电力电子系统在风能电网中的应用与发展前景

电力电子系统在风能电网中的应用与发展前景

新型能源的应用正日益广泛地用作传统大型中心电站的补充和替代。本文阐述了关于风能发电的现状和在未来的发展趋势，同时阐述了关于电力电子技术在风能发电中的诸多应用以及在未来的发展前景。

关键词：电力电子，风力发电，涡轮发电机，储能系统

一、引  言

      目前社会需求已经不再是用电力电子技术来解决问题，而是电能处理的系统集成。一种更为综合性的多学科的解决方案迫在眉睫。我们将会看到能量存储系统等级的激增。而越来越多的可再生能源和分布式发电机需要新的电网运行和管理控制策略来保证甚至改善供电的质量和可靠性。电力电子在能量系统中的广泛渗透将会在未来25到3O年内发生，但对目前主要的输电的网络不会有大的影响。电力电子的进步主要集中在分布式发电和各种负载中的应用。在分布式发电和将可再生能源集成到电网中，电力电子技术扮演着重要的角色，并且由于这些应用变成更多的与基于电网系统集成，电力电子技术被广泛地应用并迅速地扩展。

二、风能发电技术的现状

      风能发电已经正在变成为被广泛接受的发电技术。伴随着风电技术的开发在世界各国的不断发展，风力发电呈现出以下主要特点：装机规模不断扩大，风电发电量占世界总电量的比例逐年增加，从占总量的不到1‰发展到2004年的5‰；发电机单机容量不断扩大。作为提高风能利用率和发电效益的有效途径，发电机单机容量从1997年以前的500～750kw主流机型发展到目前3.6MW机组的批量安装；海上风电场逐步商业化。海上风电场具有风速高、风力稳定、各种干扰少、发电量大等特点，可以有效利用风电机组的发电容量；风力发电成本不断降低。风电的建设投资成本较高，但营运费用很低。

三、电力电子在风力发电技术中的应用

      最近五年世界风力涡轮发电机市场平均每年以30％多的速度增长，风能在发电中已经开始占据越来越重要的作用。现有市场上风力涡轮发电机采用的设计技术也有很大的不同。这些不同主要反映在风力涡轮和发电系统的结合上。一种转速取决于风速的风力发电技术已经被应用到风力发电市场上，这是为了尽量大的获取有风力提供的能量。可变速风力涡轮发电机技术每年可以捕获的能量比定速技术高5％，并且其中的无功功率和有功功率都比较容易控制，也能使电网电压得到控制，因为它产生的无功功率是可变的。可变速涡轮发电机的缺点就是需要电力转换装置，这样不仅增加了部件数量也增加了控制的复杂度。其中应用电力电子技术所花的总成本是整个风力涡轮发电机的7％。由于快速处理大功率的半导体开关器件技术和高级复杂算法的计算机实时控制技术的引入电力电子技术经历了很大的发展和变化，这些因素综合起来就导致了低损耗并且和电网兼容性好的变流器的出现。这也使得近年来变速风涡轮发电机得到了很大的发展。

      1）利用双反馈感应发电机（DFIG）的变速技术：这种强迫开关的功率变流器的原理图如图1所示。变流器包括两个三相AC—DC功率变流器，两者由一个直流电容器电池链接。这种结构一方面保证对机器的有功功率和无功功率进行矢量控制，另一方面还能减少功率变流器注入电网的谐波大小。

      2）全部采用功率变流器的可变速技术：发电机跟电网完全解耦。发电机的能量整流到直流链然后被转换成电网可以接受的交流能量。大多数这种风力涡轮发电机采用多极同步发电机，虽然它也可能（但是较少）采用感应发电机和齿轮箱。不采用齿轮箱有很多优点：降低损耗，消除这类昂贵重的部件引起的较低的成本，和由于减少旋转的机械部件而使可靠性增加。

      图2给出了这种适用于风力涡轮发电机的全功率变流器的原理图。机侧利用矢量控制策略的三相变流器作为驱动器工作控制转矩发电机。两侧三相变流器则使风能转化的电能进入电网并且能够控制进入电网的无功功率和有功功率大小。它也要保持总谐波畸变因数（THD）尽量低，以改善输送到公共电网中的电能质量。直流链的目的是用作为能量储存，这样由风捕获的能量储存为电容器中的电荷，然后可以即时地注入到电网中。控制信号的作用是为直流链I压Vdc保持一个固定的参考值。

      3）半导体器件技术：

      为了改善应塌在风力涡轮发电机中电力电子变频驱动装置