電子電子楊群

1、電力電子技術(shù)大作業(yè)題 目： 電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的作用學(xué) 號(hào)： 1 專 業(yè)： 電子信息工程 姓 名： 楊群 任課教師： 王凱 2016年1月摘要：風(fēng)力發(fā)電是可再生資源中最具開發(fā)條件，由于其清潔無污染、施工周期短、投資靈活、占地少，具有良好的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益，已受到世界各國政府的高度重視。在風(fēng)力發(fā)電的推廣應(yīng)用中，電力電子技術(shù)起著非常重要的作用，是風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，而應(yīng)用電力電子技術(shù)和控制技術(shù)是有效的實(shí)現(xiàn)手段，本文總結(jié)了在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用較多的幾種電力電子器件及控制技術(shù)，分析了各種方法的特點(diǎn)、功用和發(fā)展。并重點(diǎn)介紹了電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的主要應(yīng)用，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電的輸送

2、方式等，最后對(duì)風(fēng)力發(fā)電的前景進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù) 風(fēng)力發(fā)電 可再生資源 控制技術(shù) 變速恒頻0. 引 言 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)境保護(hù)意識(shí)不斷增強(qiáng),開發(fā)和利用以風(fēng)能為代表的各類可再生能源已成為人類解決生存問題的戰(zhàn)略選擇。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前最成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)之一,也是許多國家重點(diǎn)開發(fā)的新能源發(fā)電技術(shù)。風(fēng)能是潔凈的，可再生的，儲(chǔ)量很大的能源，為了緩解能源危機(jī)和供電壓力，改善生存環(huán)境，在20世紀(jì)70年代中葉以后受到重視和開發(fā)利用。風(fēng)力發(fā)電有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：施工周期短，投資靈活，實(shí)際占地少，對(duì)土地要求低等，但仍在并網(wǎng)、輸電、風(fēng)機(jī)控制等方面存在問題，阻礙了風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用。因此，要大規(guī)

3、模的應(yīng)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)到風(fēng)力發(fā)電當(dāng)中，有效的解決現(xiàn)有問題，使得風(fēng)力發(fā)電成為電力行業(yè)的生力軍。本文將從不同角度展現(xiàn)電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。 1.電力電子技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 由于簡易性以及魯棒性，失速或者主動(dòng)失速控制的定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是2003年以前最常見的系統(tǒng)。主動(dòng)失速控制主要運(yùn)用在額定功率超過1 MW 的大機(jī)組，其標(biāo)準(zhǔn)組成是一個(gè)齒輪變速箱和無功補(bǔ)償電容器組。但是此系統(tǒng)也有一定的缺點(diǎn)，例如輸出功率高度不穩(wěn)定性及其在變速箱的消耗。 當(dāng)定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的缺點(diǎn)被描述出來后，開始傾向于使用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。目前，擁有雙饋感應(yīng)電機(jī)的變速恒頻變槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DFIG)非常流行，在風(fēng)力

4、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中將占有重要的地位。它與定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相比，節(jié)省了靜止無功補(bǔ)償器，可以獲取更多的電能和提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。 由多個(gè)電力電子變換器和一個(gè)多極同步電機(jī)的變速變槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)在目前也很普遍由于其能夠忽略變速箱，因此，它的結(jié)構(gòu)很有吸引力。除此之外，也存在一些使用單個(gè)變速器和多個(gè)電力電子變換器的感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)，但是其使用范圍不廣。 2變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過變槳距控制風(fēng)輪使整個(gè)系統(tǒng)在很大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)按照最佳的效率運(yùn)行，這是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是:(l)由于采用電力電子變頻器，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜;(2)通過對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，

5、使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在可發(fā)電風(fēng)速下均可獲得最佳的功率輸出，提高了發(fā)電效率;(3)風(fēng)輪機(jī)可以根據(jù)風(fēng)速的變化而以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，減少了力矩的脈沖幅度以及對(duì)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械應(yīng)力，降低機(jī)械強(qiáng)度要求;(4)風(fēng)輪機(jī)的加速減速對(duì)風(fēng)能的快速變化起到了緩沖作用，使輸出功率的波動(dòng)減小。(5)通過一定的控制策略(如svPwM控制)對(duì)風(fēng)電機(jī)組有功、無功輸出功率進(jìn)行解禍控制，可以分別單獨(dú)控制風(fēng)電機(jī)組有功、無功的輸出，具備電壓的控制能力。最后兩點(diǎn)非常有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、)綜合上述特點(diǎn)，變速發(fā)電機(jī)組適合用于大功率，通常大于IMW的系統(tǒng)。 兩種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)變速恒頻系統(tǒng)主要又分為同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。其中同步

6、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng);異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要是繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。永磁同步發(fā)電機(jī)是利用永久磁鐵取代轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)比較簡單、牢固。永磁同步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是通過控制一套整流逆變裝置，將發(fā)電機(jī)輸出的變頻變壓交流電轉(zhuǎn)換為滿足電網(wǎng)要求的恒頻恒壓交流電。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用電勵(lì)磁的同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示，發(fā)電機(jī)定子通過變頻器和電網(wǎng)相連接，轉(zhuǎn)子采用AC/DC整流裝置給發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁。發(fā)電機(jī)可以采用變速箱驅(qū)動(dòng)，也可以使用直接驅(qū)動(dòng)。變頻器同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)為:(1)發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電功率都通過變換器，變換器容量需要按100%功率選取，比雙饋系統(tǒng)

7、容量大，投資和損耗大，諧波吸收困難;(2)可以使用永磁發(fā)電機(jī)，電機(jī)輕，效率高，而且可以采用直接驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，去掉笨重的變速箱;(3)功率變換器為單象限的，結(jié)構(gòu)簡單。采用繞線式異步電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng))其典型結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，可再生住幼電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用示。這是一種比較合適的變速恒頻方案，該結(jié)構(gòu)定子繞組和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)子繞組由具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵(lì)，交流勵(lì)磁控制通過變頻裝置向轉(zhuǎn)子提供三相滑差頻率的電流進(jìn)行勵(lì)磁，通過變頻器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，雙饋調(diào)速將轉(zhuǎn)差功率回饋到電機(jī)軸或者電網(wǎng)，這是各種傳動(dòng)系統(tǒng)中效率比較高的。其特點(diǎn)為:(l)變頻器僅流過轉(zhuǎn)差功

8、率，其容量小，通常可按發(fā)電總功率的25%左右選取(轉(zhuǎn)速變化范圍士33%時(shí))，投資和損耗小，發(fā)電效率提高2%-3%，諧波吸收方便;(2)只能使用雙饋電機(jī)，比永磁電機(jī)重，效率低，需要變速箱，整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)較笨重;(3)由于要求功率雙向流過變頻器，它必須是四象限變頻器，其價(jià)格約是同容量單象限變頻器的一倍。雙饋風(fēng)力發(fā)電方式的雙向變頻器通常使用矩陣變頻器、交一交變頻器或交一直一交變頻器IH3!。矩陣式變頻器是一種交一交直接變頻器，由9個(gè)直接接于三相電源和三相負(fù)載之間的開關(guān)陣組成。矩陣變頻器沒有中間直流環(huán)節(jié)，功率電路簡單、緊湊，輸出由電源的三個(gè)電平組成，可輸出幅值、頻率、相位和相序均可控的電壓，諧波含量較小

9、。矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控，可在四象限工作，適合變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。盡管矩陣式變換器電壓傳輸比只有0.866，但不會(huì)影響它在電壓要求低，勵(lì)磁電壓可靈活設(shè)計(jì)的雙饋發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用。雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在其換流過程中不允許存在兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。器件承受電壓高也是此類變換器一個(gè)很大缺點(diǎn)。應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中，由于矩陣變頻器的輸人輸出不解藕，即無論是負(fù)載還是電源側(cè)的不對(duì)稱都會(huì)影響到另一側(cè)。另外，矩陣變頻器的輸人端必須接濾波電容，雖然其電容的容量比交一直一交的中間儲(chǔ)能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開關(guān)頻率的交流電流，其體積并不小。交一交變頻器大多采用

10、晶閘管自然換流方式，工作穩(wěn)定、可靠，與電源之間進(jìn)行無功功率交換和有功功率回饋容易，為四象限變頻器，其無環(huán)流系統(tǒng)的最高輸出頻率為電網(wǎng)供電頻率的1/2。盡管交交變頻器還具有無中間直流濾波環(huán)節(jié)，變頻器效率高等優(yōu)點(diǎn)，在雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到一定的應(yīng)用，但由于交交變頻器中晶閘管采用自然換流方式，變頻器始終吸收無功功率，功率因數(shù)低、諧波含量大、輸出頻率低、變化范圍窄、使用元件數(shù)量多等因素，使之在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用受到了一定的限制。交一直一交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設(shè)計(jì)等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交一直一交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開關(guān)，其

11、直流側(cè)電感比較昂貴，而且應(yīng)用于雙饋調(diào)速中，在過同步速時(shí)需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的不多。采用電壓型交一直一交變頻器，這種整流變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn)，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過直流母線側(cè)電容完全實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的分離。提出的電壓型交一直一交變頻器的雙饋發(fā)電機(jī)定子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤的發(fā)電機(jī)有功和無功的解藕控制.是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)代表方向。3.分頻輸電技術(shù)分頻輸電技術(shù)是我國學(xué)者王錫凡教授于1994年提出的一種新型輸電技術(shù)1。眾所周知，

12、一條所能傳輸?shù)碾娔苁怯幸欢ㄏ拗频?。限制輸電線路傳輸電能能力的因素主要有3個(gè)，即機(jī)械極限、熱極限和穩(wěn)定極限。機(jī)械極限就是說輸電線路必需有一定的機(jī)械強(qiáng)度，也就是說，如果輸電線過細(xì)、電線的支撐體（如鐵塔）很弱，其輸電能力必將受限，甚至稍遇風(fēng)雨即倒，就無法應(yīng)用。熱極限在低壓配電是考慮的主要因素，如導(dǎo)線過細(xì)，則可能導(dǎo)致導(dǎo)線無法承受過大的電流而被燒毀。但在電壓相對(duì)較高的輸電系統(tǒng)中，由于散熱條件較好，即使由于機(jī)械原因?qū)Ь€也不能太細(xì)，熱極限根本不用考慮。因此，決定一條輸電線路的輸電能力的主要是穩(wěn)定極限。我們知道，電能在導(dǎo)線中是以電波的形式傳輸電能的，起始端和終端之間有一定的相位差。輸電線傳輸電能的最大值由下式

13、決定：PMAX=U1U2/X(1)式中，U1和U2分別為送電端和受電端的電壓，一般來說二者大體相等，因此也可以U2；X為輸電線路阻抗，如近似忽略其中的電阻成分，則其近似為L。也就是說，輸電線路的輸電能力和L成反比，即和電路的角頻率成反比，這就是分頻輸電的最基本原理和理論依據(jù)。分頻是依靠依靠低轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)發(fā)出分頻電力（如50/3Hz）實(shí)現(xiàn)的，然后經(jīng)過低頻升壓變壓器升壓，通過輸電線路將電力輸送至遠(yuǎn)方。因此把這種輸電方式稱之為分頻輸電。分頻電力輸送至末端，再經(jīng)倍頻器將分頻電力轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl電力向受端電力系統(tǒng)供電。分頻輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是倍頻器，過去設(shè)想采用鐵磁型三倍頻變壓器，因此將分頻頻率定為50/3H

14、z。這樣線路輸送容量大致可以提高三倍，接近于線路得熱極限。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，改變頻率不再是那么困難，不一定要把分頻設(shè)為1/3工頻，可以把分頻輸電改成為低頻輸電。但是，1/3工頻是一個(gè)合適的分頻頻率，即使用電力電子裝置，通常仍維持50/3Hz，因此這種新型輸電方式常常仍被成為分頻輸電。4.未來趨勢(shì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)尺寸仍將會(huì)增大，這就意味著葉片直徑會(huì)相應(yīng)增大，主軸速度會(huì)降低。這將會(huì)推動(dòng)齒輪箱的新發(fā)展，或新的多極發(fā)電機(jī)的研究。齒輪箱可以是一個(gè)磁性禍合，但這是一個(gè)新的發(fā)展。齒發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的相互連接將通過電力電子實(shí)現(xiàn)，目前被廣泛運(yùn)用的拓?fù)涫请p饋電感應(yīng)發(fā)電機(jī)，現(xiàn)在爭論的焦點(diǎn)是全功率變換器(除T價(jià)錢)作為電網(wǎng)連接，作為發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間隔離。功率變換器將進(jìn)人中壓時(shí)代己減小尺寸，更接近使用循環(huán)儲(chǔ)備功率變換器。中壓的拓?fù)淇梢院投嘞喟l(fā)電機(jī)一起改善冗余和可靠性，即使是部分電力電子和一發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)都很有可能。一個(gè)風(fēng)能站將包含許多風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通過直流或交流，這是一個(gè)開放問題，尤其是當(dāng)能源要被傳輸?shù)诫x岸很遠(yuǎn)的