电力电子系统在风能电网中的应用展望

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。

图1 单相双馈感应发电机

    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。

图2 双重三相电压源逆变器

    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小、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。

图3 基于VSC系统的HVDC输电的解决方案

    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）。

图4 自己把锋利涡轮发电机连到公公电网的多电平背对背变流器

    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。利用蓄电池作为一种储能系统与电网交换能量是众所周知的。应用于可再生能源系统中的蓄电池有：铅酸蓄电池，锂电池和镍电池。蓄电池具有快速的充放电响应速度，但它的放电速率受到化学反应和蓄电池类别的限制。在电力系统中，蓄电池的作用为一个电压源。可再生能源系统中的蓄电池应用的新的发展趋势是与好几种能源（如风能，光伏发电系统，等）的集成，与补充它们的其它储能系统的集成。同时，有许多研究人员努力致力于蓄电池单元的最佳化，以降低维护费用，提高寿命。对风电应用，液态（锌溴）蓄电池系统提供了最低的单位储能和送电成本。锌溴蓄电池在概念和设计方面，与传统的蓄电池，如铅酸蓄电池完全不同。这种蓄电池是基于两种常见的化学材料：锌和溴的化学反应。与目前的铅酸蓄电池相比，锌溴蓄电池能提供两到三倍高的能量密度（75— 85瓦/每千克小时）,而节省了体积和重量。这种电池的功率特性可以根据不同的应用，进行改善。特别是，锌溴蓄电池在重复充放电循环后特性不会变差。它在可再生能源应用中具有极好的未来。

    随着储能技术的发展，飞轮储能，超导储能，超级电容和压缩空气等新的储能方式得到了相应的应用和发展，但由于风能发电和各个储能技术的特性存在，这些储能方式在和风能的结合上还在拓展阶段。

五、总结

    在可再生能源并网中，新的电力电子技术扮演着非常重要的重要的角色。为计划中的最高额定功率的涡轮发电机开发电力电子接口装置应当是可能的，从而可以优化能量的转换、传输和控制无功功率，减少谐波畸变，在宽的功率范围内达到低成本和高效率，并且具有高的可靠性和对子系统部件故障的容错性。

    随着世界范围内能源短缺的加剧，风力发电受到了更多的重视，更多大规模的风电开始接入电力系统，电力电子技术在风电并网及正常运行中发挥了重要作用。大规模风电场的并网运行，也将会逐渐降低风力发电的成本，风力发电更为普及，使在经济和社会发展中发挥出更大的作用。