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1、电子电力在风力发电中的应用电子电力在风力发电中的应用摘要：风力发电是可再生资源中最具开发条件，由于其清洁无污染、施工周期短、投资灵活、占地少，具有良好的社会效应和经济效益，已受到世界各国政府的高度重视。在风力发电的推广应用中，电力电子技术起着非常重要的作用，是风电发展的关键技术之一，而应用电力电子技术和控制技术是有效的实现手段，本文总结了在风力发电中应用较多的几种电力电子器件及控制技术，分析了各种方法的特点、功用和发展。并重点介绍了电力电子技术在风力发电中的主要应用，变速恒频风力发电系统，风力发电的输送方式等，最后对风力发电的前景进行了展望。关键词：电力电子技术 风力发电 可再生资源 控制技术
2、 变速恒频0. 引 言随着经济的发展,环境保护意识不断增强,开发和利用以风能为代表的各类可再生能源已成为人类解决生存问题的战略选择。风力发电技术是目前最成熟的可再生能源发电技术之一,也是许多国家重点开发的新能源发电技术。风能是洁净的，可再生的，储量很大的能源，为了缓解能源危机和供电压力，改善生存环境，在 20 世纪 70 年代中叶以后受到重视和开发利用。风力发电有很多独特的优点：施工周期短，投资灵活，实际占地少，对土地要求低等，但仍在并网、输电、风机控制等方面存在问题，阻碍了风力发电的广泛应用。因此，要大规模的应用先进的电力电子技术到风力发电当中，有效的解决现有问题，使得风力发电成为电力行业的
3、生力军。本文将从不同角度展现电力电子技术在风力发电中的应用。1. 电力电子技术与风力发电机系统由于简易性以及鲁棒性，失速或者主动失速控制的定速风力发电机系统是 2003 年以前最常见的系统。主动失速控制主要运用在额定功率超过 1 MW 的大机组，其标准组成是一个齿轮变速箱和无功补偿电容器组。但是此系统也有一定的缺点，例如输出功率高度不稳定性及其在变速箱的消耗。 当定速风力发电机系统的缺点被描述出来后，开始倾向于使用变速恒频风力发电机系统。目前，拥有双馈感应电机的变速恒频变桨距调节系统(DFIG)非常流行，在风力发电机系统中将占有重要的地位。它与定速风力发电机系统相比，节省了静止无功补偿器，可以
4、获取更多的电能和提高电网电能质量。 由多个电力电子变换器和一个多极同步电机的变速变桨距调节系统在目前也很普遍由于其能够忽略变速箱，因此，它的结构很有吸引力。除此之外，也存在一些使用单个变速器和多个电力电子变换器的感应电机系统，但是其使用范围不广。2. 变速恒频风力发电系统变速恒频风力发电系统通过变桨距控制风轮使整个系统在很大的转速范围内按照最佳的效率运行，这是当前风力发电发展的一个趋势。变速恒频风力发电机组的主要特点是:(l)由于采用电力电子变频器，变速恒频风电机组结构相对较复杂;(2)通过对最大功率点的跟踪，使风力发电机组在可发电风速下均可获得最佳的功率输出，提高了发电效率;(3)风轮机可以
5、根据风速的变化而以不同的转速旋转，减少了力矩的脉冲幅度以及对风力机的机械应力，降低机械强度要求;(4)风轮机的加速减速对风能的快速变化起到了缓冲作用，使输出功率的波动减小。(5)通过一定的控制策略(如 svPwM 控制)对风电机组有功、无功输出功率进行解祸控制，可以分别单独控制风电机组有功、无功的输出，具备电压的控制能力。最后两点非常有利于电网的安全稳定运行、)综合上述特点，变速发电机组适合用于大功率，通常大于 IMW 的系统。两种变速恒频发电系统变速恒频系统主要又分为同步风力发电机系统和异步风力发电机系统。其中同步发电机系统包括永磁同步发电机系统和电励磁同步发电机系统;异步发电机系统主要是绕
6、线转子异步发电机系统。永磁同步发电机是利用永久磁铁取代转子励磁磁场，其结构比较简单、牢固。永磁同步发电机变速恒频风力发电系统是通过控制一套整流逆变装置，将发电机输出的变频变压交流电转换为满足电网要求的恒频恒压交流电。其典型结构如图 1 所示。图 1 永磁多极同步发电机风电机组原理框图采用电励磁的同步风力发电系统如图 2 所示，发电机定子通过变频器和电网相连接，转子采用 AC/DC 整流装置给发电机提供励磁。发电机可以采用变速箱驱动，也可以使用直接驱动。变频器图 2 电励磁同步发电机风电机组原理框图同步风力发电机系统的特点为:(1)发电机发出的全部电功率都通过变换器，变换器容量需要按 100%功
7、率选取，比双馈系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收困难;(2)可以使用永磁发电机，电机轻，效率高，而且可以采用直接驱动的结构形式，去掉笨重的变速箱;(3)功率变换器为单象限的，结构简单。采用绕线式异步电机的变速恒频风力发电系统(双馈风力发电系统)其典型结构框图如图 3 所示，可再生住幼电力电子技术在风力发电中的应用示。这是一种比较合适的变速恒频方案，该结构定子绕组和电网直接相连接，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，交流励磁控制通过变频装置向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，通过变频器的功率仅仅是转差功率，双馈调速将转差功率回馈到电机轴或者电网，这是各种传动系统中效率比较高的。其特点为:(
8、l)变频器仅流过转差功率，其容量小，通常可按发电总功率的 25%左右选取(转速变化范围士 33%时)，投资和损耗小，发电效率提高 2%-3%，谐波吸收方便;(2)只能使用双馈电机，比永磁电机重，效率低，需要变速箱，整个系统相对较笨重;(3)由于要求功率双向流过变频器，它必须是四象限变频器，其价格约是同容量单象限变频器的一倍。图 3 双馈异步发电机风电机组原理图双馈风力发电方式的双向变频器通常使用矩阵变频器、交一交变频器或交一直一交变频器 IH3!。矩阵式变频器是一种交一交直接变频器，由 9 个直接接于三相电源和三相负载之间的开关阵组成。矩阵变频器没有中间直流环节，功率电路简单、紧凑，输出由电源
9、的三个电平组成，可输出幅值、频率、相位和相序均可控的电压，谐波含量较小。矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作，适合变速恒频双馈风力发电系统。尽管矩阵式变换器电压传输比只有0.866，但不会影响它在电压要求低，励磁电压可灵活设计的双馈发电机中的应用。虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象，实现起来比较困难。器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。应用在风力发电中，由于矩阵变频器的输人输出不解藕，即无论是负载还是电源侧的不对称都会影响到另一侧。另外，矩阵变频器的输人端必须接滤波电容，虽然其电容的容量比交一直一交的中间储能电容小，但由于它们是
10、交流电容，要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。交一交变频器大多采用晶闸管自然换流方式，工作稳定、可靠，与电源之间进行无功功率交换和有功功率回馈容易，为四象限变频器，其无环流系统的最高输出频率为电网供电频率的 1/2。尽管交交变频器还具有无中间直流滤波环节，变频器效率高等优点，在双馈变速恒频风力发电系统中得到一定的应用，但由于交交变频器中晶闸管采用自然换流方式，变频器始终吸收无功功率，功率因数低、谐波含量大、输出频率低、变化范围窄、使用元件数量多等因素，使之在风力发电领域的应用受到了一定的限制。交一直一交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比
11、较广泛。传统的电流型交一直一交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采用电压型交一直一交变频器，这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。提出的电压型交一直一交变频器的双馈发电机定子磁场定向矢量控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解藕控制.是目前变速恒频风力发电的一个代表方向。3. 分频输电技术分频输
12、电技术是我国学者王锡凡教授于 1994 年提出的一种新型输电技术1 。 众所周知，一条所能传输的电能是有一定限制的。限制输电线路传输电能能力的因素主要有 3 个，即机械极限、热极限和稳定极限。机械极限就是说输电线路必需有一定的机械强度，也就是说，如果输电线过细、电线的支撑体（如铁塔）很弱，其输电能力必将受限，甚至稍遇风雨即倒，就无法应用。热极限在低压配电是考虑的主要因素，如导线过细，则可能导致导线无法承受过大的电流而被烧毁。但在电压相对较高的输电系统中，由于散热条件较好，即使由于机械原因导线也不能太细，热极限根本不用考虑。因此，决定一条输电线路的输电能力的主要是稳定极限。我们知道，电能在导线中
13、是以电波的形式传输电能的，起始端和终端之间有一定的相位差。输电线传输电能的最大值由下式决定：PMAX= U1U2 /X (1)式中，U1 和 U2 分别为送电端和受电端的电压，一般来说二者大体相等，因此也可以 U2；X 为输电线路阻抗，如近似忽略其中的电阻成分，则其近似为 L。也就是说，输电线路的输电能力和 L 成反比，即和电路的角频率 成反比，这就是分频输电的最基本原理和理论依据。 分频是依靠依靠低转速的发电机发出分频电力（如 50/3Hz）实现的，然后经过低频升压变压器升压，通过输电线路将电力输送至远方。因此把这种输电方式称之为分频输电。分频电力输送至末端，再经倍频器将分频电力转变为工频电
14、力向受端电力系统供电。分频输电系统的关键设备是倍频器，过去设想采用铁磁型三倍频变压器，因此将分频频率定为 50/3Hz。这样线路输送容量大致可以提高三倍，接近于线路得热极限。 随着电力电子技术的不断发展，改变频率不再是那么困难，不一定要把分频设为 1/3 工频，可以把分频输电改成为低频输电。但是，1/3 工频是一个合适的分频频率，即使用电力电子装置，通常仍维持 50/3Hz，因此这种新型输电方式常常仍被成为分频输电。4. 未来趋势 风力发电机尺寸仍将会增大，这就意味着叶片直径会相应增大，主轴速度会降低。这将会推动齿轮箱的新发展，或新的多极发电机的研究。齿轮箱可以是一个磁性祸合，但这是一个新的发
15、展。 齿发电机和电网之间的相互连接将通过电力电子实现，目前被广泛运用的拓扑是双馈电感应发电机，现在争论的焦点是全功率变换器(除 T 价钱)作为电网连接，作为发电机和电网之间隔离。功率变换器将进人中压时代己减小尺寸，更接近 使用循环储备功率变换器。中压的拓扑可以和多相发电机一起改善冗余和可靠性，即使是部分电力电子和一发电机结构都很有可能。一个风能站将包含许多风力发电机，通过直流或交流，这是一个开放问题，尤其是当能源要被传输到 离岸很远的地方。风庄的控制可以很先进，最新的努力已经使得运行一个三角工作模式，一直有额外的有功功率为电网系统中的频繁调节提供。这个控制可以加一个结构来增加对电网系统的惯性。
16、5. 结论电力电子在不同风力发电机系统和岸边风庄的应用已经显示了风力发电机的性能是通过运用电力电子得到很大提高。通过有功和无功控制能够对频率和电压进行调节。一同样可以得到这样的结论，风力发电机的功率大小对于降低能源成本很重要。最后，风力发电机技术的未来发展趋势是进一步提高功率等级和电力电子技术。参考文献1王孝洪,杨金明,吴捷,. 变速恒频风力发电系统中的电力电子技术J. 电机与控制应用,2009,(11)：11-17 2郭红霞,杨金明,. 风力发电中的电力电子技术和控制技术J. 中国水运(学术版),2007,(3)：70-733陈忠斌,胡文华,. 电力电子技术在风力发电中的应用J. 电源技术应用,2006,(12)：22-264李建丽,李黎黎,. 风力发电与电力电子技术J. 能源与环境,2006,(5)：81-825王琦,陈小虎,吴正伟,. 电力电子技术在风力发电中的应用综述J. 南京师范大学学报(工程技术版),2005,(4)：7-10
