风力发电机组变频器控制系统国产化改造

摘要：风力发电作为可再生能源的重要组成部分，近年来在全球范围内得到了快速发展。然而，在风力发电机组的核心技术中，变频器控制系统长期依赖进口，这不仅增加了成本，还可能带来供应链风险和技术安全隐患。因此，推动风力发电机组变频器控制系统的国产化改造，对于提升我国风电产业的自主可控能力具有重要意义。鉴于此，本文就此展开了论述，以供参阅。

关键词：风力发电机组；变频器控制系统；国产化

引言

风力发电作为一种清洁、可再生能源，在全球能源结构中的地位日益重要。我国风力资源丰富，风力发电装机容量持续增长。然而，在风力发电机组的关键部件中，变频器控制系统长期依赖进口，这不仅增加了风电项目的建设和运营成本，还在一定程度上受制于人，影响了我国风电产业的自主发展和安全稳定运行。因此，开展风力发电机组变频器控制系统的国产化改造具有重要的战略意义和现实价值。

一、风力发电机组变频器控制系统概述

（一）变频器控制系统的功能与作用

变频器控制系统是风力发电机组的核心部件之一，主要负责将发电机产生的交流电转换为符合电网要求的稳定电能，并实现对风力发电机的转速、转矩、功率等参数的精确控制，确保风力发电机组在不同风速条件下能够高效、稳定地运行，同时具备低电压穿越、电网谐波抑制等电网适应性功能，保障电力系统的安全稳定运行。

（二）现有进口变频器控制系统的特点与问题

进口变频器控制系统通常具有技术成熟、性能稳定等优点，但也存在价格昂贵、技术服务不及时、可定制化程度低以及潜在的信息安全隐患等问题。此外，随着我国风电产业的快速发展，对变频器控制系统的本地化需求日益增长，进口产品难以完全满足我国复杂多样的风电场环境和个性化的技术要求。

二、国产化改造的关键技术

（一）功率模块技术

自主研发高性能、高可靠性的功率模块，采用先进的半导体器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或碳化硅（SiC）器件，优化模块的散热结构和电气性能，提高功率转换效率和功率密度，降低系统损耗和成本，同时增强系统在高温、高湿度等恶劣环境下的运行可靠性。

（二）控制算法优化

针对风力发电的特点，开发适合国产变频器控制系统的先进控制算法，如矢量控制、直接转矩控制及其改进算法，实现对发电机的精确控制和快速响应，提高风力发电机组的发电效率和电能质量。同时，结合智能算法，如模糊控制、神经网络控制等，优化系统的控制性能，使其能够更好地适应风速的随机变化和复杂的工况条件。

（三）硬件平台设计

设计具有自主知识产权的硬件平台，包括主控板、驱动板、电源板等关键部件。选用国产高性能的处理器、可编程逻辑器件（FPGA）和各类电子元器件，优化电路板的布局和布线，提高系统的抗干扰能力和稳定性。同时，考虑硬件平台的扩展性和兼容性，便于后续的功能升级和系统集成。

（四）通信与监控技术

建可靠的通信网络，实现变频器控制系统与风力发电机组其他部件之间的高速、稳定数据传输，如采用工业以太网、现场总线等通信技术。开发完善的监控系统，具备实时数据采集、状态监测、故障诊断和远程监控等功能，便于运维人员及时掌握系统运行状态，提高运维效率和故障处理能力，降低运维成本。

三、国产化改造的实施方案

（一）项目前期准备

成立国产化改造项目团队，包括技术研发人员、工程技术人员和项目管理人员等，明确各成员的职责和分工。对现有进口变频器控制系统进行详细的技术调研和分析，了解其硬件结构、软件功能、控制算法以及与风力发电机组其他部件的接口关系等，收集相关技术资料和运行数据，为国产化改造提供技术依据。同时，与国内相关高校、科研机构和企业开展产学研合作，整合优势资源，共同攻克关键技术难题。

（二）硬件改造

根据硬件平台设计方案，进行国产硬件部件的选型、采购和制造。对变频器控制系统的机柜进行重新设计和布局，安装国产主控板、驱动板、功率模块、电源板等硬件设备，并进行严格的电气连接和布线，确保硬件系统的正确性和可靠性。在硬件安装过程中，进行质量控制和检验，对关键部件进行性能测试和老化试验，及时发现并解决潜在的问题。

（三）软件移植与优化

将进口变频器控制系统的软件功能进行梳理和分析，结合国产硬件平台和自主研发的控制算法，进行软件的移植和优化。采用分层式软件架构设计，将底层驱动程序、控制算法程序和上位机监控程序进行分离开发和集成调试，提高软件的可维护性和扩展性。在软件移植过程中，重点解决与硬件的兼容性问题，确保软件能够在国产硬件平台上稳定运行。同时，对控制算法进行优化和改进，提高系统的性能指标，如发电效率、电能质量、动态响应速度等。

（四）系统集成与调试

完成硬件改造和软件移植后，进行变频器控制系统的整体集成和调试。首先，对硬件系统进行通电测试，检查各部件的工作状态和电气参数是否正常，排除硬件故障隐患。然后，对软件系统进行功能测试和联调，验证控制算法的正确性和系统的各项功能是否满足设计要求，如发电机的启动、停止、并网、功率调节等功能。在调试过程中，采用模拟风电场环境的测试平台，对系统进行不同工况下的性能测试和稳定性试验，包括不同风速、风向变化、电网电压波动等条件下的测试，根据测试结果对系统进行进一步的优化和调整。

（五）现场安装与试运行

经过实验室调试和优化后的国产化变频器控制系统，在风电场进行现场安装和试运行。在安装过程中，严格按照风电场的施工规范和安全标准进行操作，确保系统的正确安装和接线。试运行期间，对系统的运行状态进行实时监测和数据分析，与原进口系统的运行数据进行对比，评估国产化改造后的性能提升效果和可靠性指标。同时，对试运行过程中出现的问题及时进行处理和改进，确保系统能够稳定、可靠地投入正式运行。

四、改造后的效益评估

（1）经济效益：采购成本因国产化而大幅降低，国内供应链优势使维护及备品备件成本显著减少，降低了风力发电机组全生命周期成本，提升风电场投资回报率。同时，带动了半导体器件、电子元器件等相关产业发展，形成完整产业链，促进就业与经济增长，产业集群效应和经济拉动作用显著。（2）技术效益：成功突破国外技术垄断，掌握核心技术，提升我国风电产业自主创新能力与技术水平，在功率模块等方面取得自主知识产权成果。且国产化系统性能更优，发电效率有了很大的提高，电能质量改善，低电压穿越和电网适应性增强，提高机组可靠性与稳定性，减少故障停机与发电量损失。（3）社会效益：作为清洁能源的风电，其变频器控制系统国产化保障了我国能源供应安全稳定，降低对进口设备依赖，增强能源产业抗风险能力。还推动风电产业可持续发展，促进清洁能源应用，减少传统化石能源消耗与环境污染，助力我国实现碳达峰、碳中和目标。

结束语

综上所述，风力发电机组变频器控制系统的国产化改造是我国风电产业自主可控能力提升的重要途径。通过技术研发与创新、产业链协同与整合以及质量控制与标准制定等策略的实施，可以推动我国风电产业的技术创新和产业升级。未来，随着国产化改造的不断深入和完善，我国风电产业将在全球市场中占据更加重要的地位。

参考文献

[1]刘康民.海上平台国产中压变频器综合适应性改造[J]..2022（09）：94-97

[2]任巍.浅析太钢冷轧厂2号轧机中压系统国产化改造[J]..2022（08）：133-134