電力電子系統在風能電網中的應用與展望
2015-12-09
摘 要：新型能源的應用正日益廣泛地用作傳統大型中心電站的補充和替代。本文闡述了關于風能發電的現狀和在未來的發展趨勢，同時闡述了關于電力電子技術在風能發電中的諸多應用以及在未來的發展前景。
關鍵詞：電力電子，風力發電，渦輪發電機，儲能系統
一、引 言
目前社會需求已經不再是用電力電子技術來解決問題，而是電能處理的系統集成。一種更為綜合性的多學科的解決方案迫在眉睫。我們將會看到能量存儲系統等級的激增。而越來越多的可再生能源和分布式發電機需要新的電網運行和管理控制策略來保證甚至改善供電的質量和可靠性。電力電子在能量系統中的廣泛滲透將會在未來 25到3O年內發生，但對目前主要的輸電的網絡不會有大的影響。電力電子的進步主要集中在分布式發電和各種負載中的應用。在分布式發電和將可再生能源集成到電網中，電力電子技術扮演著重要的角色，并且由于這些應用變成更多的與基于電網系統集成，電力電子技術被廣泛地應用并迅速地擴展。
二、風能發電技術的現狀
風能發電已經正在變成為被廣泛接受的發電技術。伴隨著風電技術的開發在世界各國的不斷發展，風力發電呈現出以下主要特點：裝機規模不斷擴大，風電發電量占世界總電量的比例逐年增加，從占總量的不到1‰發展到2004年的5‰；發電機單機容量不斷擴大。作為提高風能利用率和發電效益的有效途徑，發電機單機容量從1997年以前的500～750kw主流機型發展到目前3.6MW機組的批量安裝；海上風電場逐步商業化。海上風電場具有風速高、風力穩定、各種干擾少、發電量大等特點，可以有效利用風電機組的發電容量；風力發電成本不斷降低。風電的建設投資成本較高，但營運費用很低。
三、電力電子在風力發電技術中的應用
最近五年世界風力渦輪發電機市場平均每年以30％多的速度增長，風能在發電中已經開始占據越來越重要的作用。現有市場上風力渦輪發電機采用的設計技術也有很大的不同。這些不同主要反映在風力渦輪和發電系統的結合上。一種轉速取決于風速的風力發電技術已經被應用到風力發電市場上，這是為了盡量大的獲取有風力提供的能量。可變速風力渦輪發電機技術每年可以捕獲的能量比定速技術高5％，并且其中的無功功率和有功功率都比較容易控制，也能使電網電壓得到控制，因為它產生的無功功率是可變的。可變速渦輪發電機的缺點就是需要電力轉換裝置，這樣不僅增加了部件數量也增加了控制的復雜度。其中應用電力電子技術所花的總成本是整個風力渦輪發電機的7％。由于快速處理大功率的半導體開關器件技術和高級復雜算法的計算機實時控制技術的引入電力電子技術經歷了很大的發展和變化，這些因素綜合起來就導致了低損耗并且和電網兼容性好的變流器的出現。這也使得近年來變速風渦輪發電機得到了很大的發展。
1）利用雙反饋感應發電機（DFIG）的變速技術：這種強迫開關的功率變流器的原理圖如圖1所示。變流器包括兩個三相AC—DC功率變流器，兩者由一個直流電容器電池鏈接。這種結構一方面保證對機器的有功功率和無功功率進行矢量控制，另一方面還能減少功率變流器注入電網的諧波大小。
2）全部采用功率變流器的可變速技術：發電機跟電網完全解耦。發電機的能量整流到直流鏈然后被轉換成電網可以接受的交流能量。大多數這種風力渦輪發電機采用多極同步發電機，雖然它也可能（但是較少）采用感應發電機和齒輪箱。不采用齒輪箱有很多優點：降低損耗，消除這類昂貴重的部件引起的較低的成本，和由于減少旋轉的機械部件而使可靠性增加。
圖2給出了這種適用于風力渦輪發電機的全功率變流器的原理圖。機側利用矢量控制策略的三相變流器作為驅動器工作控制轉矩發電機。兩側三相變流器則使風能轉化的電能進入電網并且能夠控制進入電網的無功功率和有功功率大小。它也要保持總諧波畸變因數（THD）盡量低，以改善輸送到公共電網中的電能質量。直流鏈的目的是用作為能量儲存，這樣由風捕獲的能量儲存為電容器中的電荷，然后可以即時地注入到電網中。控制信號的作用是為直流鏈I壓Vdc保持一個固定的參考值。
3）半導體器件技術：
為了改善應塌在風力渦輪發電機中電力電子變頻驅動裝置的性能和可靠性，需要具有更好電氣特性、更低價格的電力半導體器件，因為器件性能決定了用作風力渦輪發電機接口的整個電力電子部分的大小、重量和成本。
四、風力發電技術的趨勢
1）海上風力發電：風力渦輪發電機技術未來主要的發展趨勢就是離岸安裝。海上有大量風能資源可以在海水相對較淺的許多區域安裝風力渦輪發電機。離岸渦輪發電機通常能產生比安裝在附近區域的岸上的渦輪發電機多50％的能量。原因在于海平面上的空氣阻力比較小。另一方面，離岸系統的平臺結構和安裝要比岸上系統多花 50％以上的能量。但是，應當滓意離岸渦輪發電機比岸上渦輪發電機有大約多25—30年的壽命。原因在于海f的低擾動使風力渦輪發電機的疲勞載荷較輕。
傳統的熱量流通空氣調節（HVAC）輸電系統是一個將風電場跟電閼相聯的簡單、便宜的解決方法。高壓直流輸電（HVAC）接入電網技術能將風電場機組連接到電網，并且將電能安全有效地輸送到負載中心。對離岸風電場來說，DHVC輸電系統比HAC輸電系統具有很多優點。
1）發送和接受端的頻率是獨立的。
2）直流輸電的距離不受電纜負荷電流的影響。
3）離岸安裝與大陸擾動隔離。
4）功率流是完全確定和可控的。
5）電纜功率損耗低。
6）每根電纜的功率傳輸容量較高。
基于電壓源變流器（VSC）的HVAC輸電系統越來越受到廣泛的關注，不僅僅足跟電網相連的大型離岸風電場的關系。現在基于VSC的解決方案已經被ABB公司推向市場，并且命為“HVAC light”，Simens公司命名為“HVAC Plus”。圖3給出了基VSC的HVD輸電系統的原理圖。這種相對較新的技術（在1999年被商業化安裝運行）只有在能自關斷電流的IGBT器件發展下才可能實現。這意味著已不需要一個有源換流電壓了。因此，基于VSC的HVDC輸電系統就不再需要很強的離岸和岸上的交流電網，甚至能在完全癱瘓的電網中啟動（黑暗啟動能力）。但是，這種系統還有其他一些優點：無功和有功可以分別獨立控制，這樣就可以減少對無功功率補償的需要，并且能提高交流電網在它們連接點的穩定性。
2）大功率中壓變流器拓撲：為了降低每瓦成本和提高風能的轉換效率，最近幾年風力渦輪發電機的標稱功率不斷地增長。
提出的不同的多電平變流器拓撲可以分為以下五類：
1）帶有二極管箝位的多電平結構。
2）帶有雙向開關接口的多電平結構。
3）利用飛跨電容的多電平結構。
4）帶有多元三相逆變器的多電平結構。
5）帶有級聯單相H橋逆變器的多電平結構。
隨著器件額定功率的提高和開關、導通性能的改善，應用多電平變流器的優點就會變得越加明顯。最近論文中，輸出、輸入電壓中諧波含量的減小和電磁干擾（EMI）的減小特別受到關注。更重要的是，多電平電路對輸人濾波器要求最低或者換句話減少了轉流的次數。用同樣諧波水平的兩電平變流器作比較，多電平變流器的開關頻率能減少25％，這就導致開關損耗的降低。雖然多電平變流器中的導通損耗較高，但是整個系統的效率取決于開關損耗和導通損耗的比率。
風力渦輪發電機市場的趨勢是依據電壓和電流額定值，提高其標稱功率（幾兆瓦）。這使多電平變流器剛好適合這種現代大功率風力渦輪發電機的應用。電壓額定值的提高，允許把風力渦輪發電機的變流器直接連接到風電場的配電網絡，避免使用笨重的變壓器（見圖4）。
3）用于風電場的未來的儲能技術：儲能技術能潛在地改善風電的技術和經濟上的吸引力，特別當它超過總系統能量的10％時（大約系統容量的20％——25％．一個風電場中的儲能系統將在平均l5分鐘風力的島效時間內被用作海量儲能和在較短期間吸收或注入能量，以維持電網頻率穩定。
在風電場中好幾種儲能技術得到應用。利用蓄電池作為一種儲能系統與電網交換能量是眾所周知的。應用于可再生能源系統中的蓄電池有：鉛酸蓄電池，鋰電池和鎳電池。蓄電池具有快速的充放電響應速度，但它的放電速率受到化學反應和蓄電池類別的限制。在電力系統中，蓄電池的作用為一個電壓源。可再生能源系統中的蓄電池應用的新的發展趨勢是與好幾種能源（如風能，光伏發電系統，等）的集成，與補充它們的其它儲能系統的集成。同時，有許多研究人員努力致力于蓄電池單元的最佳化，以降低維護費用，提高壽命。對風電應用，液態（鋅溴）蓄電池系統提供了最低的單位儲能和送電成本。鋅溴蓄電池在概念和設計方面，與傳統的蓄電池，如鉛酸蓄電池完全不同。這種蓄電池是基于兩種常見的化學材料：鋅和溴的化學反應。與目前的鉛酸蓄電池相比，鋅溴蓄電池能提供兩到三倍高的能量密度（75— 85瓦/每千克小時）,而節省了體積和重量。這種電池的功率特性可以根據不同的應用，進行改善。特別是，鋅溴蓄電池在重復充放電循環后特性不會變差。它在可再生能源應用中具有極好的未來。
隨著儲能技術的發展，飛輪儲能，超導儲能，超級電容和壓縮空氣等新的儲能方式得到了相應的應用和發展，但由于風能發電和各個儲能技術的特性存在，這些儲能方式在和風能的結合上還在拓展階段。
五、總結
在可再生能源并網中，新的電力電子技術扮演著非常重要的重要的角色。為計劃中的最高額定功率的渦輪發電機開發電力電子接口裝置應當是可能的，從而可以優化能量的轉換、傳輸和控制無功功率，減少諧波畸變，在寬的功率范圍內達到低成本和高效率，并且具有高的可靠性和對子系統部件故障的容錯性。
隨著世界范圍內能源短缺的加劇，風力發電受到了更多的重視，更多大規模的風電開始接入電力系統，電力電子技術在風電并網及正常運行中發揮了重要作用。大規模風電場的并網運行，也將會逐漸降低風力發電的成本，風力發電更為普及，使在經濟和社會發展中發揮出更大的作用。
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