電力電子在風力發(fā)電領域的應用

1、電力電子在風力發(fā)電領域的應用摘要：風力發(fā)電是新能源中最具開發(fā)條件，商業(yè)化發(fā)展前景和潛力最大的的發(fā)電方式之一。隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展和應用推廣，對風力發(fā)電的效率和電能質量的要求越來越高，而應用電力電子技術和控制技術是有效的實現(xiàn)手段，本文總結了在風力發(fā)電中應用較多的幾種電力電子器件及電力電子技術，分析了各種方法的特點、功用和發(fā)展。關鍵字：風力發(fā)電，電力電子技術，電力電子器件0引言風能作為一種清潔的可再生能源，為全球能源危機和環(huán)境污染提供了有效的解決方案，同時也給諸多科技領域施加了動力并提供了廣闊的市場。它從20世紀70年代中期開始受到世界各國的重視.當前風電技術己經日臻成熟。最近幾年，世界上形成了

2、一股風力發(fā)電熱。風電規(guī)?；_發(fā)推動了本國風機制造業(yè)的發(fā)展。世界主要風機制造商前10名中的9名，以及前15名中的12名，都來自風電裝機容量居世界前五位的國家。據(jù)預測，到2010年世界風電安裝年增長1.46%,而未來的增長中心將分別在北美，印度和中國，歐洲仍將保持很高的需求。我國的風電產業(yè)仍然遠遠落后于世界先進水平，甚至落后于印度。事實上，中國每年常規(guī)動力容量增長是印度的5倍;但是在風能方面，中國的新增容量僅是印度的25%。從20年前推出的樣機開始，風電技術經過長期發(fā)展的歷程，今天的發(fā)電機組已經成為先進的現(xiàn)代高新技術：當前一臺風電機組，比20年前的機組功率大200倍，現(xiàn)代的風電發(fā)電廠生產出來的電量

3、之大，相當于常規(guī)電廠。要以最低的成本生產出最多的電能，風力發(fā)電系統(tǒng)正在不斷的改進，其中電電子設備起到關鍵作用.目前，電力電子設備廣泛應用在大、中、小容量的風力發(fā)電系統(tǒng)中1。1風力發(fā)電機特點及系統(tǒng)1.1風力發(fā)電機特點不論是獨立運行的風電系統(tǒng)還是并網(wǎng)運行的風電系統(tǒng)，其主要的組成部分都包括以下幾個模塊：風機、發(fā)電機和控制系統(tǒng)。由于風力發(fā)電的一次能源即風能是間歇性的，發(fā)電機會經常處于啟停狀態(tài)，因此發(fā)電機類型常選為異步發(fā)電機。而正是這些因素才使得風力發(fā)電系統(tǒng)有著不同于常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的特點：(1)輸人風能的變化具有隨機性，如果不采取任何措施，風力發(fā)電機輸出的功率將隨著風速的變化而波動，從而影響發(fā)電系統(tǒng)的電能

4、質量。(2)含異步發(fā)電機的風力發(fā)電機組運行時輸出有功功率，同時要吸取無功功率。不與電網(wǎng)連接的風電系統(tǒng)必須配有無功補償裝置，這種補償裝置可以是固定電容器組，也可以是電力電子器件組成的補償設備。如果與電網(wǎng)相連，異步發(fā)電機吸收的無功可以部分或全部從電網(wǎng)獲取，但依然要根據(jù)風力發(fā)電機的類型及電網(wǎng)的要求來確定是否增設無功補償裝置。(3)異步發(fā)電機無電壓控制能力，電壓波動容易超出允許范圍。以上這些風力發(fā)電系統(tǒng)的特點，也可以說是缺點，隨著電力電子技術的應用正日益得到改善。1.2風力發(fā)電機系統(tǒng)由于簡易性以及魯棒性，失速或者主動失速控制的定速風力發(fā)電機系統(tǒng)是2003年以前最常見的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要結構如圖1所示。

5、主動失速控制主要運用在額定功率超過1MW的大機組，其標準組成是一個齒輪變速箱和無功補償電容器組。但是此系統(tǒng)也有一定的缺點，例如輸出功率高度不穩(wěn)定性及其在變速箱的消耗。000圖1定速風力發(fā)電機系統(tǒng)(文中無說明)當定速風力發(fā)電機系統(tǒng)的缺點被描述出來后開始傾向于使用變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)，它的優(yōu)點在于：(1)變速運行放寬對槳距調節(jié)響應速度的要求，降低槳距調節(jié)系統(tǒng)的復雜性.變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)可以和當時風速相協(xié)調控制，即：低風速時槳距角固定，高風速時調節(jié)槳距角限制最大輸出功率.(2)變速恒頻風力發(fā)電機可以減小低風速下的空氣動力干擾，使噪聲降低(3)變速恒頻風力發(fā)電機以最佳的葉尖速比最大的功率點運行，

6、提高了風力機的運行效率。(4)變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)可以減少轉矩脈動，從而減少了輸出功率的波動(5)變速恒頻風力發(fā)電機可以減少葉片和驅動軸上機械應力目前，擁有雙饋感應電機的變速恒頻變槳距調節(jié)系統(tǒng)(DFIG)非常流行，在風力發(fā)電機系統(tǒng)中將占有重要的地位。它與定速風力發(fā)電機系統(tǒng)相比節(jié)省了靜止無功補償器，可以獲取更多的電能和提高電網(wǎng)電能質量。2風力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子技術風力發(fā)電既可獨立運行，也可并網(wǎng)運行。對于獨立運行的風電系統(tǒng)，其可靠性和穩(wěn)定性不如并網(wǎng)運行的風電，因此風電并網(wǎng)運行成為發(fā)展趨勢。風電并網(wǎng)運行與電力電子技術有著密切的關系。通常有兩種與電網(wǎng)連接方式：一是直接與電網(wǎng)相連，二是通過電力電子器

7、件組成的變換器與電網(wǎng)聯(lián)接。直接與電網(wǎng)相連的風電場，為了限制異步發(fā)電機在并網(wǎng)瞬間出現(xiàn)較大的沖擊電流，配有軟并網(wǎng)裝置，即在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間每相串人一只雙向晶閘管，并網(wǎng)后由一個接觸器的動合觸頭將其短接。此外在異步發(fā)電機的出口處還裝有無功補償設備。另外，除了并網(wǎng)聯(lián)接用的電力電子設備，在風電系統(tǒng)中還有一些并聯(lián)補償裝置，比如超導儲能系統(tǒng)、固定電容器組無功補償器、靜止無功補償器、靜止無功發(fā)生器等，這些裝置中電力電子技術在其中也起著關鍵作用。在下面章節(jié)中將對風電系統(tǒng)中的這些電力電子器件所起的作用作一定的論述。3電力電子器件在風力發(fā)電中的應用電力電子技術快速發(fā)展的物質基礎源于電力電子器件的發(fā)展，而先進的

8、電力電子器件為其在風力發(fā)電中的應用奠定了堅實的基礎。3.1 IGBT在二十多年的發(fā)展歷程中，除了保持IGBT基本結構、基本原理的特點不變之外，它經歷了六代有各自特色的演變。迄今為止GIBT仍是風力發(fā)電工程中使用的最廣泛的功率器件。在風力發(fā)電中，因為風速經常變化，IGBT模塊在很短的時間內溫度波動起伏大，會導致芯片和銅底片之間以及銅底片和基板之間的焊接部分承受大量的周期性的熱一機械應力，所以提高模塊應力十分重要。此外，在風力發(fā)電機艙中空間的節(jié)省不是一個小問題，提高模塊功率密度也不容忽視。文獻采用IGBT的電壓源換流器，具有關斷電流的能力，可以應用脈寬調制技術(PWM)進行無源逆變，解決了用直流輸

9、電向無交流電源的負荷點送電的問題。文獻3針對風力系統(tǒng)特點而設計了一種采用由GITB組成的“H”型SPWM逆變器，通過控制“H”型逆變器中IGBT的開關波形，可以控制輸出電流；通過控制SPWM的起始角0,可以使逆變器以功率因數(shù)為1的方式向電網(wǎng)輸送能源，并使諧波因數(shù)、畸變因數(shù)達到設計要求。3.2 交直交變頻器在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，需要變頻裝置來完成由發(fā)電機到電網(wǎng)的能量傳遞。交直交變頻器有效地克服了交交變頻器的輸出電壓諧波多，輸入側功率因數(shù)低，使用功率元件數(shù)量多等缺點，易于控制策略的實現(xiàn)和雙向變流，特別適合變速恒頻雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)和無刷雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)。此外，海上風電場采用電力電子變頻器

10、能夠實現(xiàn)有功和無功的控制，使風電機組運行在變速狀態(tài)以捕獲最大的風能同時降低機械應力和噪音。3.3 矩陣變換器矩陣變換器是一種交交直接變頻器，沒有中間直流環(huán)節(jié)，功率電路簡單，可輸出幅值、頻率均可控的電壓，諧波含量較小。應用于風力發(fā)電中的矩陣式變換器，通過調節(jié)其輸出頻率、電壓、電流和相位，以實現(xiàn)變速恒頻控制、最大風能捕獲控制、以及有功功率和無功功率的解藕控制等，目前矩陣式變換器的控制多采用空間矢量變換控制方法。4風力發(fā)電中的儲能技術因風能是不可直接儲存的能源，對于離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)，為了保證供電的穩(wěn)定可靠，可在多風期間將風能儲存起來，以供其他裝置使用。即使在風能資源豐富的地區(qū)，若以風力發(fā)電作為獲得

11、電能的主要方式，也必須配有適當?shù)膬δ芟到y(tǒng)。再者，在風力和其他能源聯(lián)合供電時，也需要儲能技術的介入。4.1 蓄電池風力發(fā)電機在與其它發(fā)電裝置互補運行或獨立運行時通常使用蓄電池進行儲能。在風力一柴油發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行中，采用配備蓄電池短時儲能的措施，可避免由于風力及負荷的變化而造成的柴油機的頻繁起動與停機。此外，蓄電池還可以減少柴油機的輕載運行，使其絕大部分時間運行在比較合適的功率范圍內。同樣的，在風光互補發(fā)電中，也使用蓄電池作為主要的儲能方式。文獻4中描述了在獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池可以決定風力發(fā)電系統(tǒng)除了滿足負載使用外的輸出的功率調整。文獻5對于蓄電池在獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)中的選型及容量確

12、定等作了更深入的研究。鑒于蓄電池成本考慮，在風力發(fā)電系統(tǒng)中，多采用鉛酸蓄電池或堿性蓄電池作為儲存電能的裝置。4.2 超導儲能器（SMES）開發(fā)超導線圈儲能的可行性，美國在20世紀90年代就開始研究了。超導線圈可在超導溫度下流過極高電流密度的大電流而不消耗電能，是儲存電能的最佳選擇之一。利用超導儲能可以吸收或發(fā)出有功和無功功率，響應快，容量大，大大減少了電路的損耗。使用超導儲能技術使風力發(fā)電機組輸出電壓和頻率穩(wěn)定，從而使電網(wǎng)穩(wěn)定。在詳細介紹了超導儲能SMES的調節(jié)原理及其最優(yōu)控制方法的基礎上，提出在并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)中，建立了SMES模型，同時用基因算法對SMES的控制參數(shù)進行尋優(yōu)，仿真結果表明

13、，SMES單元用于并網(wǎng)形風力發(fā)電系統(tǒng)可實現(xiàn)對電壓和頻率的同時控制，提高了輸出穩(wěn)定性。指出風電系統(tǒng)中配備儲能設備可以提高風電并入電網(wǎng)的容量。4.3 不間斷電源（UPS）不間斷電源（UPS）是指當交流輸入電源發(fā)生異?；驍嚯姇r，還能繼續(xù)向負載供電，并能保證供電質量，使負載供電不受影響的裝置。現(xiàn)代UPS普遍采用脈寬調制技術和IGBT、功率MOSFEI,等現(xiàn)代電力電子器件，效率和可靠性得以提高。并引入微處理器軟硬件技術，實現(xiàn)了智能化管理，可進行遠程維護和遠程診斷。風能的隨機性較大，發(fā)電的穩(wěn)定性也受到限制，對較偏遠地區(qū)或者單獨運行的風電場來說，不間斷電源的使用很有必要。5風力發(fā)電中的輸電技術風力發(fā)電場的建

14、立選取風力資源豐富的地區(qū)，一般都遠離城鎮(zhèn)，線路的輸送能力也成為風力發(fā)電的重要考慮因素。現(xiàn)在主要采用的是交流輸電方式，但存在很多缺點，HVDC已經開始進入風電輸電領域。高壓直流輸電是應用換流技術將交流電轉換為直流電輸送到落點處再逆變?yōu)榻涣鞯囊环N輸電技術。它的優(yōu)點是：可以用來實現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)，線路造價和運行費用較低，一般不需要增加額外裝置，更易于實現(xiàn)地下或海底電纜輸電等。新一代HVDC技術采用GTO、GIBT等可關斷器件，以及脈寬調制PWM）等技術，它的采用進一步改善了性能、大幅度地簡化了設備、減少了換流站的占地、而且降低了造價，使直流輸電更有競爭力。目前，全世界HVDC工程已達60多個，總設備容量超

15、過4OGW。靈活交流輸電系統(tǒng)FACTS）在電力系統(tǒng)中廣泛采用，但在風力發(fā)電領域還沒有得到足夠的重視。柔性交流輸電技術是指電力電子技術與現(xiàn)代控制技術結合，以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)參數(shù)位(線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續(xù)快速調節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。自1986年美國專家NG-Hingorani提出了FACTS(FlexibleACTransmissionSystem)這個完整的概念以來，F(xiàn)ACTS的發(fā)展越來越受到全世界的重視6。6濾波與補償風資源的不確定性和風電機組本身的運行特征會影響電網(wǎng)的電能質量，而且風力發(fā)電機組處于供電網(wǎng)絡的末端，承受沖擊的能力很

16、弱，有可能給配電網(wǎng)帶來諧波污染、電源波動以及閃變等問題，所以無功補償和諧波抑制對風力發(fā)電系統(tǒng)有重要的意義。主要是以下兩種：6.1 靜止無功補償器(SVC)靜止無功補償器(SVC)是用以晶閘管為基本元件的固態(tài)開關替代了電氣開關，實現(xiàn)快速、頻繁地以控制電抗器和電容器的方式改變輸電系統(tǒng)的導納。近來，靜止無功補償器(SVC)被風力發(fā)電場并網(wǎng)普遍采用，迅速跟蹤負荷變化，對無功進行補償，在一定程度上穩(wěn)定了由風速引起的波動電壓，提高電能質量。在風電機側安裝SVC可以實現(xiàn)動態(tài)電壓控制和增加阻尼;而在電網(wǎng)側安裝SVC可以提供無功支持并且減小振蕩。6.2 有源電力濾波器(APF)APF的基本工作原理是采用可關斷的

17、電力電子器件和基于坐標變換原理的瞬時無功理論控制，檢測補償對象的電流和電壓，利用電力控制器代替系統(tǒng)電源向負荷提供所需的畸變電流，從而保證系統(tǒng)最終得到期望的電源電流。和普通SVC相比，響應時間更快，對電壓波動，閃變補償率更高，控制功能更強，同時也能更有效地慮除高次諧波，補償功率因數(shù)。7結論風能是重要的能源資源，我國要解決能源供應問題，解決二氧化碳排放等問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展風電可以作出重大的貢獻。電力電子的應用對風力發(fā)電的縱深發(fā)展起著非常重要的作用：(1)為了增加風能的利用和減小電力電子變換器的能耗，要選擇適合的電力電子變換器來匹配變速風力發(fā)電機系統(tǒng).(2)交流輸電帶SVC是輸電的主要選擇HVDC

18、light和UPFC不容忽視.無論哪種輸電方式，無功源SVC或TSC都被電網(wǎng)所需要.(3)增加無功源SVC或TSC有利于電網(wǎng)和風力發(fā)電機的故障恢復.(4)每個系統(tǒng)結構都有自己的特征和適宜性但同時要注意的是，電力電子技術對風電系統(tǒng)的運行性能的改善的程度，取決于系統(tǒng)的控制算法，一個好的算法，可以充分發(fā)揮電力電子裝置的作用，提高風電運行特性，同時也可以消除采用電力電子裝置帶來的負面影響(比如諧波)。隨著電力電子裝置的性價比不斷提高，電力電子技術的不斷發(fā)展，電力電子器件將越來越多地被應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中，使得風電日益展現(xiàn)出它的優(yōu)勢，更多地為人類造福。參考文獻：1歐洲風能協(xié)會.風力12:關于2020年風電達到世界電力總量12%的藍圖M.綠色中國，譯.北京：中國環(huán)境科學出版社，2004:2021。2電力電子技術在風力發(fā)電中的應用綜述，王琦、陳小虎、吳正偉，南京師范大學報（工程技術版）第5卷第4期，2005.12,8100。3風力發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的研究，宋平崗、趙莉，電力電子技術，1999年第2期，1999.