風(fēng)力發(fā)電及相關(guān)技術(shù)綜述2---_圖文

1、風(fēng)力發(fā)電及相關(guān)技術(shù)綜述風(fēng)力發(fā)電及相關(guān)技術(shù)綜述魏偉1,許勝輝2(1.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,武漢430074;2.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信系,武漢430ar74摘要:改善能源結(jié)構(gòu),發(fā)展新的可再生能源,減輕對(duì)環(huán)境的污染,提高電能質(zhì)量,己成為我 國(guó)能源工業(yè)關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。風(fēng)能不僅是目前最有開發(fā)利用前景的一種新能源,而且是應(yīng)用技 術(shù)最成熟曲可再生能源,隨著風(fēng)能的開發(fā)和利用,風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)也取得了顯著的進(jìn)步,并 逐漸成為能源技術(shù)中的一個(gè)重要分支。文中主要研究當(dāng)前風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)與相關(guān)工程技術(shù)問(wèn)題。 關(guān)鍵詞:風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng);風(fēng)能開發(fā);并網(wǎng)變流器;電流諧波A Re、,iew about Rela吐ve Te

2、chnolo留Used in Wind Po骶r G毛恥髓6仰syst哪WEI Weil,XU Shenghuf(1.Sch00l of ElectIical&ElecnDnic Eng,Huazhong Univers時(shí)of Science aIld Technology,Wuhan 430074; 2.Depanment of telecom Engineering,WuhaIl Institute of Technology.wuhaIl 430074,ChinaABSTRACT:It is a focus of attention of tIle world 9nergy in

3、dustry for improVing tlle energr stmcture, utilization of renewable eneFgr, reducing en、,im砌ental pouution aIld improving power quality.Wind en ergyis one of tlle new aIld renewable resources mat have t|le most faVorable deVel叩ment plDspect aIld ex ploitation technologies are most advanced at tlle p

4、resent time.Wi山tlle deVelopment of tlle exploitation aIld utilization of wind energy,willd energy techn0109y also have marl【ed progress, alld become an em .br蛐chment 0f enelgy tecllIlology.111is p印er maillly study tlle relative tecllIlologr used in誠(chéng)nd power gene枷onsystem.0引 言進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著人口的迅速膨脹以及 經(jīng)濟(jì)的

5、高速發(fā)展電力供需矛盾日趨突出,能源問(wèn) 題和環(huán)境問(wèn)題已成為當(dāng)今世界各國(guó)面臨的重大問(wèn) 題。開發(fā)新能源和發(fā)展可再生能源,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可 持續(xù)發(fā)展,已成為人類社會(huì)的共識(shí)n。3。風(fēng)能作為 一種可再生能源,其資源極其豐富。據(jù)專家估計(jì), 全世界風(fēng)能資源總量約為每年2萬(wàn)億kw,也就是 說(shuō),僅l%的地面風(fēng)力就能滿足全世界對(duì)能源的需 求。由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,近10年來(lái)風(fēng)收稿日期:2008-041l一54一 力發(fā)電的成本呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì),日趨接近燃 煤發(fā)電的成本,因此風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越受到世界各 國(guó)的重視,且發(fā)展風(fēng)電具有顯著的環(huán)保效益。丹 麥的研究表明,用風(fēng)電代替煤電是減少CO:排放 的最廉價(jià)的措施之一。綜合資源

6、、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、 環(huán)保等因素,大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電,是解決我國(guó) 能源和電力短缺最現(xiàn)實(shí)的戰(zhàn)略選擇。1世界風(fēng)電的發(fā)展近幾年來(lái),風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展不斷超越其預(yù)期 的發(fā)展速度。在過(guò)去5年中,全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容 量的平均增長(zhǎng)率一直保持在33%,而每年新增風(fēng)第14屆微特電機(jī)及控制學(xué)術(shù)年會(huì)論文集電裝機(jī)容量的增長(zhǎng)率則更高,平均為35.7%,到 2003年底,全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到4000萬(wàn)千 瓦,其總量相當(dāng)于40座標(biāo)準(zhǔn)核電站的發(fā)電量總和, 足以供應(yīng)l 600萬(wàn)歐洲普通家庭或4000萬(wàn)歐洲居 民的電力需求。目前,世界風(fēng)能發(fā)電大部分集中 在歐洲和美國(guó),其中歐洲占全世界風(fēng)電裝機(jī)容量 的74%,其他地區(qū)也在崛起。目前約有5

7、0個(gè)國(guó)家 加入風(fēng)力發(fā)電的行列4“。世界風(fēng)電市場(chǎng)的增長(zhǎng)情 況見表1。表l 19972002年世界風(fēng)電市場(chǎng)的增長(zhǎng)情況年度從表l可見,風(fēng)電成為世界上增長(zhǎng)最陜的能源。 到2002年底,全世界并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量 達(dá)到31.128Gw,是1996年裝機(jī)容量的5倍;其中 歐洲裝機(jī)23.291Gw,美國(guó)4.685Gw,其它地區(qū) 3.151Gw;風(fēng)電裝機(jī)較多的國(guó)家是:德國(guó) 12.001Gw,西班牙4.830Gw,美國(guó)4.585Gw,丹 麥2.880GW和印度1.702Gw,中國(guó)477MW(其中 包括臺(tái)灣省9MW。截止2003年,世界主要風(fēng)電 國(guó)家的裝機(jī)容量見表2。表22003年世界主要風(fēng)電國(guó)家裝機(jī)容量情

8、況從表2可見,世界90%的風(fēng)電市場(chǎng)份額集中 在歐洲和美國(guó)。2001年德國(guó)、美國(guó)和西班牙風(fēng)電 均超過(guò)1GW,2002年德國(guó)達(dá)到3GW,西班牙接 近1.5Gw,丹麥、美國(guó)超過(guò)400Mw,目前風(fēng)電 市場(chǎng)的價(jià)值約為6.8×1012歐元。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和 綠色和平組織期望并預(yù)測(cè)2020年全球的風(fēng)力發(fā)電 裝機(jī)容量將達(dá)到12.3億kw,這是2002年世界風(fēng) 電裝機(jī)容量的38.4倍,約為中國(guó)當(dāng)前裝機(jī)容量的 3.3倍,每年裝機(jī)容量將達(dá)到1.5億kw,風(fēng)力發(fā) 電容量將占全球發(fā)電總量的12%。“風(fēng)力12%”的 藍(lán)圖,展示出風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為解決世界能源問(wèn) 題不可缺的重要力量。風(fēng)力發(fā)電不再是一種可有 可無(wú)的補(bǔ)充

9、能源,已經(jīng)成為最具有商業(yè)化發(fā)展前 景的成熟技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè),未來(lái)有可能成為世界 最重要的替代能源。2我國(guó)風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)的風(fēng)能資源十分豐富"。101。據(jù)中國(guó)氣象 科學(xué)研究院估算,全國(guó)平均風(fēng)能密度為100w/m2, lO m高層的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為32.68億千瓦,其 中實(shí)際可開發(fā)利用的陸地風(fēng)能資源量為2.53億千 瓦一o。自1986年5月山東榮成建成我國(guó)第1個(gè)并 網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)開始,到2003年底,中國(guó)已經(jīng)在14個(gè) 省、自治區(qū)建立了40個(gè)風(fēng)電場(chǎng),安裝的風(fēng)電機(jī)組 累計(jì)1061臺(tái),總裝機(jī)容量達(dá)到568.4l Mw,約占 中國(guó)電力總裝機(jī)量的o.15%,約占世界風(fēng)電總裝 機(jī)容量的1.4%。19912

10、003年全國(guó)風(fēng)電每年新增 裝機(jī)容量和累計(jì)裝機(jī)容量如圖1。120呈100面80墊60套媒40蹇20風(fēng)力發(fā)電及相關(guān)技術(shù)綜述上,已經(jīng)成為國(guó)際主流機(jī)型的MW級(jí)機(jī)組與并網(wǎng) 設(shè)備在我國(guó)尚處研制階段,目前大型風(fēng)機(jī)與相關(guān) 設(shè)備只能依賴進(jìn)口或與外商合作生產(chǎn)。3風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)方式通常風(fēng)力發(fā)電的可利用風(fēng)速為320n/s,按 照與風(fēng)輪機(jī)相連接的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否恒定,風(fēng)力 發(fā)電可分為恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行與變速運(yùn)行2種方式;按照 發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同,大致可分為交流異步發(fā)電機(jī)、 交流同步發(fā)電機(jī)和交流雙饋發(fā)電機(jī)幾種型式的風(fēng) 力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)11。13f。圖2利用交流異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 圖2為早期采用交流異步發(fā)電機(jī)的典型風(fēng)力發(fā) 電并網(wǎng)

11、系統(tǒng),交流異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,發(fā) 出的工頻交流電可直接使用或經(jīng)變壓器輸入電網(wǎng)。 在多數(shù)情況下,異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行; 繞線式異步電機(jī)可以通過(guò)接人轉(zhuǎn)子的可變電阻來(lái) 實(shí)現(xiàn)低頻勵(lì)磁調(diào)節(jié)以此來(lái)控制轉(zhuǎn)矩大小,也可以 變速運(yùn)行。因?yàn)橐獜碾娋W(wǎng)吸收能量以獲取勵(lì)磁電 流,所以異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般不能脫離電 網(wǎng)單獨(dú)運(yùn)行,除非用某種方式獲得勵(lì)磁。異步電 機(jī)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)時(shí)通過(guò)晶閘管控制的軟并網(wǎng)裝置 接人電網(wǎng),在同步轉(zhuǎn)速附近合閘并網(wǎng),因此沖擊 電流較大,另外需要增加電容無(wú)功補(bǔ)償裝置。圖3采用交流同步發(fā)電機(jī)的典型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng) 圖3為采用交流同步發(fā)電機(jī)的典刑風(fēng)力發(fā)電并 網(wǎng)系統(tǒng)。早期的同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不論

12、發(fā)電機(jī)的 轉(zhuǎn)矩(風(fēng)輪機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩如何變化,要求發(fā)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速應(yīng)恒定不變,否則發(fā)電機(jī)將與電網(wǎng)列解。為 一56一 此,同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)采用調(diào)速機(jī)構(gòu),以維 持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變,并且需要進(jìn)行同步與整 步操作,這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)稱為恒速恒頻 系統(tǒng)。由于同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)需采用調(diào)速機(jī)構(gòu), 從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。當(dāng)風(fēng)能大幅波動(dòng)時(shí), 作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定,調(diào)速機(jī)構(gòu)的調(diào)速 性能也很難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)所要求的調(diào)速精度。 隨著電力電子變流技術(shù)的進(jìn)步,先進(jìn)的同步 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常采用交一直一交的接入方式,即 先把同步發(fā)電機(jī)輸出的交流電變成改流,然后再 逆變成工頻交流電接人用戶或電網(wǎng)。這種發(fā)電方 式的優(yōu)點(diǎn)是

13、,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不必與電網(wǎng)頻率要求的 轉(zhuǎn)速同步。隨著高性能、低價(jià)格的釹鐵硼(NdFeB 磁鐵的普及,制造性能更加優(yōu)良、結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)便 的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)己成為可能。交流永磁同 步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與一般同步電機(jī)相同,轉(zhuǎn)子 采用永磁結(jié)構(gòu)。由于沒(méi)有勵(lì)磁繞組,不消耗勵(lì)磁 功率,因而具有較高的效率。采用永磁發(fā)電機(jī)可 做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合,省去齒輪箱, 即為直接驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu),這樣可以大大減小系統(tǒng)運(yùn) 行噪聲,提高可靠性。盡管由于直接耦合,永磁 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低,使發(fā)電機(jī)體積大、成本高, 但由于省去了價(jià)格較高的齒輪箱,使整個(gè)系統(tǒng)的 成本還是降低了。圖4為采用交流雙饋發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 雙饋發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和

14、繞線式異步發(fā)電機(jī)類似,但 在轉(zhuǎn)子上有3個(gè)或4個(gè)滑環(huán),其饋電方式和雙饋電 機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)相似,即定 子繞組接電網(wǎng),轉(zhuǎn)子繞組則由一套交流一交流或 交流一直流一交流的變流器提供頻率、相位、幅 值都可以調(diào)節(jié)的電源實(shí)現(xiàn)恒頻輸出;為了得到恒 頻電流輸出,先由變流器提供的低頻勵(lì)磁電流在 轉(zhuǎn)子中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度 和轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速相加等于定子磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速, 從而在定子繞組中感應(yīng)出工頻電壓,當(dāng)風(fēng)速變化 引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時(shí),改變轉(zhuǎn)子繞組中勵(lì) 磁電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速可以保持定子旋 轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速恒定,達(dá)到變速恒頻發(fā)電的目的, 還可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值和相位實(shí)現(xiàn)發(fā)電

15、第14屆微特電機(jī)及控制學(xué)術(shù)年會(huì)論文集機(jī)的有功、無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié),由于變流器只 需要供給轉(zhuǎn)差功率容量不需要很大,大大減少了 變流器的容量,變流器的成本及控制難度大大降 低。它的缺點(diǎn)是交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)需要滑環(huán)和電刷。 目前這種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)正越來(lái)越得到風(fēng)力發(fā)電工 作者的關(guān)注,前景較為樂(lè)觀。器圖4交流雙饋發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)上述系統(tǒng)由于發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的繞線式感應(yīng)電 機(jī)類似,一般具有電刷和滑環(huán),需要一定的維護(hù) 和檢修。目前有一種新型的無(wú)刷雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā) 電系統(tǒng),采用的發(fā)電機(jī)是無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī),其定 子有兩套繞組,一套稱為功率繞組,直接接入電 網(wǎng);另一套繞組稱為控制繞組,通過(guò)雙向變流器 接電網(wǎng),它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為

16、籠型或磁阻式,無(wú)需電 刷和滑環(huán),.轉(zhuǎn)子的極數(shù)為定子兩個(gè)繞組極對(duì)數(shù)之 和。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)機(jī)相連,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)一子繞 組和定子控制繞組直接相連,變流器產(chǎn)生定子控 制繞組的電壓,當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時(shí),可以 通過(guò)變流器改變控制繞組中電流的頻率,從而使 得發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率保持不變。這種發(fā)電機(jī) 的恒頻控制方案是在定子繞組中實(shí)現(xiàn)的,流過(guò)定 子控制繞組的功率僅僅是發(fā)電機(jī)總功率中的一小 部分,能夠有效地降低變流器的容量,同時(shí)還可 以靈活控制發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功功率,由于沒(méi)有 電刷和滑環(huán)不需要維護(hù),發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,降低 了發(fā)電機(jī)的成本,提高了運(yùn)行的可靠性;且雙饋 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由于電力電子變流裝置容量較小,很 適合

17、應(yīng)用于大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這種系 統(tǒng)的缺點(diǎn)是定子需要兩套繞組。4風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)相關(guān)問(wèn)題隨著風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的容量越來(lái)越大,其 對(duì)電力系統(tǒng)的影響就變得越來(lái)越明顯j,研究風(fēng)電 并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響己成為重要課題。大型風(fēng) 電場(chǎng)并網(wǎng)會(huì)改變電力系統(tǒng)原有的潮流以及網(wǎng)損分 布,因此對(duì)電網(wǎng)的規(guī)劃提出了新的要求;可能給 配電網(wǎng)帶來(lái)電能質(zhì)量問(wèn)題,如諧波污染、電壓的 波動(dòng)及閃變;對(duì)系統(tǒng)的功率角、頻率以及電壓穩(wěn) 定性產(chǎn)生不利影響;需要重新評(píng)估系統(tǒng)發(fā)電的可 靠性,分析風(fēng)電容量的可信度;研究新的無(wú)功調(diào) 度及電壓控制策略以保證風(fēng)電場(chǎng)和整個(gè)系統(tǒng)的電 壓水平及無(wú)功平衡,對(duì)孤立系統(tǒng)的穩(wěn)定性影 響等14。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用軟

18、并網(wǎng)方式,但是在 啟動(dòng)時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過(guò) 切出風(fēng)速時(shí),風(fēng)機(jī)會(huì)從額定出力狀態(tài)自動(dòng)退出運(yùn) 行。如果整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的所有風(fēng)機(jī)幾乎同時(shí)動(dòng)作, 這種沖擊對(duì)配電網(wǎng)的影響十分明顯:不僅如此, 風(fēng)速的變化和風(fēng)機(jī)的塔影效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 的波動(dòng),如果其波動(dòng)正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變 的頻率范圍之內(nèi)(低于25Hz風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)也 會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)閃變問(wèn)題。國(guó)際電機(jī)委員會(huì)成立了 一個(gè)工作組,研究風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影 響,在其報(bào)告中特別提到電壓閃變可能是限制風(fēng) 電發(fā)展的重要因素。盡管電壓閃變可以通過(guò)專門 裝置實(shí)地測(cè)量,但是在實(shí)際中,在風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì) 階段就需要預(yù)測(cè)它可能給電網(wǎng)造成的閃變,以此 確定電

19、網(wǎng)可以接受的最大風(fēng)電容量。對(duì)于電壓閃 變一些研究的基本結(jié)論包括以下幾點(diǎn):1風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和退出、風(fēng)速的紊流以及風(fēng)機(jī) 的塔影效應(yīng)都可能導(dǎo)致電壓閃變,尤其定槳距風(fēng) 機(jī)造成的后果更嚴(yán)重一些。2電壓閃變對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的短路電流水平和電網(wǎng) 的阻抗比(有文獻(xiàn)以阻抗角描述十分敏感。3系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)削弱風(fēng)電造 成的閃變作用不明顯。4動(dòng)態(tài)負(fù)荷(以感應(yīng)電機(jī)為代表能夠顯著降 低閃變的發(fā)生,其作用相當(dāng)于提高了并網(wǎng)點(diǎn)的短 路電流水平。一57風(fēng)力發(fā)電及相關(guān)技術(shù)綜述風(fēng)電給系統(tǒng)帶來(lái)諧波的途徑主要有兩種: 1風(fēng)機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器可能與線路電抗發(fā) 生諧振,在實(shí)際運(yùn)行中,曾經(jīng)在風(fēng)電場(chǎng)出口變壓 器的低壓側(cè)觀測(cè)到產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。

20、為了模 擬這種現(xiàn)象,文獻(xiàn)14采用簡(jiǎn)單的物理模型(變壓 器用短路電抗表示,發(fā)電機(jī)和負(fù)荷用阻抗支路表 示,就得到了和實(shí)測(cè)相當(dāng)接近的結(jié)果。2風(fēng)機(jī)本身配備的電力電子裝置可能帶來(lái)諧 波問(wèn)題。對(duì)于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)機(jī),軟啟 動(dòng)階段要通過(guò)電力電子裝置與電網(wǎng)相連,因此會(huì) 產(chǎn)生一定的諧波,不過(guò)因?yàn)檫^(guò)程很短,發(fā)生的次 數(shù)也不多,通常可以忽略。但對(duì)于變速風(fēng)機(jī)則不 然,因?yàn)樽兯亠L(fēng)機(jī)通過(guò)整流和變流裝置接人系統(tǒng), 如果電力電子裝置的開關(guān)頻率恰好在產(chǎn)生諧波的 范圍內(nèi),則會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波問(wèn)題,不過(guò)隨著 電力電子器件的不斷改進(jìn),這個(gè)問(wèn)題也在逐步得 到解決,與電壓閃變問(wèn)題相比,風(fēng)電并網(wǎng)所帶來(lái) 的諧波問(wèn)題其研究文獻(xiàn)相對(duì)不多。

21、文獻(xiàn)1516針對(duì)小型孤立電網(wǎng),在仔細(xì)考 慮同步發(fā)電機(jī)及其調(diào)速調(diào)壓器、風(fēng)機(jī)及其異步發(fā) 電機(jī)、輸電線路以及各種類型負(fù)荷的情況下,研 究在諸如發(fā)電機(jī)斷開、線路斷開、三相短路故障 以及風(fēng)速擾動(dòng)情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題,結(jié)果表 明電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率都存在大幅度波動(dòng),因 此有必要對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)以后系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行認(rèn)真 評(píng)估。電壓穩(wěn)定性問(wèn)題也備受關(guān)注,因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng) 大多采用感應(yīng)發(fā)電機(jī),需要系統(tǒng)提供無(wú)功支持, 有可能導(dǎo)致小型電網(wǎng)的電壓失穩(wěn)、電壓崩潰。由 于大型電網(wǎng)具有足夠的備用容量和調(diào)節(jié)能力,一 般不必考慮風(fēng)電并網(wǎng)所引起的頻率穩(wěn)定性問(wèn)題。 但是對(duì)于孤立運(yùn)行的小型電網(wǎng),風(fēng)電帶來(lái)的頻率 偏移和穩(wěn)定性問(wèn)題也是不容忽視的。

22、5風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)綜上所述,無(wú)論是采用異步發(fā)電機(jī)還是同步 二58一 發(fā)電機(jī),風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的存在著大量的電 力電子器件,而且AC/DC.DC/AC,AC/DCLAC等 電力電子變流器技術(shù)獲得廣泛的應(yīng)用。電力電子 變流器所采用的電力電子器件可以是二極管、晶 閘管(scR、可關(guān)斷晶閘管(GTO、功率晶體管 (GTR和絕緣柵雙極性晶體管(IGBT等。這些器 件中除二極管只能用于整流電路外,其他器件都 能用于雙向變換,即由交流變換成直流時(shí),它們 起整流器作用:而由直流變換成交流電時(shí),它們 起逆變器作用¨卜19J。對(duì)于在早期風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中所采用的晶 閘管相控變流器,最重要的問(wèn)題

23、是換向,換向是 一組功率半導(dǎo)體器件從導(dǎo)通狀態(tài)關(guān)斷,而另一組 器件從關(guān)斷狀態(tài)導(dǎo)通。在變速系統(tǒng)中,可以有兩 種換向,即自然換向(又稱線路換向和強(qiáng)迫換向。 當(dāng)變流器與交流電網(wǎng)相聯(lián),在換向時(shí)刻,利用電 網(wǎng)電壓反向加在導(dǎo)通的半導(dǎo)體器件兩端使其關(guān)斷, 這種換向稱為自然換向或線路換向。而強(qiáng)迫換向 則需要增加換向器件(如電容器等,利用電容器 上的充電電荷按極性反向加在半導(dǎo)體器件上強(qiáng)迫 其關(guān)斷。這種強(qiáng)迫換向.變流器常用于獨(dú)立運(yùn)行系 統(tǒng),而線路換向變流器則用于與電網(wǎng)或其他發(fā)電 設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)。雖然傳統(tǒng)的晶閘管變流器 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜,但變流器存在功率因 數(shù)低、電流諧波人、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等缺陷,給電網(wǎng) 造成嚴(yán)

24、重的污染。隨著電力電子器件的性能價(jià)格比不斷提高以 及脈寬調(diào)制變流器技術(shù)的發(fā)展,以IGBT為代表的 新型電力電子器件的最大功率已經(jīng)達(dá)到MW級(jí), 無(wú)論在經(jīng)濟(jì)上還是在技術(shù)上,基于全控型器件的 變流器已經(jīng)可以在現(xiàn)有能量等級(jí)的商業(yè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng) 中投入使用,PwM變流器己經(jīng)取代了過(guò)去變速風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)中采用的電網(wǎng)換向式變流器。與傳統(tǒng) 的變流器相比;如果變流器采用基于全控型器件 的P硎變流器技術(shù),利用刪變流器可控的Ac/Dc變換特性,可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),減 少損耗和沖擊:尤其是在采用雙饋發(fā)電機(jī)組的風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)中所采用的四象限變流器系統(tǒng)實(shí)際上 就是將兩個(gè)電壓源型變流器串聯(lián)使用,發(fā)電機(jī)發(fā)第屆微特電機(jī)及控制學(xué)術(shù)

25、年會(huì)論文集 出的電能通過(guò)由構(gòu)成的橋路被送往直流環(huán)節(jié) （同時(shí)電機(jī)橋也可以向感應(yīng)發(fā)電機(jī)提供必要的勵(lì)磁 電流），然后通過(guò)控制電網(wǎng)橋，直流環(huán)節(jié)的電能就 可以饋送交流電網(wǎng)，在使用高開關(guān)頻率器件轉(zhuǎn)換 電流方向以后，系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)輸送高質(zhì) 制信號(hào)，根據(jù)電流誤差與三角波交點(diǎn)來(lái)改變功率 管的狀態(tài)，該方法易于確定開關(guān)頻率。 矢量控制技術(shù)：參考文獻(xiàn)提出的這種電 流控制技術(shù)，將電流和電壓的坐標(biāo)系劃分為 個(gè)扇型區(qū)域，每個(gè)區(qū)域相角相差。，通過(guò)在線 量的正弦交流電能。通過(guò)對(duì)采用的模式進(jìn)行 適當(dāng)?shù)目刂疲€可以調(diào)整電網(wǎng)電能的功率因數(shù)， 為了使電網(wǎng)的電壓不受干擾，電網(wǎng)側(cè)可以以單位 功率因數(shù)正弦波電流并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行，從而能快速

26、 控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng) 發(fā)電。 變流器技術(shù) 計(jì)算電流矢量誤差信號(hào)在坐標(biāo)系中的區(qū)域，選擇 變流器的輸出電壓矢量，強(qiáng)制電流矢量誤差信號(hào) 向相反方向改變，從而保持變流器輸出電流接近 參考信號(hào)。 采用（脈寬調(diào)制）策略控制風(fēng)力發(fā)電變流 器不僅可以實(shí)現(xiàn)靈活、可靠的網(wǎng)側(cè)電流控制，而 且還可以減少發(fā)電機(jī)與并網(wǎng)變流器輸出電流的諧 波含量，從而提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出電能 質(zhì)量弘圳。 參考文獻(xiàn) 中國(guó)能源的發(fā)展與展望北京：中國(guó)計(jì)量出版社， 在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)變流器主要由電流 控制器的設(shè)計(jì)特性決定，電流控制器包括電流參 考信號(hào)的產(chǎn)生和調(diào)制技術(shù)，而變流器通常采用的 調(diào)制技術(shù)都是基于策略，其中最為常

27、用且簡(jiǎn) 單有效的四種方法，包括周期采樣控制、電流滯 環(huán)控制、三角波載波控制和矢量控制。前三種方 全球氣候變化報(bào)告，應(yīng)對(duì)氣候挑戰(zhàn)英國(guó)公共政策研究 院、美國(guó)發(fā)展中心、澳大利亞學(xué)院機(jī)構(gòu)聯(lián)合撰寫 何祚麻，王亦楠，風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)能源和電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn) 略的最現(xiàn)實(shí)選擇上海電力，（） 中國(guó)資源綜合利用協(xié)會(huì)可再生能源專業(yè)委員會(huì)綠色和平中 國(guó)編譯關(guān)于年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量的藍(lán)圖 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社， 李潔，趙彥云中國(guó)產(chǎn)業(yè)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)比較分析中國(guó)統(tǒng) 計(jì)，（） 劉寶蘭，文華里世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與前景能源工程， ，（） 袁玉琪，楊校生風(fēng)風(fēng)能風(fēng)力發(fā)電一世紀(jì)新型清潔能源 中國(guó)電力，（） 施鵬飛從世界發(fā)展趨勢(shì)展望我國(guó)風(fēng)力發(fā)電前景中國(guó)電 力，（） 法在不同波形（包括正弦、準(zhǔn)方波和整流補(bǔ)償電 流）下進(jìn)行過(guò)測(cè)試，并在相同開關(guān)頻