电力电子技术在风力发电系统中应用

摘要：随着社会的发展，人们对于环境的关注越来越高，传统火力发电技术由于高污染，不可再生而逐渐饱受诟病。风力发电由于其低碳特点，加之具有宽广的商业前景而受到了越来越多的重视。在风力发电系统中，电力电子技术由于其诸多优点取得了广泛的应用，本文中对于电力电子技术在风力发电系统中的应用进行了探讨，并对于电力电子技术在风力发电系统中的普及起到了一定的指导作用。
关键词：电力电子技术；风力发电系统；
Abstract: with the development of society, people for environmental concerns more and more high, the traditional fire power technology with high pollution, cannot renewable and has gradually reviled. Wind power because of its low carbon characteristics, in addition has the broad commercial prospects are more and more attention. In the wind power systems, power electronic technology because of its many advantages made extensive use, this article for power electronic technology in wind power of the application of the system is discussed, and for power electronic technology in wind power systems in popular has some guiding role.
Keywords: power electronic technology; Wind power generation system;
0、引言
风能具有污染低，可再生的特点，因此，风能的开发利用对于解决目前能源紧张，污染严重的现状起到了非常重要的作用。但是在风力发电系统之中，输电、控制等都有较高的要求，对于传统的电子器件都提出了很大的挑战，电力电子技术相对传统技术有诸多优点，其在风力发电中的应用对于普及风力发电、解决目前的困难障碍将起到不可忽视的作用。

1、应用于风力发电系统中的电力电子器件介绍

好的器件是电力电子技术在风力发电系统中普及应用的前提。在风力发电系统中，应用较为广泛的主要有以下几个：
（1）IGBT
IGBT 是风力发电中的主要功率器件。其电压源换流器拥有关断电流的能力，可用PWM技术来完成无源逆变，这有利于直流输电向无交流电源的负荷点送电。不过，由于风力发电时风速的不稳定，这就导致了在风力发电时IGBT 模块温度会有较大的波动，会使得芯片与铜底片之间以及铜底片和基板之间的焊接部分承受大量的周期性的热-机械应力。
针对这些特点，目前基于IGBT的“H”型 SPWM 逆变器在风力发电中得到了广泛的应用。通过控制它的开关波形，可以对输出电流进行有效地控制，此外，改变它的初始角度，可以使逆变器以功率因数为1的方式向电网输送能源，对于改善使谐波因数、畸变因数有良好的效果。
（2）交直交变频器
在变速恒频风力发电系统中，需要变频装置来完成由发电机到电网的能量传递。交直交变频器有效地克服了交交变频器的输出电压谐波多，输入侧功率因数低，使用功率元件数量多等缺点，易于控制策略的实现和双向变流，特别适合变速恒频双馈电机风力发电系统和无刷双馈电机风力发电系统。此外，海上风电场采用电力电子变频器能够实现有功和无功的控制，使风电机组运行在变速状态以捕获最大的风能同时降低机械应力和噪音。
（3）矩阵变换器
矩阵式变换器是电力电子技术研究的热点之一，在风力发电系统中有着宽广的应用前景。它是新型的交－交电源变换器。可以实现交流电诸参数（相数、相位、幅值、频率）的变换。相对于风力发电系统中传统的变换器，通过调节其输出频率、电压、电流和相位，以实现变速恒频控制、最大风能捕获控制、以及有功功率和无功功率的解耦控制等。

2、电力电子技术在风力发电系统中的应用

2.1在风力发电机系统中电力电子技术的应用

在03年以前，风力发电中发电机系统主要是失速或者主动失速控制。不过由于这种发电机输出的功率不稳定，已经逐渐不能够满足人们的要求。
基于电力电子技术的变速恒频风力发电机系统很好的改变了这种局面。目前，主要的技术是变速恒频变桨距调节系统(DFIG)，它配有双馈感应电机，其优点是不需要静止无功补偿器，这不仅节约了电能，还能够提升输电的质量。
图1双馈风力发电机
此外，电力电子变换器与多级同步电机组成的变速变桨距调节系统目前在风力发电中也被应用的较多，它的优点是不需要变速箱，优化了风力发电机系统的结构。

2.2电力电子技术在风力发电系统的储能技术上的应用

风力发电具有风速不稳定的特点，这就给风力发电的稳定性带来了一定的困难，而且在风力发电系统中由于风能不能直接被存储，所以为了保证稳定的供电，必须将风能进行储存，因此，储能技术是非常重要的。
目前，风力发电系统中，蓄电池由于其优越性而被作为主要的储能方式。而超导线圈储能也是最佳储能选择之一，但其研究时间较晚，普及较为困难。此外，不间断电源由于在其输入电流中断时能够继续供电的特点恰好能够针对风力发电随机性较强的特点而受到了很大的重视，在电力电子技术的应用中，主要体现在不间断电源的结构上它普遍采用脉宽调制技术和IGBT、功率 M0ET 等现代电力电子器件，这使得其效率和可靠性得以提高，对于较为偏远的发电站，基于电力电子技术的不间断电源的普及将会有非常巨大的作用。

2.3电力电子技术在风力发电输电技术中的应用

风力发电的一大特点就是需要风力资源充足，这就使得发电位置要比较偏远，在输电技术上产生一些问题，目前，交流输送是主要的方式，不过这种方式有较多的不足。将来在风力发电输电系统中的趋势是HVDC(高压直流输电)技术，它能够做到异步联网，且性价比较高、结构比较优越、对于环境的适应性更强。电力电子技术在这种技术上目前应用很广泛，主要体现在它的可关断器件一般选取GTO、IGBT 等，另外较为普遍的使用PWM等技术，电力电子技术的应用使得直流输电投入更小、质量更高，对于其普及具有不可忽视的作用。
此外，基于电力电子技术的HVDC Light（轻型直流输电）对于风力发电输电也有较好的作用，它能够做到海上风电场的交流网络与电网不保持同步运行，抗故障能力极强。
在未来，将会受到重用的还会有 FACTS（灵活交流输电系统）。FACTS技术是基于电力电子技术与现代控制技术的结合，能够对系统参数、相位角、功率潮流等快速的控制，对于提高输电能力以及系统稳定性有非常好的效果。

2.4电力电子技术在风力发电的滤波、补偿中的应用

风力发电机组处于供电网络的末端，很容易使得配电网受到谐波污染、电源波动以及闪变等，因此，滤波及补偿在风力发电系统中必不可少，目前主要技术有SVF（静止无功补偿器）及APF（有源电力滤波器）。
（1）静止无功补偿器
静止同步

源于：论文例文www.udooo.com

无功补偿器是目前技术最为先进的无功补偿装置。它不再采用大容量的电容器，电感器来产生所需无功功率，而是通过电力电子器件的高频开关实现对无功补偿技术质的飞跃，特别适用于中高压电力系统中的动态无功补偿。目前，在风力发电系统中静止无功补偿器(SVC)应经被广泛的使用，它能够快速的对负荷的改变进行跟踪，并进行无功补偿。这就针对风力发电中电压波动较大的情况进行了改善，使其稳定，进而提高了电能的质量。将静止无功补偿器配置在风电机侧安，这可以增加阻尼，实现动态电压控制；将静止无功补偿器配置电网则会减小振荡、提供无功支持。
（2）有源电力滤波器
APF 的基本工作原理是采用可关断的电力电子器件和基于坐标变换原理的瞬时无功理论控制，检测补偿对象的电流和电压，利用电力控制器代替系统电源向负荷提供所需的畸变电流，从而保证系统最终得到期望的电源电流。和普通SVC相比，响应时间更快，对电压波动，闪变补偿率更高，控制功能更强，同时也能更有效地虑除高次谐波，补偿功率因数。

3、结论

风力发电由于其低碳特点，加之具有宽广的商业前景而受到了越来越多的重视，在风力发电系统中，电力电子技术是关键。将最新的电力电子技术应用于风力发电系统中，对于提高风力发电的效率和电力变换质量、降低风电的成本有着重要的作用，对于以改善人类生存的环境，提高人们的生活质量也将产生重要的意义。
参考文献
王孝洪,杨金明,吴捷 变速恒频风力发电系统中的电力电子技术[J]. 电机与控制应用,2009,(11)：11-17
郭红霞,杨金明 风力发电中的电力电子技术和控制技术[J]. 中国水运(学术版),2010,(3)：70-73
[3]王琦,陈小虎,吴正伟 电力电子技术在风力发电中的应用综述[J]. 南京师范大学学报(工程技术版),20011,(4)：7-10
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。