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电力电子技术在风力发电中的应用

2018-10-21 16:21:55 来源:网络 评论:0 点击:

摘 要:风力发电是低碳新能源中最具开发条件,商业化发展前景和潜力最大的的发电方式之一。随着风力发电技术的发展和应用推广,对风力发电的效率和电能质量的要求越来越高,而应用电力电子技术和控制技术是有效的实现手段,本文总结了在风力发电中应用较多的几种电力电子器件及控制技术,分析了各种方法的特点、功用和发展。

风能是洁净的,可再生的,储量很大的低碳能源,为了缓解能源危机和供电压力,改善生存环境,在20世纪70年代中叶以后受到重视和开发利用。风力发电有很多独特的优点:施工周期短,投资灵活,实际占地少,对土地要求低等,但仍在并网、输电、风机控制等方面存在问题,阻碍了风力发电的广泛应用。因此,要大规模的应用先进的电力电子技术到风力发电当中,有效的解决现有问题,使得风力发电成为电力行业的生力军。本文将从不同角度展现电力电子技术在风力发电中的应用。

一、电力电子器件

电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发展,而先进的电力电子器件为其在风力发电中的应用奠定了坚实的基础。

1.IGBT

在二十多年的发展历程中,除了保持 IGBT 基本结构、基本原理的特点不变之外, 它经历了六代有各自特色的演变。迄今为止 IGBT 仍是风力发电工程中使用的最广泛的功率器件,在风力发电中,因为风速经常变化,IGBT 模块在很短的时间内温度波动起伏大,会导致芯片和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,所以提高模块应力十分重要。此外,在风力发电机舱中空间的节省不是一个小问题,提高模块功率密度也不容忽视。IGBT的电压源换流器具有关断电流的能力,可以应用脉宽调制技术(PWM)进行无源逆变,解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题[1]。

科学家针对风力系统特点专门设计了一种采用由IGBT组成的“H”型 SPWM 逆变器,通过控制“H”型逆变器中IGBT的开关波形,可以控制输出电流;通过控制SPWM 的起始角θ, 可以使逆变器以功率因数为1的方式向电网输送能源,并使谐波因数、畸变因数达到设计要求[2]。

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

矩阵变换器是一种交交直接变频器, 没有中间直流环节,功率电路简单,可输出幅值、频率均可控的电压,谐波含量较小。应用于风力发电中的矩阵式变换器,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,目前矩阵式变换器的控制多采用空间矢量变换控制方法[3]。

二、储能技术

因风能是不可直接储存的能源,对于离网型风力发电系统,为了保证供电的稳定可靠,可在多风期间将风能储存起来,以供其他装置使用。即使在风能资源丰富的地区,若以风力发电作为获得电能的主要方式,也必须配有适当的储能系统。再者,在风力和其他能源联合供电时,也需要储能技术的介入。

1.蓄电池

风力发电机在与其它发电装置互补运行或独立运行时通常使用蓄电池进行储能。 在风力-柴油发电系统联合运行中,采用配备蓄电池短时储能的措施,可避免由于风力及负荷的变化而造成的柴油机的频繁起动与停机。此外,蓄电池还可以减少柴油机的轻载运行,使其绝大部分时间运行在比较合适的功率范围内。同样的,在风光互补发电中,也使用蓄电池作为主要的储能方式。鉴于蓄电池成本考虑,在风力发电系统中,多采用铅酸蓄电池或碱性蓄电池作为储存电能的装置。

2.超导储能器(SMES)

开发超导线圈储能的可行性,美国在20世纪90年代就开始研究了。超导线圈可在超导温度下流过极高电流密度的大电流而不消耗电能,是储存电能的最佳选择之一。利用超导储能可以吸收或发出有功和无功功率,响应快,容量大,大大减少了电路的损耗。

使用超导储能技术使风力发电机组输出电压和频率稳定,从而使电网稳定。文献[7]在详细介绍了超导储能SMES的调节原理及其最优控制方法的基础上,提出在并网型风力发电系统中,建立了SMES 模型,同时用基因算法对 SMES 的控制参数进行寻优,仿真结果表明,SMES 单元用于并网形风力发电系统可实现对电压和频率的同时控制,提高了输出稳定性。

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