电力电子在风力发电中的应用

电力电子技术在风力发电中的应用专业：自动化班级：231142-16姓名：赵超超学号：20141002855指导老师：朱冬娇日期：2017年1月4日摘要：本文主要收集了风力发电系统中电力电子技术的应用，简单介绍了风电并网技术、恒速恒频发电和变速恒频发电以及电力电子技术在风力发电储能、输电技术、滤波补偿中的应用，并电力电子技术对风电系统运行性能的改善作了探讨。关键词：电力电子技术、风力发电系统、性能改善开发和利用新能源及可再生能源是解决中国能源和环保问题的重要战略措施之一。在众多可再生能源中，风力发电技术是目前为止最适用于大规模发电的技术之一，而在风力发电中应用电力电子技术，能使风电机组的运行特性大为改善，在风电并网及正常运行中也发挥着重要作用。1.风力发电系统的组成及其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）输入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。2.电力电子技术在风力发电系统中的应用2.1在风力发电机系统中电力电子技术的应用。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。风能是不能储存能源，将风能转换成电能并输送到电网过程中，电力电子设备是关键因素之一。目前，风力发电系统中应用的电力电子技术主要有风电并网技术、恒速恒频发电和变速恒频发电。2.1.1风电并网技术由于并网运行的风电，其可靠性和稳定性都好，所以风电并网运行成为发展趋势。风电并网运行与电力电子技术有着密切的关系。通常有直接与电网相连、通过电力电子器件组成的变换器与电网联接这两种与电网连接的方式。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入一只双向晶闸管，并网后由一个接触器的动合触头将其短接。至于采用的风力发电机的类型，目前研究最多的是变速双馈异步发电机和变速同步发电机，由于它们本身构造上的特点和技术上要求，与电网连接时都需要电力电子技术的支持。2.1.2恒速恒频发电和变速恒频发电风力发电系统中，发电机是能量转换的核心部分，风力发电机系统按照发电机运行的方式来分，主要有恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两种。风力发电机组与电网并联运行时，要求风力发电机组发出电能的频率保持恒定，即与电网频率相等。风力发电发出大小变化的直流电或频率变化的交流电，需要电力电子变换器将电能进行变换。（1）恒速恒频风力发电系统。恒速恒频发电机系统一般采用的是普通异步发电机，这在国外一般被称为丹麦概念风电机组。这种风电机组的发电机正常运行在超同步状态时转差率为负值，电机工作在发电机状态时转差率的可变范围很小，风速变化时发电机转速基本不变，所以称之为恒速恒频风电机组。恒速恒频风电机组一般很少采用电力电子变换器装置，这种风电机组主要有五大特点：第一，系统结构简单，适合在野外、缺少维护的环境工作。第二，这种风电机组在正常运行时无法对电压进行控制，不能象同步发电机一样提供电压支撑能力，不利于电网故障时系统电压的恢复和系统稳定。第三，当风速快速升高时，由于转速不变，风能将通过桨叶传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，产生很大的机械应力，引起这些部件的疲劳损坏，所以要求坚固。第四，发出的电能也随风速波动而敏感波动的，若风速急剧变化，可能会引起风电机组发出电能质量问题，如电压闪变、无功变化等。随着电力电子技术特别是电机变频调速技术的不断完善，更多的风力发电系统采用变速恒频风力发电系统。（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，这也是当前风力发电发展的一个趋势。变速恒频风力发电机组主要有五大特点：第一，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。第二，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，提高了发电的效率。第三，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。第四，风轮机可以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。第五，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耦控制，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，这十分有利于电网的安全稳定运行。（3）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。采用电励磁的同步风力发电系统，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。同步风力发电机系统主要特点有：第一，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%功率选取，比双馈系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收困难。第二，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。第三，功率变换器为单象限的，结构简单。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.2.2电力电子技术在风力发电系统的储能技术上的应用。(1)风力发电具有风速不稳定的特点，这就给风力发电的稳定性带来了一定的困难，而且在风力发电系统中由于风能不能直接被存储，所以为了保证稳定的供电，必须将风能进行储存，因此，储能技术是非常重要的。(2)目前，风力发电系统中，蓄电池由于其优越性而被作为主要的储能方式。而超导线圈储能也是最佳储能选择之一，但其研究时间较晚，普及较为困难。此外，不间断电源由于在其输入电流中断时能够继续供电的特点恰好能够针对风力发电随机性较强的特点而受到了很大的重视，在电力电子技术的应用中，主要体现在不间断电源的结构上它普遍采用脉宽调制技术和IGBT功率M0SFET等现代电力电子器件，这使得其效率和可靠性得以提高，对于较为偏远的发电站，基于电力电子技术的不间断电源的普及将会有非常巨大的作用。2.3电力电子技术在风力发电输电技术中的应用。(1)风力发电的一大特点就是需要风力资源充足，这就使得发电位置要比较偏远，在输电技术上产生一些问题，目前，交流输送是主要的方式，不过这种方式有较多的不足。将来在风力发电输电系统中的趋势是HVDC(高压直流输电）技术，它能够做到异步联网，且性价比较高、结构比较优越、对于环境的适应性更强。电力电子技术在这种技术上目前应用很广泛，主要体现在它的可关断器件一般选取GTO、IGBT等，另外较为普遍的使用PWM等技术，电力电子技术的应用使得直流输电投入更小、质量更高，对于其普及具有不可忽视的作用。(2)此外，基于电力电子技术的HVDCLight(轻型直流输电）对于风力发电输电也有较好的作用，它能够做到海上风电场的交流网络与电网不保持同步运行，抗故障能力极强。(3)在未来，将会受到重用的还会有FACTS(灵活交流输电系统）。FACTS技术是基于电力电子技术与现代控制技术的结合，能够对系统参数、相位角、功率潮流等快速的控制，对于提高输电能力以及系统稳定性有非常好的效果。2.4电力电子技术在风力发电的滤波、补偿中的应用。风力发电机组处于供电网络的末端，很容易使得配电网受到谐波污染、电源波动以及闪变等，因此，滤波及补偿在风力发电系统中必不可少，目前主要技术有SVF(静止无功补偿器）及APF(有源电力滤波器）。(1)静止无功补偿器。静止同步无功补偿器是目前技术最为先进的无功补偿装置。它不再采用大容量的电容器，电感器来产生所需无功功率，而是通过电力电子器件的高频开关实现对无功补偿技术质的飞跃，特别适用于中高压电力系统中的动态无功补偿。目前，在风力发电系统中静止无功补偿器(SVC)应经被广泛的使用，它能够快速的对负荷的改变进行跟踪，并进行无功补偿。这就针对风力发电中电压波动较大的情况进行了改善，使其稳定，进而提高了电能的质量。将静止无功补偿器配置在风电机侧安，这可以增加阻尼，实现动态电压控制；将静止无功补偿器配置电网则会减小振荡、提供无功支持。(2)有源电力滤波器。APF的基本工作原理是采用可关断的电力电子器件和基于坐标变换原理的瞬时无功理论控制，检测补偿对象的电流和电压，利用电力控制器代替系统电源向负荷提供所需的畸变电流，从而保证系统最终得到期望的电源电流。和普通SVC相比，响应时间更快，对电压波动，闪变补偿率更高，控制功能更强，同时也能更有效地虑除高次谐波，补偿功率因数。3.电力电子技术对风电系统运行性能的改善3.1软并网装置和无功补偿设备。直接与电网相连的风电场中采用的是恒速风机，发电机通常为鼠笼型异步发电机，因直接联网的启动电流过大，多选用双向晶闸管进行软并网。如图1所示。晶闸管的软并网过程如下：当风电符合并网条件时，双向晶闸管的控制角同时从180°到0°逐渐同步打开，与此同时，双向晶闸管的导通角由0°到180°逐渐增大，此时并网自动开关未动作，异步发电机通过晶闸管平稳并入电网。随着发电机的转速继续增高，电机的滑差率渐趋于零。当滑差率为零时，与晶闸管并联的动合触头动作，双向晶闸管被短接，至此并网软并网可以将起动电流限制在1.5倍额定电流以下，从而得到一个平滑的并网暂态过程，避免了继电保护装置的误动作，使得风力发电机能顺利并网。为了提高异步发电机的功率因数，需要在异步发电机出口处接入无功补偿装置。常用的无功补偿装置有固定电容器组、静止无功补偿器（SVC）、静止无功发生器等，它们各有特点，对风力发电系统的运行，其贡献也不尽相同:固定电容器组在风电运行中按照一定的顺序进行分组投入或切出，能够将未补偿前较低的功率因数提高到0.98左右，由于其成本低，应用广泛，但因调节不连续、响应速度慢，很难满足风机无功功率随机快速变化的需要；静止无功补偿器由多组可投切电容器、快速可调整容量的电抗器以及各次谐波滤波装置组成，响应速度快，能迅速跟踪负荷而变化无功的大小和方向，在一定程度上稳定由风速引起的波动电压，提高电能质量，但电压低时仍无法提供所需的无功支持，其在风电系统中的接入方式如图3.1所示；图3.1风力发电动态无功功率补偿装置控制框图静止无功发生器是基于电力电子技术和控制技术相结合的一种产品，它通过与系统进行无功功率交换，以维持系统电压稳定，与静止无功补偿器相比，它的无功电流输出可以在很大的电压变化范围内恒定，在电压低时仍能提供较强的无功支撑，并且可从感性到容性全范围内连续调节。从以上各种无功装置的比较可以看出电力电子技术的优点，但成本高是限制其广泛应用的一个障碍。3.2电力电子变换器。如图3.2.1所示，带有可变速风力发电机的风电场通过电力电子变换器