电力电子技术在风力发电中的应用

摘要:本文主要从风力发电机系统、常见风力发电机系统、电力电子技术在风力发电中的优势、电力电子技术在风力发电应用中的展望等方面进行了详细的阐述。

关键词:电力电子技术；风力发电；应用

中图分类号：B819文献标识码： A

一、前言

随着全球范围内的能源短缺问题日益严重，风力发电越来越受到重视，本文就电力电子技术在风力发电中的应用进行了探讨。

二、风力发电机系统

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。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

三、常见风力发电机系统

1.横速恒频风力发电系统

恒速恒频发电系统通常采用普通异步发电机,在国外,普通异步发电机一般被称为丹麦概念风电阻,正常运用在超同步状态。而在风速变化时,这种发电机的转速基本不发生改变,所以才被称之为恒速恒频风电机组,在具体的使用过程中,采用电力电子变换装置器的机会很少。主要特点为:恒速恒频风电机组系统结构较为简单,特别适合在那些缺少维护的环境中工作,如野外；由于恒速恒频风电机组的转速是不变的,所以无法进行跟踪及控制最大功率点跟踪,造成发电效率不高；由于恒速恒频风电机组的转速是不变的,所以等风速在短时间内迅速提高时,强大的风能将通过桨叶传递给发电机、主轴、齿轮箱等部件,进而产生较大的机械应力,容易使这些部件疲劳,甚至损坏,所以恒速恒频风电机组的发电机、主轴、齿轮箱等部件一般比较坚固；恒速恒频风电机组在正常工作时,不能对电压进行控制,也不能提供电压支撑能力,所以在电网发生故障时,不利于保持系统的稳定和系统电压的恢复；随着风速的不断变化和波动,恒速恒频风电机组发出的电能也跟着波动,而且相当敏感。

2.变速恒频风力发电系统

变速恒频风力发电系统是当前风力发电发展的重要趋势,主要是指通过变桨距控制风轮,这样即使在极大的转速范围内,也难实现整个系统的最佳运行效率。变速恒频风力发电组的主要特点有:变速恒频多电风电机组的结构相对于恒速恒频来说比较复杂,采用的是电力电子变频器；由于转速是变化的,所以能够实现对最大功率的跟踪,使得只要达到可发电风速时,就能实现最佳的功率输出,极大提高了风力发电效率；风轮机可以跟着风速的变化而自行改变转速,从而大大减小了力矩的脉冲幅度,对风力机的机械应力减小；针对风能的不断变化,风轮机可以进行加速、减速进行缓冲,减小输出功率的波动；通过采取SVPWM等控制策略,对风电机组无功输出和有功输出进行解藕控制,进而实现对无功输出和有功输出的单独控制,具备控制电压的能力。

四、电力电子技术在风力发电中的优势

风力发电之所以获得快速发展,除了能源需求增加,环保压力加大外,还因为风力发电本身具有独特的优点。

1.除水力发电之外,风力发电是当今世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电技术。

2.全球风能资源丰富。全球风能潜力约为目前全球用电量的5倍。中国也有十分丰富的陆地和近海风能资源,根据初步估算,中国陆地风能可开发量约253GW,海上风能资源更大,估计可开发量在750GW左右,两者总计约1000GW。

3.风能是可再生能源。常规化石能源终将耗尽,而风能取之不尽,用之不竭。

4.清洁无污染。据欧洲风能协会估计,到2020年风力发电可提供世界电力需求的12%,降低全球二氧化碳排放量超过12万亿吨。

5.施工周期短。风电场安装施工周期很短。单台风电机组的安装时间不超过三个月,风电场建设期不到一年,而且安装一台可投产一台、

6.实际占地少,对土地要求低。风电场内设备建筑占地仅约占风电场l%,其余场地仍可供农、牧、渔使用。

在风力发电发展的初期,风力发电机组经历了从定桨距到变桨距再到变速变桨距的发展过程。目前大都采用变速变桨距风力发电机组。在初期,电机都是采用普通异步发电机发电。普通异步发电机无法控制,并网的风力发电机组对电网来说相当于随机的扰动源(由于风速的随机变化),所以无论对电网的电能质量还是对电网运行的稳定性都有一定的消极影响。

五、电力电子技术在风力发电应用中的展望

1.采用永磁多极同步发电机的风电机组发出频率变化的交流电, 首先通过整流器整流成为直流电再通过逆变器变换为频率恒定的交流电送入电网。所有的电力都要通过变频器送入电网。这种系统在并网时没有电流冲击, 可以调节发电机的无功功率, 但是需要的变频器容量和风力发电系统的容量相同,设备成本较高, 并且有高频电流谐波注入电网。与固定速度风力发电机相比, 变速恒频风电机组节省了静止无功补偿器, 可以更多的捕获风能和提高风电机组发出电力的电能质量, 虽然增加了投资, 但是有利于整个风电场和系统的稳定运行。

2.变速恒频风电机组优点的实现, 取决于变速恒频风电机组控制系统的设计。在变速恒频风力发电系统中, 主要的变频器控制环节部分的组成及作用如下:

发电机侧变流器, 自关断器件(GTO、IGBT等)构成AC/DC变流器, 采用一定的控制方法将发电机发出的交流电转换为直流电。

直流环节, 一般直流环节的电压控制为恒定。

电网侧变流器, 由自关断器件构成的DC/AC变流器, 采用某种控制方法使直流电转变为三相正弦交流电(50Hz), 并能有效补偿电网功率因数。

上述变频器为交- 直- 交变频器, 也有采用交-交变频器的。永磁多极同步发电机的全部功率通过变频器进行转换, 而双馈异步发电机只有部分功率(转差功率)通过变频器进行转换。

3.双馈风力发电机组的控制

当发电机的转速n小于定子旋转磁场的转速n1时, 发电机处于亚同步状态, 此时变频器向发电机转子提供交流励磁, 发电机由定子发出电能给电网;当发电机的转速n大于定子旋转磁场的转速n1时, 此时发电机处于超同步状态, 由定子和转子发出电能给电网, 变频器的能量流向逆向。当n=n1时, 处于同步状态, 此时发电机作为同步电机运行, f2=0, 变频器向转子提供直流励磁。双馈电机的变速恒频方案是在转子电路实现的, 流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率, 该转差功率仅为定子额定功率的一小部分, 变频器的成本即控制难度大大降低。采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制, 还可以实现有功、无功功率的单独解耦控制, 对电网而言可起到补偿无功控制电压的作用。

六、结束语

加强对电力电子技术的研究，可以更好的使其应用在风力发电中，所以对该部分研究必须加强重视，研究该部分内容非常具有现实意义。

参考文献：

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[2] 王朝.风力发电中电力电子技术的应用[J].新西部下半.2012（3）:16-18.

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