8-12 带有并网换流器的直驱式风电机组示意图
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§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器
(a) 发电机侧为不可控整流 (b) 发电机侧为可控整流
(c) 发电机侧为不可控整流＋Boost升压 图8-13 直驱式风电机组并网换流器的常见设计方案
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§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
图8-14 交流励磁双馈式风电机组结构示意图
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§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.4 风电机组并网换流器的总结
❖ 交流励磁双馈式风电系统的变流器，连接于电网与可控励 磁电流所在的转子绕组之间。
❖ 无刷双馈式风电系统的变流器，连接于电网与可控励磁电 流所在的定子控制绕组之间。
❖ 以上两种双馈式系统，变流器中的功率流动都要求是双向 的，因此要求按双向变流器设计，即两侧变流器都应采用 全控器件，实现双PWM控制。
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§ 8.1.4 PWM控制
图8-7 用矩形脉冲序列等 效正弦波形
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图8-8 正弦波的两种PWM波形
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§ 8.1.4 PWM控制
计算法：特定谐波消去法（SHE-PWM, Selective Harmonics Elimination）
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.3 无刷双馈式机组的并网换流器
❖ 无刷双馈式风力发电机组，其定子有两套极数不同的绕组， 一个称为功率绕组，直接连接电网；另一个称为控制绕组， 通过双向换流器连接电网。其作用分别相当于交流励磁双 馈发电机的定子绕组和转子绕组，并网换流器也要求是双 向换流器。
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
❖ 双向换流器的电网侧和电机侧两个部分，都用可控器件实 现，均采用PWM控制方式，因此又称为双PWM变流器。双 PWM变流器的主电路结构如图8-15所示。
图8-15 双PWM型变换器主电路结构图
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