風力發(fā)電與電力電子技術

1、能源與環(huán)境能源技術風力發(fā)電與電力電子技術李建麗李黎黎山東青島）（青島大學自動化工程學院摘要：在風力發(fā)電的推廣應用中，電力電子技術起著非常重要的作用，是風電發(fā)展的關鍵技術之一。就電力電子技術對風力發(fā)電系統(tǒng)運行性能的改善作一些探討。關鍵詞：風力發(fā)電電力電子技術并網運行中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）裝有無功補償設備，其框圖見圖。風力發(fā)電系統(tǒng)的組成及其特點不論是獨立運行的風電系統(tǒng)還是并網運行的風電系統(tǒng)，其主要的組成部分都包括以下幾個模塊：風機、發(fā)電機和控制系統(tǒng)。由于風力發(fā)電的一次能源即風能是間歇性的，發(fā)電機會經常處于啟停狀態(tài)，因此發(fā)電機類型常選為異步發(fā)電機。而正是這些因素才使得風力發(fā)電系統(tǒng)有著

2、不同于常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的特點：（）輸入風能的變化具有隨機性，如果不采取任何措施，風力發(fā)電機輸出的功率將隨著風速的變化而波動，從而影響發(fā)電系統(tǒng)的電能質量。（）含異步發(fā)電機的風力發(fā)電機組運行時輸出有功功率，同時要吸取無功功率。不與電網連接的風電系統(tǒng)必須配有無功補償裝置，這種補償裝置可以是固定電容器組，也可以是電力電子器件組成的補償設備。如果與電網相連，異步發(fā)電機吸收的無功可以部分或全部從電網獲取，但依然要根據風力發(fā)電機的類型及電網的要求來確定是否增設無功補償裝置。（）異步發(fā)電機無電壓控制能力，電壓波動容易超出允許范圍。以上這些風力發(fā)電系統(tǒng)的特點，也可以說是缺點，隨著電力電子技術的應用正日益得到改善。圖

3、直接并網風機的聯(lián)接框圖對于通過電力電子變換器與電網聯(lián)接的風電場，其中采用的風力發(fā)電機的類型，目前研究最多的是變速雙饋異步發(fā)電機和變速同步發(fā)電機，由于它們本身構造上的特點和技術上要求，與電網連接時都需要電力電子技術的支持。以雙饋異步發(fā)電機為例，其與電網聯(lián)接的框圖見圖。風力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子技術風力發(fā)電既可獨立運行，也可并網運行。對于獨立運行的風電系統(tǒng)，其可靠性和穩(wěn)定性不如并網運行的風電，因圖雙饋異步發(fā)電機聯(lián)接框圖此風電并網運行成為發(fā)展趨勢。風電并網運行與電力電子技術有著密切的關系。通常有兩種與電網連接方式：一是直接與電網相連，二是通過電力電子器件組成的變換器與電網聯(lián)接。直接與電網相連的風電場，

4、為了限制異步發(fā)電機在并網瞬間出現(xiàn)較大的沖擊電流，配有軟并網裝置，即在異步發(fā)電機定子與電網之間每相串入一只雙向晶閘管，并網后由一個接觸器的動合觸頭將其短接。此外在異步發(fā)電機的出口處還另外，除了并網聯(lián)接用的電力電子設備，在風電系統(tǒng)中還有一些并聯(lián)補償裝置，比如超導儲能系統(tǒng)、固定電容器組無功補償器、靜止無功補償器、靜止無功發(fā)生器等，這些裝置中電力電子技術在其中也起著關鍵作用。在下一小節(jié)中將對風電系統(tǒng)中的這些電力電子器件所起的作用作一定的論述。電力電子器件對風電系統(tǒng)運行性能的改善直接與電網相連風電的軟并網裝置和無功補償設備直接與電網相連的風電場中采用的是恒速風機，發(fā)電機通常為鼠籠型異步發(fā)電機，因直接聯(lián)網

5、的啟動電流過大，多選用雙向晶閘管進行軟并網。如圖所示。晶閘管的軟并網），女，青島大學自動化工程學院碩士研究生，從事風力發(fā)電方面的研究。作者簡介：李建麗（能源與環(huán)境能源技術換器技術有助于系統(tǒng)進行電壓調節(jié)。需要說明的是，另外還有很多可用于風力發(fā)電的發(fā)電機，它們大多都需要通過電力電子變換器與電網相連，盡管所用變換器類型和接線方式不同，但其功能與上面所述的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)大同小異。電力電子器件為核心的儲能裝置對風電系統(tǒng)性能的改善隨著風力發(fā)電并網容量的加大，風電并網運行將嚴重影響系統(tǒng)的電能質量，甚至可能便電網失去穩(wěn)定。在這種情況下，為了優(yōu)化風力發(fā)電機組輸出的電壓和頻率，提高系統(tǒng)的電能質量，同時也為了增加

6、風電并入網的容量，在風力發(fā)電系統(tǒng)中裝設一定的儲能設備是很有必要的。儲能裝置有蓄電池儲能、飛輪儲能、超導儲能等，現(xiàn)只對超導儲能作一探討。超導儲能系統(tǒng)（）代表了柔性交流輸電的新技術方向，它能夠吸收或發(fā)出有功和無功功率來快速響應電力系統(tǒng)的需要，容量大、響應快，雖然價格昂貴，但到年代已經被應用于風力發(fā)電系統(tǒng)。超導儲能單元由一個超導線圈、一個強制換向變換器、一個控制器組成。強制換向變換器是基于晶閘管的半導體開關，可工作于逆變器狀態(tài)和整流狀態(tài)，使單元在相應的狀態(tài)下發(fā)出或吸收有功功率和無功功率?？焖俚墓β释掏履芰挽`活的四象限調節(jié)能力使它很有效地跟蹤電氣量的的波動，提高系統(tǒng)的阻尼。文獻說明了超導指出風電系統(tǒng)

7、儲能提高了風電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。文獻中裝設有儲能設備可以提高風電并入電網的容量。過程如下：當風電符合并網條件時，雙向晶閘管的控制角同時從°到°逐漸同步打開，與此同時，雙向晶閘管的導通角由°到°逐漸增大，此時并網自動開關未動作，異步發(fā)電機通過晶閘管平穩(wěn)并入電網。隨著發(fā)電機的轉速繼續(xù)增高，電機的滑差率漸趨于零。當滑差率為零時，與晶閘管并聯(lián)的動合觸頭動作，雙向晶閘管被短接，至此并網過程完成。文獻指出軟并網可以將起動電流限制在倍額定電流以下，從而得到一個平滑的并網暫態(tài)過程，避免了繼電保護裝置的誤動作，使得風力發(fā)電機能順利并網。為了提高異步發(fā)電機的功率因數，需要在

8、異步發(fā)電機出口處接入無功補償裝置。常用的無功補償裝置有固定電容器組、靜止無功補償器、靜止無功發(fā)生器等，它們各有特點，對風力發(fā)電系統(tǒng)的運行，其貢獻也不盡相同：文獻說明固定電容器組在風電運行中按照一定的順序進行分組投入或切出，能夠將未補償前較低的功率因數提高到左右，由于其成本低，應用廣泛，但因調節(jié)不連續(xù)、響應速度慢，很難滿足風機無功功率隨機快速變化的需要；靜止無功補償器由多臺（組）可投切電容器、快速可調整容量的電抗器以及各次諧波濾波裝置組成，響應速度快，能迅速跟蹤負荷而變化無功的大小和方向，在一定程度上穩(wěn)定由風速引起的波動電壓，提高電能質量，但電壓低時仍無法提供所需的無功支持；靜止無功發(fā)生器是基于

9、電力電子技術和控制技術相結合的一種產品，它通過與系統(tǒng)進行無功功率交換，以維持線路電壓穩(wěn)定，與靜止無功補償器相比，它的無功電流輸出可以在很大的電壓變化范圍內恒定，在電壓低時仍能提供較強的無功支撐，并且可從感性到容性全范圍內連續(xù)調節(jié)。從以上各種無功裝置的比較可以看出電力電子技術的優(yōu)點，但成本高是限制其廣泛應用的一個障礙。通過電力電子變換器與電網相連的風電系統(tǒng)中電力電子的作用如圖所示，帶有可變速風力發(fā)電機的風電場通過電力電子變換器被連接至電網，此變換器目前多采用控制的交直交變頻形式，利用安裝于雙饋感應發(fā)電機端的速度檢測器得到發(fā)電機轉差頻率信號，并通過該信號控制調制波的頻率，同時利用調制技術控制變流器

10、開關器件的導通與關斷，從而控制變頻器輸出電壓的幅值與相位。這種變換器相當于在電機軸速和電網頻率之間提供一個軟連接。首先，風力發(fā)電系統(tǒng)的控制設備可以包含非常有效的發(fā)電機電磁轉矩動態(tài)特性的算法，在此過程中，由風波動引起的過量和缺乏的能量可以通過儲存在風力發(fā)電機組的旋轉質量中。這可以消除風力發(fā)電廠短期波動，有利于維持電網連接點的電壓質量。第，電力電子變換器的控制算法可連續(xù)地調整電網發(fā)電系統(tǒng)提供的無功功率，與所產生的有功功率無關。第，電力電子變換器消除了發(fā)電機和電網之間的直接耦全。因此可以在電網故障期間保持風場與電網連接并向電網提供能量，而不對電機造成不利后果。結論電力電子的應用對風力發(fā)電的縱深發(fā)展起著非常重要的作用。但同時要注意的是，電力電子技術對風電系統(tǒng)的運行性能的改善的程度，取決于系統(tǒng)的控制算法，一個好的算法，可以充分發(fā)揮電力電子裝置的作用，提高風電運行特性，同時也可以消除采用電力電子裝置帶來的負面影響（比如諧波）。隨著電力電子裝置的性價比不斷提高，電力電子技術的不斷發(fā)展，電力電子器件將越來越多地被應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中，使得風電日益展現(xiàn)出它的優(yōu)勢，更多地為人類造福。參考文獻，（）：，（增刊）：李謙風力發(fā)電場對電網的影響寧夏電力，謝少軍大型