风力发电与电力电子技术

风力发电与电力电子技　．　李建丽李黎黎　（青岛大学自动化工程学院　山东青岛　２６６０７１）　４　一嚣　摘要：在风力发电的推广应用中，电力电子技术起着非常重要的作用，是风电发展的关键　发电系统运行性能的改善作一些探讨。　关键词：风力发电　电力电子技术并网运行　力　中图分类号：ＴＭ６１４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—９０６４（２００６）０５—００８１—０２　ｌ风力发电系统的组成及其特点　不论是运行的风电系统还是并网运行的风电系统，　其主要的组成部分都包括以下几个模块：风机、发电机和控　制系统。由于风力发电的一次能源即风能是间歇性的，发电　机会经常处于启停状态，　此发电机类型常选为异步发电　装有无功补偿设备，其框图见图１。　Ｘ　轮（＝＝　机。而正是这些因素才使得风力发电系统有着不同于常规发　电系统的特点：　（１）输入风能的变化具有随机性，如果不采取任何措施，　风力发电机输出的功率将随着风速的变化而波动，从而影响　发电系统的电能质量。　图１　直接并网风机的联接框图　一口　对于通过电力电子变换器与电网联接的风电场，其中采　用的风力发电机的类型，目前研究最多的是变速双馈异步发　（２）含异步发电机的风力发电机组运行时输出有功功　率，同时要吸取无功功率。不与电网连接的风电系统必须配　有无功补偿装置，这种补偿装置可以是固定电容器组，也可　以是电力电子器件组成的补偿设备。如果与电网相连，异步　电机和变速同步发电机，由于它们本身构造上的特点和技术　上要求，与电网连接时都需要电力电子技术的支持。以双馈　异步发电机为例，其与电网联接的框图见图２。　发电机吸收的无功可以部分或全部从电网获取，但依然要根　据Ｊｘ【力发电机的类型及电网的要求来确定是否增设无功补　偿装置。　（３）异步发电机无电压控制能力，电压波动容易超出允　许范围。　以上这些风力发电系统的特点，也可以说是缺点，随着　电力电子技术的应用正Ｅｔ益得到改善。　２风力发电系统中的电力电子技术　风力发电既可运行，也可并网运行。对于运行　图２双馈异步发电机联接框图　另外，除了并网联接用的电力电子设备，在风电系统中　还有一些并联补偿装置，比如超导储能系统、固定电容器组　无功补偿器、静止无功补偿器、静止无功发生器等，这些装置　中电力电子技术在其中也起着关键作用。在下一小节中将对　的风电系统，其可靠性和稳定性不如并网运行的风电…，因　此风电并网运行成为发展趋势。　风电并网运行与电力电子技术有着密切的关系。通常有　两种与电网连接方式：一是直接与电网相连，二是通过电力　电子器件组成的变换器与电网联接。　直接与电网相连的风电场，为了异步发电机在并网　风电系统中的这些电力电子器件所起的作用作一定的论述。　３　电力电子器件对风电系统运行性能的改善　３．１　直接与电网相连风电的软并网装置和无功补偿设备　瞬间出现较大的冲击电流，配有软并网装置，即在异步发电　机定子与电网之间每相串入一只双向晶闸管，并网后由一个　接触器的动合触头将其短接。此外在异步发电机的出口处还　直接与电网相连的风电场中采用的是恒速风机．发电机　通常为鼠笼型异步发电机，因直接联网的启动电流过大，多　选用双向晶闸管进行软并网。如图１所示。晶闸管的软并网　作者简介：李建丽（１９７２～），女，青岛大学自动化工程学院硕士研究生．从事风力发电方面的研究。　２００６．ＮＯ．５　０　维普资讯 http://www.cqvip.com

１５李源．占环境　过程如下：当风电符合并网条件时，双向晶闸管的控制角同　时从１８０。到０。逐渐同步打开．与此同时．双向晶闸管的导通　角由０。到１８０。逐渐增大，此时并网自动开关未动作．异步发　电机通过晶闸管平稳并人电网。随着发电机的转速继续增　换器技术有助于系统进行电压问节。　需要说明的是．另外还有很多可用于风力发电的发电　机．它们大多都需要通过电力电子变换器与电网相连，尽管　所用变换器类型和接线方式不同，但其功能与上面所述的双　馈风力发电系统大同小异。　３．３　电力电子器件为核心的储能装置对风电系统性能的改善　随着风力发电并网容量的加大，风电并网运行将严重影　响系统的电能质量，甚至可能便电网失去稳定。在这种情况　高．电机的滑差率渐趋于零。当滑差率为零时，与晶闸管并联　的动合触头动作，双向晶闸管被短接，至此并网过程完成。文　献ｆ２］指出软并网可以将起动电流在１．５倍额定电流以　下．从而得到一个平滑的并网暂态过程，避免了继电保护装　置的误动作．使得风力发电机能顺利并网。　为了提高异步发电机的功率因数，需要在异步发电机出　口处接人无功补偿装置。常用的无功补偿装置有固定电容器　组、静止无功补偿器、静止无功发生器等，它们各有特点．对　风力发电系统的运行，其贡献也不尽相同：文献ｆ３１说明固定　电容器组在风电运行中按照一定的顺序进行分组投入或切　下．为了优化风力发电机组输出的电压和频率，提高系统的　电能质量．同时也为了增加风电并入网的容量，在风力发电　系统中装设一定的储能设备是很有必要的。　储能装置有蓄电池储能、飞轮储能、超导储能等，现只对　超导储能作一探讨。　超导储能系统（ＳＭＥＳ）代表了柔性交流输电ＦＡＣＴＳ的　出．能够将未补偿前较低的功率因数提高到０．９８左右．由于　其成本低，应用广泛，但因调节不连续、响应速度慢，很难满　足风机无功功率随机快速变化的需要：静止无功补偿器由多　台（组）可投切电容器、快速可调整容量的电抗器以及各次谐　波滤波装置组成，响应速度快．能迅速跟踪负荷而变化无功　的大小和方向，在一定程度上稳定由风速引起的波动电压，　提高电能质量，但电压低时仍无法提供所需的无功支持；静　止无功发生器是基于电力电子技术和控制技术相结合的一　新技术方向．它能够吸收或发出有功和无功功率来快速响应　电力系统的需要，容量大、响应快，虽然价格昂贵，但到９０年　代已经被应用于风力发电系统。　ＳＭＥＳ超导储能单元由一个超导线圈、一个强制换向变　换器、一个控制器组成。强制换向变换器是基于晶闸管的半　导体开关，可工作于逆变器状态和整流状态，使ＳＭＥＳ单元　在相应的状态下发出或吸收有功功率和无功功率。ＳＭＥＳ快　速的功率吞吐能力和灵活的四象限调节能力使它很有效地　跟踪电气量的的波动，提高系统的阻尼。文献［６］说明了超导　储能提高了风电系统运行的稳定性。文献［７］指出风电系统　种产品，它通过与系统进行无功功率交换，以维持线路电压　稳定，与静止无功补偿器相比，它的无功电流输出可以在很　大的电压变化范嗣内恒定，在电压低时仍能提供较强的无功　支撑．并且可从感性到容性全范嗣内连续调节。从以上各种　无功装置的比较可以看出电力电子技术的优点，但成本高是　中装设有储能设备可以提高风电并人电网的容量。　４结论　电力电子的应用对风力发电的纵深发展起着非常重要　的作用。但同时要注意的是，电力电子技术对风电系统的运　行性能的改善的程度，取决于　系统的控制算法，一个好的算　其广泛应用的一个障碍　３．２通过电力电子变换器与电网相连的风电系统中电力电　子的作用　法．可以充分发挥电力电子装置的作用，提高风电运行特　性．同时也可以消除采用电力电子装置带来的负面影响（比　如谐波）。随着电力电子装置的性价比不断提高，电力电子　如图２所示，带有可变速风力发电机的风电场通过电力　电子变换器被连接至电网．此变换器目前多采用ＰＷＭ控制　的交一直一交变频形式，利用安装于双馈感应发电机端的速　技术的不断发展，电力电子器件将越来越多地被应用于风　力发电系统中，使得风电日益展现出它的优势，更多地为人　类造福。　度检测器得到发电机转差频率信号，并通过该信号控制调制　波的频率，同时利用ＰＷＭ调制技术控制变流器开关器件的　导通与关断，从而控制变频器输出电压的幅值与相位。这种　变换器相当于在电机轴速和电网频率之间提供一个软连接。　首先，风力发电系统的控制设备可以包含非常有效的发电机　电磁转矩动态特性的算法，在此过程中，由风波动引起的过　量和缺乏的能量可以通过储存在风力发电机组的旋转质量　中。这可以消除风力发电厂短期波动．有利于维持电网连接　参考文献　ｌ　Ｃ．Ｃａｒｒｉｌｌｏ．Ａ．Ｅ．Ｆｅｉｊｏｏ．Ｊ．Ｃｉｄｒａｓ，．Ｉ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ．Ｐｏｗｅｒ　ｌｆｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｉｓｏ—　ｌａｔｅｄ　ｗｉｎｄ　ｐｌａｎｔ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ＯＩ１　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００４，１９（０１）：　２ｌ７－２２０　２李谦．风力发电场对电网的影响．宁夏电力．２００４（增－Ｔ１）：ｌ３２－ｌ３４．　３　陈实．谢少军．大型并网风电机组　功态无功补偿装置的研究．华北电力　技术，２００４（０４）：２６　２９　４　Ｃａｒｌｏｓ　Ｖｅｇａｎｚｏｎｅｓ　Ｎｉｃｏｌａｓ等．关于新的与电网联接的风力发电机系统　设计和控制准则．国外大电机，２Ｏ０４（３）：４３　４９　５　Ｚ．ｃｈｅｎ．Ｅ．ｓｐｏｏｎｅｒ．Ｇｒｉｄ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｗｉｔｈ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｐｅｅｄ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒ－　点的电压质量。第２，电力电子变换器的控制算法可连续地　调整电网发电系统提供的无功功率，与所产生的有功功率无　关。第３．电力电子变换器消除了发电机和电网之间的直接　耦全。因此可以在电网故障期间保持风场与电网连接并向电　网提供能量，而不对电机造成不利后果…。　文献［５］通过对某配电网的研究，证明了经电力电子装　置接入电网的变速风机在适当的控制系统作用下，能够减轻　由风速变化引起的电压波动和谐波问题，而且指出先进的变　ｂｉｎｅｓ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｙ　ｅｒｓｉｏｎ，２００１，１６（０２）：１４８－１５３　６　吴俊玲，等．超导储能改善并网风电场稳定性的研究．２００４，２３（０３）：５９—６ｌ　７　Ｊ．Ｍｃｄｏｗａｌ１．Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｗｉｔｈ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎ　ｗｅａｋ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ—　ｉｔｙ　ｇｒｉｄｓ．ｗｗｗ．ｅｌｓｅｖｉｅ￣．ｃｏｍ／ｌｏａｃａｔｅ／ｊｐｏｗｓｏｕｒ　２ｏｏ６．Ｎｏ．５．　ｏ