电力电子在风力发电领域的应用

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1、电力电子在风力发电领域的应用摘要：风力发电是新能源中最具开发条件，商业化发展前景和潜力最大的的发电方式之一。随着风力发 电技术的发展和应用推广，对风力发电的效率和电能质量的要求越来越高，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电力电子技术，分析了各 种方法的特点、功用和发展。关键字：风力发电，电力电子技术，电力电子器件0引言风能作为一种清洁的可再生能源，为全球能源危机和环境污染提供了有效的解决方案， 同时也给诸多科技领域施加了动力并提供了广阔的市场。它从20世纪70年代中期开始受到世 界各国的重视.当前风电技术己经日臻成熟。最近几年，世

2、界上形成了一股风力发电热。风电规模化开发推动了本国风机制造业的发展。世界主要风机制造商前10名中的9名， 以及前15名中的12名，都来自风电装机容量居世界前五位的国家。据预测，U2010年世界风电安装年增长1.46%，而未来的增长中心将分别在北美，印度 和中国，欧洲仍将保持很高的需求。我国的风电产业仍然远远落后于世界先进水平，甚至落 后于印度。事实上，中国每年常规动力容量增长是印度饰倍;但是在风能方面，中国的新增 容量仅是印度的25%。从20年前推出的样机开始，风电技术经过长期发展的历程，今天的发电机组已经成为先 进的现代高新技术：当前一台风电机组，比2 0年前的机组功率大200倍，现代的风电

3、发电厂 生产出来的电量之大，相当于常规电厂。要以最低的成本生产出最多的电能，风力发电系统 正在不断的改进，其中电电子设备起到关键作用.目前，电力电子设备广泛应用在大、中、 小容量的风力发电系统中1。1风力发电机特点及系统1.1风力发电机特点不论是独立运行的风电系统还是并网运行的风电系统，其主要的组成部分都包括以下 几个模块：风机、发电机和控制系统。由于风力发电的一次能源即风能是间歇性的，发电机 会经常处于启停状态，因此发电机类型常选为异步发电机。而正是这些因素才使得风力发电 系统有着不同于常规发电系统的特点：(1) 输人风能的变化具有随机性，如果不采取任何措施，风力发电机输出的功率将随着 风速

4、的变化而波动，从而影响发电系统的电能质量。(2) 含异步发电机的风力发电机组运行时输出有功功率，同时要吸取无功功率。不与电 网连接的风电系统必须配有无功补偿装置，这种补偿装置可以是固定电容器组，也可以是电 力电子器件组成的补偿设备。如果与电网相连，异步发电机吸收的无功可以部分或全部从电 网获取，但依然要根据风力发电机的类型及电网的要求来确定是否增设无功补偿装置。(3) 异步发电机无电压控制能力，电压波动容易超出允许范围。以上这些风力发电系统的特点，也可以说是缺点，随着电力电子技术的应用正日益得到改善。1.2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

5、以前 最常见的系统，该系统的主要结构如图1所示。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。软启政it,11FTT无m补偿器图1定速风力发电机系统（文中无说明）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， 它的优点在于：（1）变速运行放宽对桨距调节响应速度的要求，降低桨距调节系统的复杂性变速恒频 风力发电机系统可以和当时风速相协调控制，即：低风速时桨距角固定，高风速时调节桨距 角限制最大输出功率.（2）变速恒频风力发电机可以减小低风速下

6、的空气动力干扰，使噪声降低（3）变速恒频风力发电机以最佳的叶尖速比最大的功率点运行，提高了风力机的运行效 率。（4）变速恒频风力发电机系统可以减少转矩脉动，从而减少了输出功率的波动（5）变速恒频风力发电机可以减少叶片和驱动轴上机械应力.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，可以获 取更多的电能和提高电网电能质量。2风力发电系统中的电力电子技术风力发电既可独立运行，也可并网运行。对于独立运行的风电系统，其可靠性和稳定性 不如并网运行的风电，因此风电并网运行成为发展趋势。风电并网运行

7、与电力电子技术有着密切的关系。通常有两种与电网连接方式一是直接 与电网相连，二是通过电力电子器件组成的变换器与电网联接。直接与电网相连的风电场，为了限制异步发电机在并网瞬间出现较大的冲击电流，配 有软并网装置，即在异步发电机定子与电网之间每相串人一只双向晶闸管，并网后由一个接 触器的动合触头将其短接。此外在异步发电机的出口处还装有无功补偿设备。另外，除了并网联接用的电力电子设备，在风电系统中还有一些并联补偿装置，比如 超导储能系统、固定电容器组无功补偿器、静止无功补偿器、静止无功发生器等，这些装置 中电力电子技术在其中也起着关键作用。在下面章节中将对风电系统中的这些电力电子器件 所起的作用作一

8、定的论述。3电力电子器件在风力发电中的应用电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发展，而先进的电力电子器件为 其在风力发电中的应用奠定了坚实的基础。3.1 IGBT在二十多年的发展历程中，除了保持IGBT基本结构、基本原理的特点不变之外，它经 历了六代有各自特色的演变。迄今为止GIBT仍是风力发电工程中使用的最广泛的功率器件。 在风力发电中，因为风速经常变化，IGBT模块在很短的时间内温度波动起伏大，会导致芯 片和铜底片之间以及铜底片和基板之间的焊接部分承受大量的周期性的热一机械应力，所以 提高模块应力十分重要。此外，在风力发电机舱中空间的节省不是一个小问题，提高模块功 率密度也不容

9、忽视。文献2采用IGBT的电压源换流器，具有关断电流的能力，可以应用脉 宽调制技术(PWM)进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。文献3 针对风力系统特点而设计了一种采用由GITB组成的“H”型SPWM逆变器，通过 控制“H”型逆变器中IGBT的开关波形，可以控制输出电流;通过控制SPWM的起始角。， 可以使逆变器以功率因数为1的方式向电网输送能源，并使谐波因数、畸变因数达到设计要 求。3.2交直交变频器在变速恒频风力发电系统中，需要变频装置来完成由发电机到电网的能量传递。交直交 变频器有效地克服了交交变频器的输出电压谐波多，输入侧功率因数低，使用功率元件数量 多等缺点

10、，易于控制策略的实现和双向变流，特别适合变速恒频双馈电机风力发电系统和无 刷双馈电机风力发电系统。此外，海上风电场采用电力电子变频器能够实现有功和无功的控 制，使风电机组运行在变速状态以捕获最大的风能同时降低机械应力和噪音。3.3矩阵变换器矩阵变换器是一种交交直接变频器，没有中间直流环节，功率电路简单，可输出幅值、 频率均可控的电压，谐波含量较小。应用于风力发电中的矩阵式变换器，通过调节其输出频 率、电压、电流和相位，以实现变速恒频控制、最大风能捕获控制、以及有功功率和无功功 率的解藕控制等，目前矩阵式变换器的控制多采用空间矢量变换控制方法。4风力发电中的储能技术因风能是不可直接储存的能源，对

11、于离网型风力发电系统，为了保证供电的稳定可靠， 可在多风期间将风能储存起来，以供其他装置使用。即使在风能资源丰富的地区，若以风力 发电作为获得电能的主要方式，也必须配有适当的储能系统。再者，在风力和其他能源联合供电时，也需要储能技术的介入。4.1蓄电池风力发电机在与其它发电装置互补运行或独立运行时通常使用蓄电池进行储能。在风力一柴油发电系统联合运行中，采用配备蓄电池短时储能的措施，可避免由于风力 及负荷的变化而造成的柴油机的频繁起动与停机。此外，蓄电池还可以减少柴油机的轻载运 行，使其绝大部分时间运行在比较合适的功率范围内。同样的，在风光互补发电中，也使用 蓄电池作为主要的储能方式。文献4中描

12、述了在独立运行风力发电系统中，蓄电池可以决 定风力发电系统除了满足负载使用外的输出的功率调整。文献5对于蓄电池在独立运行风力 发电系统中的选型及容量确定等作了更深入的研究。鉴于蓄电池成本考虑，在风力发电系统 中，多采用铅酸蓄电池或碱性蓄电池作为储存电能的装置。4.2超导储能器（SMES）开发超导线圈储能的可行性，美国在20世纪90年代就开始研究了。超导线圈可在超导温 度下流过极高电流密度的大电流而不消耗电能，是储存电能的最佳选择之一。利用超导储能 可以吸收或发出有功和无功功率，响应快，容量大，大大减少了电路的损耗。使用超导储能技术使风力发电机组输出电压和频率稳定，从而使电网稳定。在详细介绍 了

13、超导储能SMES的调节原理及其最优控制方法的基础上，提出在并网型风力发电系统中， 建立了SMES模型，同时用基因算法对SMES的控制参数进行寻优，仿真结果表明，SMES 单元用于并网形风力发电系统可实现对电压和频率的同时控制，提高了输出稳定性。指出风 电系统中配备储能设备可以提高风电并入电网的容量。4.3不间断电源（UPS）不间断电源（UPS）是指当交流输入电源发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并 能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。现代UPS普遍采用脉宽调制技术和IGBT、 功率MOSFEI，等现代电力电子器件，效率和可靠性得以提高。并引入微处理器软硬件技术， 实现了智能化管理，可

14、进行远程维护和远程诊断。风能的随机性较大，发电的稳定性也受到 限制，对较偏远地区或者单独运行的风电场来说，不间断电源的使用很有必要。5风力发电中的输电技术风力发电场的建立选取风力资源丰富的地区，一般都远离城镇，线路的输送能力也成为 风力发电的重要考虑因素。现在主要采用的是交流输电方式，但存在很多缺点，HVDC已经开始进入风电输电领域。 高压直流输电是应用换流技术将交流电转换为直流电输送到落点处再逆变为交流的一种输 电技术。它的优点是:可以用来实现异步联网，线路造价和运行费用较低，一般不需要增加 额外装置，更易于实现地下或海底电缆输电等。新一代HVDC技术采用GTO、GIBT等可关 断器件，以及

15、脉宽调制PWM）等技术，它的采用进一步改善了性能、大幅度地简化了设备、 减少了换流站的占地、而且降低了造价，使直流输电更有竞争力。目前，全世界IVDC工程 已达60多个，总设备容量超过4OGW。灵活交流输电系统FACTS）在电力系统中广泛采用，但在风力发电领域还没有得到足 够的重视。柔性交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合，以实现对电力系统参 数位（线路阻抗）、相位角、功率潮流的连续快速调节控制，从而大幅度提高输电线路输送 能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。自1986年美国专家N G Hingorani提出了 FACTS（Flexible AC Transmission Sy

16、stem）这个完整的概念以来，FACTS的发展越来越受到全 世界的重视6。6滤波与补偿风资源的不确定性和风电机组本身的运行特征会影响电网的电能质量，而且风力发电机 组处于供电网络的末端，承受冲击的能力很弱，有可能给配电网带来谐波污染、电源波动以 及闪变等问题，所以无功补偿和谐波抑制对风力发电系统有重要的意义。主要是以下两种6.1静止无功补偿器（SVC）静止无功补偿器（SVC）是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关，实现快 速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。近来，静止无功补偿器（SVC） 被风力发电场并网普遍采用，迅速跟踪负荷变化，对无功进行补偿，在一定程度上稳定了由 风速引起的波动电压，提高电能质量。在风电机侧安装SVC