成果简介

       攻克 10MW 及以上大功率海上风电变流器设计及控制关键科技难题，是突破技术瓶颈，实现我国海上风电产业变道超车的重要途径。10MW 级大功率风电变流器需统筹考虑、全局优化系统效率、电能质量和功率密度三个关键指标。而这三个要素相互耦合制约，其设计及控制面临着严峻挑战，是我国大功率风电装备发展中亟待解决的关键科学问题。此外，冷却系统故障问题，是影响兆瓦级大功率变流器长久稳定运行的重要因素。本项目着力于兼顾效率、电能质量及功率密度优化的大功率海上风电变流器设计和控制技术研究以及其冷却系统可靠性研究，助力我国 10MW 及以上大功率海上风电变流器研发及产业化，推动山东半岛海上风电产业链技术进步。
        项目特点
       本项目的顺利实施将从根本上统筹解决大功率海上直驱永磁风电变流器兼顾效率、电能质量、功率密度优化的关键科学问题，攻克大功率海上直驱永磁同步风电变流器的核心控制技术，完善冷却系统故障预警机制，优化大功率机组的无源部件设计，大幅度降低大功率海上风电系统控制成本，提高系统效率。从而助力山东省新旧动能转换重大工程建设，加快山东省“海洋经济”发展步伐，壮大我省乃至我国风电相关产业，促进绿色能源利用，为 2030 年前实现清洁能源转型奠定坚实基础。最终将推动并和众多厂商共同实现我国由风电大国向风电强国的历史性转变。

      技术要点
      本项目立足世界技术前沿，前瞻产业发展趋势，将重点在以下几点实现颠覆性技术突破：
    （1）从传统控制策略产生瓶颈问题的根本原因出发，并计及海洋永磁直驱大功率风电变流器高效率、高电能质量和高功率密度需求，实现统筹考虑转动惯量、转接弹性、摩擦及饱和热损耗等因素影响的多目标非线性先进预测控制技术突破，从算法底层实现对风机变流器动稳态性能的大幅提升；
    （2）针对大功率风电变流器极低开关频率下线性控制无法优化系统电能质量的问题，结合最优脉宽调制技术和预测控制技术的长处，充分发挥预测控制算法灵活性高、扩展能力强的突出优势，开发出最优脉宽调制预测控制策略，以期在开关频率不高于1500Hz 的前提下，实现最优电能质量控制；

    （3）针对现有大功率风电系统故障穿越能力不强、预警机制不够完善的问题，研究 10MW 级海洋风电变流器故障穿越时快速瞬态转换控制技术及变流器冷却系统可靠预警方法，进而实现系统的长寿命、高可靠性运行；

    （4）研究高功率密度大功率变流器无源部件优化设计技术并与科诺伟业联合开发容量不低于 2MW 的全功率永磁直驱风电变流器及其实时控制系统实验样机，做到技术与样机相结合，研究与实际相结合，充分发挥海上风电系统无源部件特性。

      技术创新点

   （1）采用最优脉宽调制预测控制技术，创造性地提出大功率海洋风电变流器兼顾低开关频率与高电能质量的控制方法；

    （2）针对 10MW 大功率海洋风电变流器，提出故障穿越时变流器快速瞬态切换控制方法，增强系统在电网故障、波动下的越障能力；针对变流器冷却系统故障检测及预警时间较长的缺陷，提出快速检测及可靠预警方法，增强变流器高载工况的散热能力。二者将有效提升大功率海洋风系统的可靠性；
    （3）突破传统无源滤波器件相对保守的设计局限，提出优化设计及预测控制新方案，发挥既有器件物理极限，提升系统功率密度；
    （4）综合考量了转动惯量、转接弹性、摩擦及饱和热损耗等海上风机传动
链工作特性因素，自主开发一套能够测试多种功率等级风机变流器工作特性且易
于移植的海上风电变流器“硬件在环”仿真平台，高精度模拟海上多功率等级风机变流器运行多种工况，显著拓宽变流器实时控制器的测试范围，降低测试成本。

图1 大功率直驱永磁同步风电变流器设备及实际应用场景

图2罗克韦尔PowerFlex 7000电流源型变频驱动设备

      获奖情况
      获2017 年德国电气工程协会杰出学术贡献奖。应用前景
      所取得成果主要应用于大功率海洋风力发电系统
      1、经济效益

       成果预期在效率、电能质量和功率密度方面突破当前阻碍微电网电能变换和海洋风力发电发展的关键技术，掌握其核心技术，在提高效率的同时增强系统运行的稳定性，有利于孵化电力电子高端装备产业转化，促进能源产业转型升级。成果可应用于工程实践借鉴，为解决远距离驱动系统过电压问题，减小绝缘设备损耗，增加电机等设备使用寿命。

       2、社会效益

       项目注重研制开发具有自主知识产权、适用于实际工程应用的核心装备，致力于高校先进理论与产业界工程实践能力的深度融合，切实有效推进关键理论和核心技术的成果转化。
该成果所研究的适用于微电网电能变换和海洋风力发电的关键控制技术，助力新旧动能转换，有利于发展海洋经济，提高对海洋风能的利用程度，进而提高风力发电占比，为能源结构调整优化提供一定的技术支撑，为降低火电占比（2018 年全国为71.0%，山东省为 95.7%），实现能源、环境可持续发展提供动力。

       3、环境效益

      解决海洋风力发电关键技术问题有助于提高海洋风能利用率，优化我国能源消费结构，从而缓解我国化石能源的传统发展方式带来的严重的能源和环境问题，减少污染。该成果所提海洋风电变流器多目标优化及控制策略可促进大规模海洋风电产业的发展，对建设友好型新时代能源体系具有十分重要的意义。