現(xiàn)代電力電子技術在風力發(fā)電中的研究進展與應用

李林，于惠鈞?，閔婕，田淑慧，榮俊梅

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南省 株洲市 412007）

現(xiàn)代電力電子技術在風力發(fā)電中的研究進展與應用

李林，于惠鈞?，閔婕，田淑慧，榮俊梅

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南省 株洲市 412007）

世界能源問題日益嚴重，環(huán)境問題也越來越令人頭疼，新能源的開發(fā)利用也就越來越得到世界各國科學家的深入研究。而風電在新能源中越來越優(yōu)秀的表現(xiàn)，被發(fā)現(xiàn)其前途無限光明。作為可再生能源的重要組成部分，風電具有的施工周期不長，對環(huán)境無污染，投資相對比較靈活，占地面積少，對土地幾乎沒有要求等優(yōu)點決定了其成為了最具發(fā)展前景的能源之一[1]。隨著風力發(fā)電技術的廣泛應用，風力發(fā)電的高效率和高電能質量也就被提上日程，電力電子技術在風電系統(tǒng)中的出現(xiàn)也就顯現(xiàn)了價值。本文分析了一些電力電子器件功能屬性及其發(fā)展，介紹了電力電子技術在風力發(fā)電中的實際應用;并包含了風力發(fā)電系統(tǒng)的分類，風力發(fā)電輸電方式，以及電力電子技術在風力發(fā)電中的應用展望。

新能源；可再生能源；風力發(fā)電；電力電子技術；高電能質量

0 引言

地球上富含的風能能量龐大，總量約為2.74×109MW，而可利用的風能資源大約為2×107MW[2]。

目前，風力發(fā)電產業(yè)在各國的發(fā)展態(tài)勢良好，各國也都在進行風電技術的革新，成果顯著，不過海上風電的發(fā)展還不夠樂觀。2016年發(fā)表的《2016年全球風電發(fā)展展望》，其內容呈現(xiàn)了這樣的事實，即風電在將來全球能源架構組成中扮演者不可或缺的角色，將成為未來能源轉型的中流砥柱。報告中，GWEC超前發(fā)展情景預測風電將保持良好的發(fā)展態(tài)勢，并預計到2020年可以基本滿足1/3的全球用電，而各國的能源政策也在努力朝著抑制全球變暖的目標改進，并考慮能源使用的安全，價格不至于大幅度波動以及增加工作機會和保證全球水資源的安全[3]。報告超前情景中，隨著風電市場的良性發(fā)展，預期到2020年，新增市場將達到100GW，累計將達到879GW；根據(jù)預計，新增風電市場到2030年將達到145GW，市場累計將達2,110GW，基本可以保障全球用電的20%，而對應的CO2減排量可達每年33億噸，對解決全球環(huán)境變化問題中扮演著一個極其重要的角色。 風電系統(tǒng)運行過程中需要大量的電力電子器件的支持，例如并網(wǎng)逆變系統(tǒng)需要變流技術，而變流技術就屬于電力電子技術的范疇。

電力電子技術興起于20世紀50年代，主要應用于電力發(fā)展，主要是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。隨著電力電子技術的發(fā)展，其已經(jīng)滲入到生活中的方方面面，尤其在能源開發(fā)及電能工業(yè)控制中扮演著重要的角色[4]。當然，電力電子技術最主要的用途仍是電力變換，不管是電力系統(tǒng)的發(fā)電及變電甚至輸送電、還是隨處可見的手機電源及充電器等電器，都與電力電子技術脫不了干系。

隨著電力電子技術及風電技術的發(fā)展，電力電子技術已在風電系統(tǒng)中得到普遍的應用。

1 電力電子器件

1.1 IGBT

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是結合了GTR和MOS(絕緣柵型場效應管)兩個器件優(yōu)點的全控型電壓驅動式功率半導體器件, 不但具備MOSFET輸入阻抗高的優(yōu)點，還具有GTR導通壓降低的優(yōu)勢[5]。GTR的飽和壓降比較低，載流密度也很大，但驅動電流不小；MOSFET的驅動功率不像GTR那么大，其開關的速度也非?？?，但其導通時電壓的降落卻比較大，載流密度卻又比較小。IGBT同時具備了這兩種器件的優(yōu)點，卻又沒有其缺點，不但驅動功率小，而且飽和壓降也很低[6]。

作為新型電力半導體場控自關斷器件，IGBT不但具備了高速性能和低電阻性能，能承擔的輸入阻抗也很高，另外其控制電路相對于其他半導體器件要簡單的多，而且耐高壓和大電流，因此其已經(jīng)普遍應用在在電力變換中[8]。

1.2 矩陣變換器

矩陣變換器是一種新型的交流—交流電源轉換器[9]。交流可以進行各種參數(shù)的轉換，如相位、相數(shù)、振幅、頻率。與常規(guī)轉換器相比，它具有以下優(yōu)點：缺少了直流儲能部分；也就可以進行四象限運行；另外，其輸入電流波形和輸出電壓波形有著很好的特性；功率因數(shù)還可以進行自由控制。

目前，矩陣變換器調制策略可分以下三種：

直接轉換方法。直接轉換方法是通過對輸入的電壓進行不間斷斬波繼而合成“輸出電壓”的，包括坐標變換法，諧波注入法，等效電導法和標量法等常見方法，以上方法各有各的明顯優(yōu)勢，但他們各自的缺點也使得它們的適用范圍受到局限[10]。例如標量法，其輸入相電流的波形具有很好的特性，可是其輸出諧波卻達不到很高的要求。

電流跟蹤法。具體是對比三相輸出電流信號和所測量的輸出電流信號，以確定基于所述比較結果和開關電源的當前狀態(tài)的切換操作，這種方法有著淺顯易懂，反應速度快，魯棒性好，實現(xiàn)也很簡單等特點，但作為滯環(huán)電流的一種，也就逃脫不了那些顯而易見的缺點，比如穩(wěn)定性不好的開關頻率，不規(guī)律的諧波分布，還有就是達不到理想要求的輸入電流波形，及存在的不小的諧波。

空間矢量調制技術，是利用空間矢量變換來虛擬轉換交-交變換與交-直和直-交變換，然后利用高頻整流技術及應用廣泛的高頻PWM波形合成技術，改善變換器性能。

2 電力電子技術在再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的主要應用

發(fā)電機作為風電系統(tǒng)能量轉換的核心，根據(jù)其系統(tǒng)運行的方式，主要分為恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)[11]。風電機組若要安全并網(wǎng)運行，就必須保證其發(fā)出恒定且等于電網(wǎng)頻率的電能頻率。

2.1 風電并網(wǎng)技術

并網(wǎng)運行的風電有著可靠和穩(wěn)定的優(yōu)點，因此風電的并網(wǎng)運行成為當今風能開發(fā)的主要趨勢。風電之所以能并網(wǎng)運行，電力電子技術扮演著重要的角色。風電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的方式通常有直接連接和通過電力電子部件組成的變換器連接兩種方式[12]。風電場直接到電網(wǎng)的話，異步電機并網(wǎng)瞬間會產生巨大的沖擊電流，軟并網(wǎng)裝置的裝配就是為了限制沖擊電流。

2.2 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

恒速恒頻系統(tǒng)采用的普通異步發(fā)電機一般運行在超同步狀態(tài)，他的轉差率非正，且變化并不明顯，可以看做恒速恒頻。這種風電機組的風力機有三個葉片，主軸系統(tǒng)中的高速軸和低速軸中間連有齒輪箱。

恒速恒頻風電機組在我國已經(jīng)得到很廣泛的應用，一般并不采用電力電子器件[13]。一些這種風力發(fā)電機組采用可控硅通過控制接入電阻中的電流來進行調速。這種風電機組的缺點很明顯：由于風能傳遞的通道是槳葉，一旦風速增加特別快，就會產生相當高的機械應力，使得主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件容易產生疲勞損壞；另外這種系統(tǒng)在正常運行時無法控制電壓，也不能提供電壓支持，這對電網(wǎng)故障時系統(tǒng)電壓恢復及系統(tǒng)的穩(wěn)定是很不利的。這是使用普通異步電機的最大缺點。

2.3 變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

目前，風電并網(wǎng)常采用異步風力發(fā)電機組運行方式，其運行方式的最大特點就是直接并網(wǎng)運行，而且沒有任何控制[14]。時刻變化的風速和風向會對電網(wǎng)造成沖擊，造成諧波污染，還會造成當?shù)仉娋W(wǎng)不能穩(wěn)定運行。為了解決這個問題，引入了變速恒頻控制，也就是一旦風輪轉速因風而變化，仍能保證穩(wěn)定的輸出功率的頻率。風力發(fā)電有著許多其他發(fā)電方式所沒有的優(yōu)點，但還是有難題，例如并網(wǎng)，傳輸，風機控制方面，阻礙了風力發(fā)電發(fā)展[15]。因此，先進的電力電子技術與風力發(fā)電的大力結合，解決了許多存在的問題，使風電成為新生力量。

變槳距控制使得系統(tǒng)在很大的轉速范圍內仍能以最優(yōu)效率穩(wěn)定運行，這一點將是風電的發(fā)展方向。

2.4 軟并網(wǎng)與無功補償

當風電場使用恒速風機直接與電網(wǎng)連接，鼠籠式異步電機是常用的發(fā)電機。為了預防出現(xiàn)過大的啟動電流，必須進行軟并網(wǎng)，而進行軟并網(wǎng)通常采用的器件就是雙向晶閘管[16]。其實就是當風電廠的風電條件達到并網(wǎng)條件時，雙向晶閘管的控制角會慢慢動作，角度由pi到0，而其導通角則慢慢變大，角度由0到 pi，這個時候并網(wǎng)的自動開關并沒有發(fā)生動作，發(fā)電機在晶閘管的作用下安全并網(wǎng)。而發(fā)電機速度是繼續(xù)增加的，馬達滑差率也就慢慢降到零[17]。當其降到零后，與晶閘管并聯(lián)的觸頭動作，短路了晶閘管，并網(wǎng)也就成功了。在額定電流3/2倍的起動電流限制下，并網(wǎng)過程也就變得平滑，防止保險器件產生誤動作，風電機組得以安全并網(wǎng)。

為了使得異步電機的功率因數(shù)得到大幅度提高，可以將無功補償裝置配置在其出口處[18]。傳統(tǒng)的無功補償裝置有以下幾種：固定電容器組，靜止無功補償器（SVC），靜止無功發(fā)生器等，它們特點不同功能也就不同。對于固定電容器組，主要的工作方式就是在風電系統(tǒng)運轉過程中以其特定的順序進行分組投入或切出，可以把功率因數(shù)并提高到0.98，相對于沒有補償?shù)木吞岣吡嗽S多，這種補償方式成本不高，從而得到大量使用，但其也有著許多不足之處，比如調節(jié)不能夠連貫進行，反應不夠快，對于風機實時迅速變化的無功功率而言，就顯得力不從心；靜止無功補償器包括多組切換電容器、可調容量電抗器和諧波濾波器等裝置，具有較高的反應靈敏度，可以隨時將無功負載變化的方向和大小進行采集，在某種程度上，由變化的風速引起的電壓波動會得到一定的穩(wěn)定，電能的質量進而得到一定程度的提高，但其無功支持在電壓較低的情況下還是不能得到保證；靜止無功發(fā)生器綜合了電力電子技術和控制技術，它的工作方式是利用和系統(tǒng)進行無功功率的交換，以保障電壓能夠進行穩(wěn)定輸出，相對于靜止無功補償器，無功電流在電壓變化情況下有著更恒定的輸出，尤其在低電壓時，其無功支持的優(yōu)勢就愈發(fā)明顯。從以上介紹可以看到電力電子技術的優(yōu)勢與未來發(fā)展的潛力，但由于其成本不低，導致其發(fā)展就有了一定的局限性[19]。

2.5 電力電子變換器

風電場若配有可變速電機，則其與電網(wǎng)連接需要由電力電子變換器的參與。該變換器目前應用的主要方式為雙PWM控制交流－直流－交流轉換方式。使用附連到雙饋感應發(fā)電機速度檢測器來獲得發(fā)電機的轉差頻率信號，并通過控制信號調制波的頻率，同時利用PWM調制技術的優(yōu)點，以控制變換器的開關裝置的導通和關斷來控制轉換器輸出電壓振幅和相位[20]。此轉換器柔性連接了電動機軸轉速和電網(wǎng)頻率。運用電力電子技術，可以分別去控制有功和無功功率，以確保萬一風速變化，仍可提供高品質的功率到電網(wǎng)。

風力發(fā)電系統(tǒng)的控制設備中有效的算法用于發(fā)電機電磁轉矩的動態(tài)特性，在運行時，風力發(fā)電機組的旋轉質量中儲存了由風速不穩(wěn)定所造成的缺乏和過量的能量，消除了風力發(fā)電廠的短期波動，以幫助保持電網(wǎng)連接點的電壓質量?？刂扑惴ǖ膽檬沟冒l(fā)電系統(tǒng)的無功功率電網(wǎng)在電力電子轉換器中不間斷調節(jié)，卻影響不到有功功率的產生量。電力電子變換器避免發(fā)電機直接連接到電網(wǎng)，保證電網(wǎng)故障時風電向電網(wǎng)提供能源，卻不會對電機造成壞的影響。

2.6 作儲能裝置的電力電子器件

風電并網(wǎng)容量越來越大，對系統(tǒng)的電能質量會造成巨大影響，甚至會造成運行變得極不穩(wěn)定。于是，為了風電機組輸出的電壓及頻率更加優(yōu)化，電能質量更加穩(wěn)定，也為了增加風電并網(wǎng)容量，風電系統(tǒng)中能量儲存設備的安裝也就顯現(xiàn)了價值。超導儲能單元SMES由一個超導線圈，強制換流器，控制器組成[21]。超導儲能對于提高風電系統(tǒng)穩(wěn)定性是非常有利的，儲能裝置的使用也可以提高并網(wǎng)容量。

電力電子技術在風電系統(tǒng)中的快速發(fā)展與應用，提高了風電輸出效率，使得風電發(fā)揮了更大的能源效益。

3 電力電子技術在風力發(fā)電應用中的展望

風電機組通過永磁多極同步發(fā)電機發(fā)出頻率變化的交流電，經(jīng)整流器整流變?yōu)橹绷麟?，然后由逆變器變換為頻率恒定的交流電，進而進入電網(wǎng)。由于這樣并網(wǎng)時不會出現(xiàn)電流沖擊，系統(tǒng)就平穩(wěn)的多，還可以比較方便的調節(jié)發(fā)電機發(fā)出的無功功率，相對于固定速度風電機組，變速恒頻風電機組不需要靜止無功補償器，從而將風能利用最大化，也使得風電機組所輸出電能質量得到提高[22]。

電力電子技術的應用與發(fā)展直接影響風電技術的應用與發(fā)展。電力電子技術的應用極大改善了風電機組的運行特性，也降低了風力發(fā)電的運營成本，使風力發(fā)電更廣泛的應用，在能源開發(fā)中發(fā)揮更大的作用。

4 結論

本文主要介紹了風力發(fā)電中的主要電力電子器件及應用技術。風力發(fā)電系統(tǒng)中的控制算法是前景廣闊的實用技術，變漿距控制和最優(yōu)功率控制策略以及轉速與功率特性曲線的建模理論也是風力發(fā)電中接下來重要的研究方向。

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Modern Power Electronics in Wind Electricity Generation

LI Lin, YU Hui-jun, MIN Jie, TIAN Shu-hui, Rong Jun-mei
(College of Electrical and Information Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412007,Hunan Province)

The world’s energy problems have become increasingly serious environmental problems are more troubling, the development and utilization of new energy sources will become more and more in-depth research scientists around the world.And wind power in the new energy increasingly excellent performance, was found infinitely bright future.As an important part of renewable energy, wind power has not long construction period, environmental pollution, the investment is relatively fl exible, less area of land hardly merit determine its requirements to become a most promising energy one.With the widespread use of wind power technology, wind power generation high efficiency and high power quality will be put on the agenda, power electronics technology appears in wind power system will show the value.This paper analyzes some of the functional properties of power electronic devices and their development, introduces the practical application of power electronics in wind power generation; and includes the classification of wind power systems, wind power transmission mode, and power electronics technology in wind power generation Prospect.

New energy; Renewable energy; Wind power generation; Power electronics; High power quality

本文引用格式：李林,于惠鈞,閔婕,等.現(xiàn)代電力電子技術在風力發(fā)電中的研究進展與應用.電子元器件與信息技術[J]，2017，1（1）：75-80.

湖南省自然科學基金項目(2017JJ4024)。

1.李林（1991-），男，湖南工業(yè)大學在讀研究生，研究方向為復雜機電系統(tǒng)的信息集成和協(xié)調控制。2.于惠鈞（1975-），男，博士，湖南工業(yè)大學教授。研究方向為系統(tǒng)保護與自動化技術。3.閔婕（1991-），女，湖南工業(yè)大學在讀研究生，研究方向為現(xiàn)代電力電子技術及系統(tǒng)。4.田淑慧（1991-），女，湖南工業(yè)大學在讀研究生，研究方向為復雜機電系統(tǒng)的信息集成和協(xié)調控制。5.榮俊梅（1991-）女，湖南工業(yè)大學在讀研究生，研究方向為現(xiàn)代電力電子技術及系統(tǒng)。

:LI Lin, YU Hui-jun, MIN Jie, et al.Modern Power Electronics in Wind Electricity Generation[J]，2017，1（1）：75-80.