电力电子技术在风力发电中的应用

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。 　　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.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。 　　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。 　　3.不间断电源(UPS) 　　不间断电源(UPS)是指当交流输入电源发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。现代UPS普遍采用脉宽调制技术和IGBT、功率M0SFET等现代电力电子器件，效率和可靠性得以提高。并引入微处理器软硬件技术，实现了智能化管理，可进行远程维护和远程诊断。风能的随机性较大，发电的稳定性也受到限制，对较偏远地区或者单独运行的风电场来说，不间断电源的使用很有必要。 　　三、输电技术 　　风力发电场的建立选取风力资源丰富的地区，一般都远离城镇，线路的输送能力也成为风力发电的重要考虑因素。现在主要采用的是交流输电方式，但存在很多缺点，HVDC已经开始进入风电输电领域。高压直流输电是应用换流技术将交流电转换为直流电输送到落点处再逆变为交流的一种输电技术。 　　它的优点是：可以用来实现异步联网，线路造价和运行费用较低，一般不需要增加额外装置，更易于实现地下或海底电缆输电等。新一代HVDC技术采用GTO、IGBT等可关断器件，以及脉宽调制(PWM)等技术，它的采用进一步改善了性能、大幅度地简化了设备、减少了换流站的占地、而且降低了造价，使直流输电更有竞争力。目前，全世界HVDC工程已达60多个,总设备容量超过40GW。 　　轻型直流输电HVDCLight，以电压型换流器(VSC)和绝缘栅极双极晶体管(IGBT)为基础，可在无源逆变方式下运行，更方便连接各种分散式电源。对于海上风电场的长距离功率输送来说，HVDCLight是一种较好的选择，它允许海上风电场的交流网络与电网不保持同步运行，一旦网络发生故障,可以迅速恢复到故障前的输电能力。瑞典已经建成了第1个实验性HVDCLight工程-赫尔斯扬(Hellsjon)试验工程，在丹麦，HVDClight也已被应用到大型海上风电场的输电工程中。 　　灵活交流输电系统(FACTS)在电力系统中广泛采用，但在风力发电领域还没有得到足够的重视。柔性交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合，以实现对电力系统参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续快速调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。自1986年美国专家N-G-Hingorani提出了FACTS(FlexibleACTransmissionSystem)这个完整的概念以来，FACTS的发展越来越受到全世界的重视。 　　四、滤波与补偿 　　风资源的不确定性和风电机组本身的运行特征会影响电网的电能质量，而且风力发电机组处于供电网络的末端，承受冲击的能力很弱，有可能给配电网带来谐波污染、电源波动以及闪变等问题，所以无功补偿和谐波抑制对风力发电系统有重要的意义。主要是以下两种： 　　1.静止无功补偿器(SVC) 　　静止无功补偿器(SVC)是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关，实现快速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。近来，静止无功补偿器(SVC)被风力发电场并网普遍采用，迅速跟踪负荷变化，对无功进行补偿，在一定程度上稳定了由风速引起的波动电压，提高电能质量。在风电机侧安装SVC可以实现动态电压控制和增加阻尼;而在电网侧安装SVC可以提供无功支持并且减小振荡。 　　2.有源电力滤波器(APF) 　　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。 　　五、控制技术 　　风能是一类清洁无污染的可再生能源，是目前最具大规模开发利用前景的能源。但由于风能本身存在随机性、间歇性的特点,发电质量受风速、风向变化和外界干扰的影响很大，而且，风力发电机组通常设在风能丰富的地区，如边远地区，海岛甚至海上,要求能够无人值班运行和远程监控，这对发电机组的控制系统可靠性要求很高。所以，控制技术是风力发电的最关键技术之一。 　　1.最优控制 　　最优控制是寻求使得动态系统的性能指标达到最优的控制，是现代控制理论的一个重要组成部分。风力发电系统所应用的控制方法中，最优控制技术应用最早，相对比较成熟。 　　但由于风力发电系统的本质非线性，自然风风速和风向的随机性以及风机的尾流效应，不确定因素很多，而最优控制的实现必须有一个精确数学模型为控制器设计基础，这对风力发电系统未免要求过高，将最优控制策略与其它控制方法，如与模糊逻辑控制、鲁棒控制方法结合起来的混合控制技术，可有效解决风力发电系统的各类关键控制问题：提高风能转换效率、改善电能品质、减小柔性风电系统传动链上的疲劳负载等。 　　2.滑模控制 　　滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制，这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。滑模控制具有快速响应、对系统参数变化及扰动不敏感、无需系统在线辨识、设计简单和易于实现等优良特性。 　　采用滑模控制使风力发电机始终工作在滑动面上，减少其牵引过程，可使系统在整个动态过程中对参数摄动和负荷扰动具有很强的鲁棒性。此外，将滑动模控制应用于风电机组的并网控制器中，可实现低速下的可靠发电控制。当风中的有效功率较低时，风力机工作于正常与失速两种模态。滑动模控制存在切换抖动，会对风力机械设备造成冲击。以力矩为控制信号，采用积分型滑动模控制律，能有效地解决滑动模的切换抖动。 　　3.自适应控制 　　自适应控制的目标是自动补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化。自适应控制系统需要不断进行系统结构，和参数的辨识或系统性能的指标的度量，以便得到系统当前状态的改变情况，按一定的规律确定当前的控制策略，在线修改控制器的参数或可调系统的输入信号。 　　自适应控制器用以改善风力发电机组在较大运行范围中功率系数的衰减特性。在自适应控制器中，通过测量系统的输入输出值，实时估计出控制过程中的参数，因此控制器中的增益是可调节的。超前自适应控制方法控制风力发电机转子电压和齿轮箱的静态增益，在负载与风速变化时,控制方法具有可靠快速响应和有限的最大跟踪误差。 　　非线性自适应控制理论对风机实行变速控制，在不增加风能系统机械复杂性的条件下，自动调整发电机励磁绕组电压，此控制方法可在获得平稳渐进的转子速度跟踪的基础上达到最大风能捕获的目的。文献提出了一种应用于变速风力涡轮控制系统中的自适应控制策略。由于涡轮转矩是时变非定常的，自适应控制律用来提供涡轮转矩的估计值。同时，还设计了一种自适应反馈线性化控制器，以保证整个风力涡轮控制系统线性化。仿真结果表明，无论风力状况如何变化,该控制器都能确保获得最大风能，控制方法行之有效。 　　除了以上三种控制方法外，还有很多的控制方法在不断的应用到风力发电中，但是每种控制方式都有一定的缺点。采用两种或多种先进控制方法的混合控制,如模糊自适应控制、自适应鲁棒控制、PID神经网络控制等，将是今后风电系统的控制研究方向。 　　六、结论 　　开发风力资源，电力电子器件的应用和先进的控制技术是关键。将最新的电力电子技术、控制技术应用于风力发电系统中，提高风力发电的效率和电力变换质量、降低风电的成本，使得清洁可再生能源逐步替代传统的化石燃料，以改善人类生存的环境，提高人们的生活水平，具有重大的经济效益和社会价值。