Как основное устройство преобразования энергии в ветроэнергетической системе, технический принцип работы инвертора ветряной турбины можно свести к следующим ключевым звеньям:
1、 Основы преобразования электрической энергии: Выпрямление и инвертор
Процесс ректификации
Первоначальная электрическая энергия, вырабатываемая ветряными турбинами, - это энергия переменного тока, но частота и напряжение колеблются в зависимости от скорости ветра (смещение частоты ±5 Гц, колебания напряжения 30%). Инвертор сначала преобразует переменный ток в постоянный через неуправляемый выпрямительный мост (например, трехфазную мостовую схему, состоящую из IGBT или тиристоров). Во время этого процесса группа конденсаторов постоянного тока действует как буфер для поглощения колебаний энергии и поддержания стабильного напряжения шины постоянного тока (например, около 1100 В).
Инверторная ступень
Постоянный ток необходимо дополнительно преобразовать в переменный (50/60 Гц), синхронизированный с электросетью. Инвертор преобразует постоянный ток в последовательность импульсов с помощью высокочастотных переключений силовых полупроводниковых коммутационных устройств (например, IGBT), а затем сглаживает их в синусоидальный переменный ток с помощью фильтрующих цепей (например, LC-фильтров). Ключевые технологии включают:
Адаптивный контур с фазовой автоподстройкой (APLL): Благодаря динамической коррекции времени переключения с помощью DSP, погрешность выходной частоты контролируется в пределах ±0,2 Гц для обеспечения синхронизации с электросетью.
Многоуровневая топологическая структура: использование трехуровневой, пятиуровневой или модульной многоуровневой (MMC) технологии для снижения гармоник низкого порядка (например, снижение содержания 3-й и 5-й гармоник более чем на 50%), что делает общие гармонические искажения (THD) менее 1,5%, соответствующими стандартам подключения к электросети.
2、 Двунаправленное управление энергией (на примере устройств с двойным питанием)
Система асинхронного генератора с двойным питанием обеспечивает двунаправленный поток энергии между статором и ротором через инвертор:
Со стороны статора: непосредственно подключен к электросети, вырабатывает энергию частоты и поддерживает регулирование реактивной мощности ± 30% для стабилизации напряжения сети.
Со стороны ротора фазовый угол тока ротора регулируется инвертором для выполнения следующих функций:
Регулирование постоянной частоты вращения: Регулируя частоту тока возбуждения ротора при изменении скорости ветра, выходная частота статора поддерживается постоянной.
Отслеживание точки максимальной мощности (MPPT): оптимизация эффективности сбора энергии ветра в диапазоне скоростей ± 30%.
Низковольтный режим работы (LVRT): Реагирует и поддерживает подключение к сети в течение 150 мс при падении напряжения в сети до 0,6pu (номинальное значение 60%), предотвращая разрушение сети в результате отключения.
3、 Модулирование и технология обхода неисправностей
Модульная архитектура 1+X
Базовый блок имеет мощность 1,5 МВт, которая может быть увеличена до 8 МВт путем параллельного подключения, поддерживая поэтапное строительство и гибкое расширение. Например, блок Zhangbei мощностью 8 МВт, использующий эту архитектуру, обеспечивает эквивалентную полную нагрузку 2860 часов в год, при этом частота отказов составляет всего 0,3 раза в год.
Возможность пересечения неисправностей
Аппаратное резервирование: Ключевые компоненты, такие как IGBT и конденсаторы, имеют резерв N+1 для повышения надежности системы.
Механизм быстрой защиты: в случае перегрузки по току, перенапряжения, перегрева и других неисправностей, цепь отключается в течение 10 мк с для защиты безопасности оборудования.
4、 Подавление гармоник и оптимизация качества электроэнергии
Контроль источника
Оптимизируйте структуру топологии: Используйте многоуровневые инверторы для снижения гармоник низкого порядка.
Модернизируйте алгоритмы управления, такие как пропорциональное резонансное управление (PR), повторяющееся управление и управление с прогнозированием модели (MPC), для точного подавления гармонических токов.
Проактивное управление
Активный фильтр мощности (APF): Обнаружение и компенсация гармонических токов в реальном времени, время отклика ≤ 200 мк с, охватывает от 2-й до 50-й гармоники.
Статический генератор переменного тока (SVG): динамически компенсирует реактивную мощность, подавляя 2-ю - 19-ю гармоники.
Пассивная защита
Пассивный LC-фильтр: предназначен для определенных гармонических частот (например, 3-й и 5-й) для поглощения гармонических токов.
Изолирующий трансформатор: использование Δ/Y или Y/Δ проводки для подавления 3-й и кратных ей гармоник.
5、 Специальная технология адаптации к окружающей среде
Защита от воздействия соляного тумана
Для проекта в приливной зоне Рудонг инвертор прошел антикоррозийную сертификацию C5M, имеет корпус из нержавеющей стали и трехслойное покрытие (влагостойкое, против плесени, против соляного тумана), и может стабильно работать более 20000 часов в условиях соляного тумана.
Адаптация к высокогорью и низким температурам
Высокогорный инвертор: адаптирован к условиям высокогорья и низкого давления благодаря улучшенной конструкции теплоотвода (например, жидкостная система охлаждения) и функции запуска при низких температурах (например, запуск при -40 ℃).
Низкотемпературный инвертор: использование нагревательных модулей и низкотемпературной смазки обеспечивает нормальную работу при температуре окружающей среды -30 ℃.
6、 Интеллектуальные технологии управления и эксплуатации
Интеллектуальная система мониторинга
Мониторинг состояния работы инвертора в реальном времени (например, температуры, напряжения, тока) с помощью датчиков в сочетании с анализом больших данных позволяет прогнозировать неисправности, обеспечивать раннее предупреждение и оптимизировать рабочие параметры.
Платформа для дистанционного управления и обслуживания
Поддержка удаленного конфигурирования параметров, обновления программного обеспечения и диагностики неисправностей для снижения потребности в обслуживании на месте. Например, платформа iSolarCloud компании Sunac позволяет централизованно управлять инверторами по всему миру.
