电力电子系统在风能电网中的应用与发展前景

的性能和可靠性，需要具有更好电气特性、更低价格的电力半导体器件，因为器件性能决定了用作风力涡轮发电机接口的整个电力电子部分的大孝重量和成本。

四、风力发电技术的趋势

      1）海上风力发电：风力涡轮发电机技术未来主要的发展趋势就是离岸安装。海上有大量风能资源可以在海水相对较浅的许多区域安装风力涡轮发电机。离岸涡轮发电机通常能产生比安装在附近区域的岸上的涡轮发电机多50％的能量。原因在于海平面上的空气阻力比较小。另一方面，离岸系统的平台结构和安装要比岸上系统多花50％以上的能量。但是，应当滓意离岸涡轮发电机比岸上涡轮发电机有大约多25—30年的寿命。原因在于海f的低扰动使风力涡轮发电机的疲劳载荷较轻。

      传统的热量流通空气调节（HVAC）输电系统是一个将风电场跟电阏相联的简单、便宜的解决方法。高压直流输电（HVAC）接入电网技术能将风电场机组连接到电网，并且将电能安全有效地输送到负载中心。对离岸风电场来说，DHVC输电系统比HAC输电系统具有很多优点。

      1）发送和接受端的频率是独立的。

      2）直流输电的距离不受电缆负荷电流的影响。

      3）离岸安装与大陆扰动隔离。

      4）功率流是完全确定和可控的。

      5）电缆功率损耗低。

      6）每根电缆的功率传输容量较高。

      基于电压源变流器（VSC）的HVAC输电系统越来越受到广泛的关注，不仅仅足跟电网相连的大型离岸风电场的关系。现在基于VSC的解决方案已经被ABB公司推向市场，并且命为“HVAC light”，Simens公司命名为“HVAC Plus”。图3给出了基VSC的HVD输电系统的原理图。这种相对较新的技术（在1999年被商业化安装运行）只有在能自关断电流的IGBT器件发展下才可能实现。这意味着已不需要一个有源换流电压了。因此，基于VSC的HVDC输电系统就不再需要很强的离岸和岸上的交流电网，甚至能在完全瘫痪的电网中启动（黑暗启动能力）。但是，这种系统还有其他一些优点：无功和有功可以分别独立控制，这样就可以减少对无功功率补偿的需要，并且能提高交流电网在它们连接点的稳定性。

      2）大功率中压变流器拓扑：为了降低每瓦成本和提高风能的转换效率，最近几年风力涡轮发电机的标称功率不断地增长。

      提出的不同的多电平变流器拓扑可以分为以下五类：

      1）带有二极管箝位的多电平结构。

      2）带有双向开关接口的多电平结构。

      3）利用飞跨电容的多电平结构。

      4）带有多元三相逆变器的多电平结构。

      5）带有级联单相H桥逆变器的多电平结构。

      随着器件额定功率的提高和开关、导通性能的改善，应用多电平变流器的优点就会变得越加明显。最近论文中，输出、输入电压中谐波含量的减小和电磁干扰（EMI）的减小特别受到关注。更重要的是，多电平电路对输人滤波器要求最低或者换句话减少了转流的次数。用同样谐波水平的两电平变流器作比较，多电平变流器的开关频率能减少25％，这就导致开关损耗的降低。虽然多电平变流器中的导通损耗较高，但是整个系统的效率取决于开关损耗和导通损耗的比率。

      风力涡轮发电机市场的趋势是依据电压和电流额定值，提高其标称功率（几兆瓦）。这使多电平变流器刚好适合这种现代大功率风力涡轮发电机的应用。电压额定值的提高，允许把风力涡轮发电机的变流器直接连接到风电场的配电网络，避免使用笨重的变压器（见图4）。

      3）用于风电场的未来的储能技术：储能技术能潜在地改善风电的技术和经济上的吸引力，特别当它超过总系统能量的10％时（大约系统容量的20％——25％．一个风电场中的储能系统将在平均l5分钟风力的岛效时间内被用作海量储能和在较短期间吸收或注入能量，以维持电网频率稳定。

      在风电场中好几种储能技术得到应用。利用蓄电