电力电子技术在风电行业的应用.doc

电力电子技术在风电行业的应用09电气3班 0810211331 李懋摘要:随着经济的快速增长与新能源的不断发掘运用，风电行业得到了长足的发展。电力电子技术作为风电行业中不可或缺的一门学科，发挥着重要作用。电力电子在风电行业中的应用非常广泛，本文就风力发电系统的分类；双馈风力发电双向变频器的优缺点；风力发电的输送方式等进行了简单介绍，同时也对电力电子技术在风电行业中的作用进行了展望。关键词:电力电子技术；风电行业；风力发电；恒速恒频；变速恒频；双馈发电机随着社会的进步，科技的发展，电力电子技术作为一门实用性非常广阔的学科，在多种领域得到了广泛的应用。电力电子技术在风电行业中的应用，是其中一个重要的分支。2012年，全球风电装机容量将达到1.9亿千瓦，年发电4000亿千瓦时。在欧洲风电新装机数量的下降的同时，亚洲和北美地区却在不断上升。中国风电新装机的数量在2008年已超越印度，成为世界第四大风电国，成为风电在全球最主要的市场之一。由于电力电子技术在风电技术发展中起到重要作用，所以电力电子技术在风电行业中占有重要地位。风力发电技术发展与电力电子技术的应用中，风力发电技术的发展趋势大体上可以归纳为以下几点：1、 小容量向大容量发展2、 定桨矩向变桨矩、变速恒频发展3、 陆上风电向海上风电发展随着技术的发展，电力电子技术在风电行业的应用也在不断改善。现阶段电力电子技术在风电行业的应用中，有：1、 鼠笼型异步发电机变速恒频定子侧串变频器2、 永磁式带变频器同步发电机变速恒频3、 双馈发电机变速恒频4、 双馈发电机变流器等等。但是使用电力电子设备，也带来了一些负面影响，如电磁噪音，还有热损耗和高dv/dt电压等。所以电力电子技术的新发展与应用是一个必然的趋势。技术的新发展与应用，有如风电场谐波抑制与无功功率补偿，低电压穿越技术，抑制阵风引起的端电压矢量突变，海上防盐雾及长距离传输电能等。在简单分析了电力电子技术在风电行业中的应用情况后，电力电子技术在风电行业中的具体应用，我们在此进行简单的整理叙述。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。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。图1是目前风力发电的两种典型系统。典型设计都使用低压功率器件(风力发电机组都是690V的低压机组，没有中高压机组),电压通过升压变压器升至中压水平。在海上应用中，为了远距离输电，电压被升到输电电压水平(大约69kV)。目前的风机功率为1MW1.3MW，海上应用的4MW5MW的风机正在研制过程中。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。一、恒速恒频风力发电机组原理框图如图2所示。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，转差率为负值。电机工作在发电机状态，且转差率的可变范围很小(5)，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。这种风电机组的主要特点为：(1)系统结构简单，适合在野外，缺少维护的环境工作；(2)由于转速不变，无法进行最大功率点跟踪控制，发电的效率降低；(3)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：(4)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；(5)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。在工程中通常采用静止无功补偿器SVC或TSC来进行无功调节。采用软起动来减小起动时发电机的电流。综合上述特点，恒速发电适合用于小功率，通常不高于600 kW 的系统。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。二、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：(1)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。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1MW 的系统。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。其典型结构如图3所示。采用电励磁的同步风力发电系统如图4所示，发电机定子通过变频器和电网相连接，转子采用ACDC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5所示。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：(1)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33时)，投资和损耗小，发电效率提高23，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。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。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0866，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入输出不解耦，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，矩阵变频器的输入端必须接滤波电容，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12。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。文献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耦控制是目前变速恒频风力发电的一个代表方向。三、Light HVDC技术在海上风电场的应用随着国外大型海上风电场的出现，轻型直流输电(Light HVDC)技术在工程中也已被采用。在一些国家，能源规划中有很高一部分为风力发电，这要通过建设大型海上风电场来实现。这些风电场对整个电力系统控制和电能质量会产生重要影响，因此要求他们必须满足很高的技术要求：能进行频率和电压控制，调整无功和有功输出，在电力系统暂态或动态情况下快速响应，例如在2 s的时间内将功率输出从额定出力降低到20的出力。为了实现这些要求，需要电力电子技术在电力系统结构和海上风电场的控制中扮演重要的角色。采用电力电子变频器的海上风电场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。对于海上风电场的长距离功率输送，Light HVDC是一种较好的选择。风电场出口的中低压交流电在输电侧转换成高压直流。直流功率通过长距离直流输电线路送到陆上，再将高压直流转换成交流。图6为Light HVDC输电原理框图。随着世界范围内能源短缺的加剧，风力发电受到了更多的重视，更多大规模的风电开始接入电力系统，电力电子技术在风电并网及正常运行中发挥了重要作用。通过采用电力电子技术，风电机组的运行特性大为改善；通过有功、无功控制，风电机组可以对系统的频率和电压控制起到一定作用；而大规模风电场的并网运行，也将会逐渐降低风力发电的成本，使风力发电更为普及，在经济和社会发展中发挥出更大的作用。科技的进步必将带动电力电子技术在风电行业中实现更多的应用，更多电力电子技术在风电行业中的应用，也期待着我们的发掘。参考文献：1.电力电子技术在风电行业的应用及产业化前景 禹华军2.Bull Stanley RRenewable Energy Today and Tomorrow【A】Proceedings of the IEEEC2001，89(8)：121612263.杨慧颖，邬嘉鸣，张波，杜敏风力发电中电力电子技术的应用J山东电力高等专科学校学报，2005，(4)4.Blaabjerg Frede，Chen Zhe，Kjaer Soever BaekhoejPower Electronics as Efficient Interface of Renewable Energy Sources【A】The 4th Power Electronics and 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