论文部分内容阅读
摘要：作为具有最大发展潜力以及最广阔发展前景的新能源发电方式之一，风力发电日益受到人们的关注，而随着科学技术的不断进步，人们对风力发电的相关技术也提出了更高的要求，其中电力电子技术能够有效提高风力发电的效率与电能质量，所以在风力发电系统中得到了极其广泛的应用，本文就分析了我国风力发电的现状以及应用电力电子技术的优势，重点阐述了电力电子技术在风力发电系统中的应用。
关键词：电力电子；风力发电；系统；应用
随着新能源应用技术的不断推广和应用，近几年来，风力发电发展的速度越来越快，很多国家和地区以 30%的速度在增长，有些国家甚至达到了60%以上。随着社会经济的迅速发展与科学技术的不断进步，大型风力发电机组的制造水平与相关技术也在不断提高，已安装完成的风电装机每年可发电200twh，在全球电力负荷中占1.3%，而风力发电的贡献率占40%。随着风力发电系统的不断发展，电力电子技术在风力发电系统的中的应用越来越广泛，它能有效控制风电机组，实现电能的有效转换，提高电能质量。
一、我国风力发电的发展以及应用电力电子技术的优势
我国在20 世纪50 年代后期开始应用风力发电，很多地区都建立了比较小型的风力发电场，但是并没有得到广泛的应用，直到20 世纪70 年代中期，由于世界性的能源危机越来越严重，我国开始重视与支持这一新能源技术的应用与推广，21 世纪初到现阶段，我国的风力发电的发展速度越来越快，建设规模也越来越大，装机容量也得到了扩展。
现阶段能源短缺的问题同样严重，所以重视风力发电的应用和推广具有非常重要的现实意义，而由于现代变频调速技术以及电力电子技术的迅速发展，它们在风力发电系统中也得到了更加广泛的应用，通过利用这种技术，能够大大改善风电机组的运行特性，同时通过采用有功、无功控制，风电机组能够在电压控制以及系统频率方面发挥更大的作用，此外，通过大规模风电场的并网运行能够有效降低风力发电的成本。
二、电力电子技术在风力发电系统中的应用
当前有效利用新能源进行发电的技术除了水力发电之外，风力发电也是 一种比较成熟和应用广泛的发电技术，风能不具备储备能源的功能，它是把风能转换为电能并输送到电网之中，在这个过程中，电力电子设备是其中最关键的因素，应用于风力发电系统中的电力电子技术主要包括风电并网技术、恒速恒频发电、变速恒频发电以及两种变速恒频发电。
（一）风电并网技术
并网运行的风力发电系统具有良好的稳定性，所以得以迅速发展与应用，其中电力电子技术对其起到了关键作用，与电网连接的方式主要包括直接与电网连接以及通过电力电子器件组成的变换器与电网相连，直接与电网连接的风电场，为了防止异步发电机并网时产生较大的冲击电流，通常配有软并网装置，具体来说就是将一只双向晶闸管串入异步发电机定子和电网之间，并用接触器的动合触头进行短接，其拓扑结构如图所示：
而通过电力电子器件组成的变换器与电网相连的风电场，一般采用的都是风力发电机，其中变速同步发电机与变速双馈异步发电机的应用最为广泛，在与电网相连时同样需要电力电子技术的支持。
（二）恒速恒频发电与变速恒频发电
发电机是风力发电系统中进行能量转换的关键部分，根据发电机运行方式的不同，风力发电机系统主要分为恒速恒频风力发电系统、变速恒频风力发电系统以及两种变速恒频发电系统。当风力发电机组和电网进行并联运行时，需要其电能的频率具有一定的恒定性，也就是与电网频率一致，而风力发电发出的是频率不断变化的交流电或大小不断变化的直流电时，需要利用电力电子变换器变换电能。
1.恒速恒频风力发电系统
在恒速恒频发电机系统中采用的一般是普通异步发电机，它能在正常运行的超同步状态下有效转换差率为负值，而由于其工作的电机在发电机状态下具有较小的转差率可变范围，即使在风速发生改变的情况下其发电机的转速也能保持不变，所以被称为恒速恒频风电机组。这种风电机组通常不会采用电力电子变换器装置，具有以下特点：首先这种系统的结构比较简单，在一些野外或者缺乏有效维护的环境中也能够工作；其次就是其风电机组在正常运行时不能有效控制电压，所以无法提供足够的电压支撑能力，不能在电网发生故障时恢复系统电压，保持系统的稳定性；在风速不断快速升高、转速不变的情况下，通过桨叶风能会递给主轴、发电机以及齿轮箱等部件，产生较大的机械应力，可能会造成这些部件的损坏，因此需要一些加固措施；发出的电能是根据风速的不断波动而波动的，所以如果风速发生了急剧变化，风电机组可能会产生无功变化或电压闪变等电能质量问题，在风力发电的实际工程中，一般利用静止无功补偿器进行无功调节，通常采用SVC或者TSC进行调节，也就是利用软起动来的方法，减少发电机启动时产生的电流，由此可以得出，恒速恒频发电机系统主要适用于小于600 kW的系统，也就是小功率發电系统。而随着电力电子技术尤其是电机变频调速技术的不断发展，变速恒频风力发电技术在风力发电系统中的应用会愈加广泛。
2.变速恒频风力发电系统
通过变桨距控制风轮，变速恒频风力发电系统能够在较大的转速范围内实现较好的运行效率，符合现阶段风力发电发展的趋势，变速恒频风力发电机组主要包括以下五个特点：因为变速恒频风力发电系统采用的是电力电子变频器，所以其结构比较复杂；在可发电风速下，其风力发电机组能够通过跟踪最大功率点实现良好的功率输出，从而使发电功率不断提高；风轮机能够通过加速减速缓冲风能的快速变化，减小其输出功率的波动；按照风速的变化，风轮机能够以不同的转速进行旋转，有效降低了风力机的机械应力与力矩的脉冲幅度；通过采取SVPWM控制等控制策略可以有效控制风电机组有功或功输出功率，使其具备电压的良好控制能力。从上述特点中不难看出，变速恒频风力发电系统主要适用于大于1 MW的大功率发电系统，它的这些特点使其更能有效保证电网运行的安全性与稳定性。
3.两种变速恒频发电系统
变速恒频系统可以分为同步风力发电机系统与异步风力发电机系统两种。而同步发电机系统有分为电励磁同步发电机系统与永磁同步发电机系统。异步发电机系统主要指的是绕线转子异步发电机系统。电励磁同步发电机系统能够使发电机定子实现电网与变频器的连接，其转子通过AC/DC整流装置将励磁提供给发电机，发电机能够直接驱动，也能够利用变速箱驱动，永磁同步发电机结构简单，使转子励磁磁场永久磁铁被转子励磁磁场取代。同步风力发电机系统主要具有以下特点：变换器能够通过由发电机发出的的全部电功率，按100%的功率选取变换器容量，其投资、损耗以及容量都比较大，吸收谐波比较困难；永磁发电机电机轻，效率高，通过利用直接驱动的结构形式，改善变速箱的笨重结构；功率变换器采用单象限的结构，使其定子绕组与电网直接连接，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，通过变频装置，交流励磁控制能够向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，通过变频器的功率只有转差功率，双馈调速可以把转差功率回馈到电网或电机轴中去。在一般情况下，变速恒频系统按照25%左右的发电总功率对变频器进行有效选用，最大程度上降低其损耗，而且投资比较小，能够提高2%—3%的发电效率，但是只能使用双馈电机，所以效率过低，还需要变速箱的配合使用，同时因为功率双向流过变频器，因此对变频器提出了较高的要求，应该采用四象的变频器，不过这种变频器价格较高，所以一般采用矩阵变频器、交—交变频器以及交—直—交变频器等。
结语：
综上所述，由于电力电子技术的迅速发展，其在风力发电系统中得到了极其广泛的应用与推广，这种技术提高了风力发电系统的输出效率以及发电水平，普及了风力发电这一能源利用的新技术，使其为社会经济的健康发展做出更大的功效，实现了一定的社会经济效益。
参考文献：
[1]刘爱军.论电力电子技术在风力发电中的应用[J].科技风，2011（15）
[2]王涛.电力电子技术在风力发电中的应用分析[J].科技资讯，2013（36）
关键词：电力电子；风力发电；系统；应用
随着新能源应用技术的不断推广和应用，近几年来，风力发电发展的速度越来越快，很多国家和地区以 30%的速度在增长，有些国家甚至达到了60%以上。随着社会经济的迅速发展与科学技术的不断进步，大型风力发电机组的制造水平与相关技术也在不断提高，已安装完成的风电装机每年可发电200twh，在全球电力负荷中占1.3%，而风力发电的贡献率占40%。随着风力发电系统的不断发展，电力电子技术在风力发电系统的中的应用越来越广泛，它能有效控制风电机组，实现电能的有效转换，提高电能质量。
一、我国风力发电的发展以及应用电力电子技术的优势
我国在20 世纪50 年代后期开始应用风力发电，很多地区都建立了比较小型的风力发电场，但是并没有得到广泛的应用，直到20 世纪70 年代中期，由于世界性的能源危机越来越严重，我国开始重视与支持这一新能源技术的应用与推广，21 世纪初到现阶段，我国的风力发电的发展速度越来越快，建设规模也越来越大，装机容量也得到了扩展。
现阶段能源短缺的问题同样严重，所以重视风力发电的应用和推广具有非常重要的现实意义，而由于现代变频调速技术以及电力电子技术的迅速发展，它们在风力发电系统中也得到了更加广泛的应用，通过利用这种技术，能够大大改善风电机组的运行特性，同时通过采用有功、无功控制，风电机组能够在电压控制以及系统频率方面发挥更大的作用，此外，通过大规模风电场的并网运行能够有效降低风力发电的成本。
二、电力电子技术在风力发电系统中的应用
当前有效利用新能源进行发电的技术除了水力发电之外，风力发电也是 一种比较成熟和应用广泛的发电技术，风能不具备储备能源的功能，它是把风能转换为电能并输送到电网之中，在这个过程中，电力电子设备是其中最关键的因素，应用于风力发电系统中的电力电子技术主要包括风电并网技术、恒速恒频发电、变速恒频发电以及两种变速恒频发电。
（一）风电并网技术
并网运行的风力发电系统具有良好的稳定性，所以得以迅速发展与应用，其中电力电子技术对其起到了关键作用，与电网连接的方式主要包括直接与电网连接以及通过电力电子器件组成的变换器与电网相连，直接与电网连接的风电场，为了防止异步发电机并网时产生较大的冲击电流，通常配有软并网装置，具体来说就是将一只双向晶闸管串入异步发电机定子和电网之间，并用接触器的动合触头进行短接，其拓扑结构如图所示：
而通过电力电子器件组成的变换器与电网相连的风电场，一般采用的都是风力发电机，其中变速同步发电机与变速双馈异步发电机的应用最为广泛，在与电网相连时同样需要电力电子技术的支持。
（二）恒速恒频发电与变速恒频发电
发电机是风力发电系统中进行能量转换的关键部分，根据发电机运行方式的不同，风力发电机系统主要分为恒速恒频风力发电系统、变速恒频风力发电系统以及两种变速恒频发电系统。当风力发电机组和电网进行并联运行时，需要其电能的频率具有一定的恒定性，也就是与电网频率一致，而风力发电发出的是频率不断变化的交流电或大小不断变化的直流电时，需要利用电力电子变换器变换电能。
1.恒速恒频风力发电系统
在恒速恒频发电机系统中采用的一般是普通异步发电机，它能在正常运行的超同步状态下有效转换差率为负值，而由于其工作的电机在发电机状态下具有较小的转差率可变范围，即使在风速发生改变的情况下其发电机的转速也能保持不变，所以被称为恒速恒频风电机组。这种风电机组通常不会采用电力电子变换器装置，具有以下特点：首先这种系统的结构比较简单，在一些野外或者缺乏有效维护的环境中也能够工作；其次就是其风电机组在正常运行时不能有效控制电压，所以无法提供足够的电压支撑能力，不能在电网发生故障时恢复系统电压，保持系统的稳定性；在风速不断快速升高、转速不变的情况下，通过桨叶风能会递给主轴、发电机以及齿轮箱等部件，产生较大的机械应力，可能会造成这些部件的损坏，因此需要一些加固措施；发出的电能是根据风速的不断波动而波动的，所以如果风速发生了急剧变化，风电机组可能会产生无功变化或电压闪变等电能质量问题，在风力发电的实际工程中，一般利用静止无功补偿器进行无功调节，通常采用SVC或者TSC进行调节，也就是利用软起动来的方法，减少发电机启动时产生的电流，由此可以得出，恒速恒频发电机系统主要适用于小于600 kW的系统，也就是小功率發电系统。而随着电力电子技术尤其是电机变频调速技术的不断发展，变速恒频风力发电技术在风力发电系统中的应用会愈加广泛。
2.变速恒频风力发电系统
通过变桨距控制风轮，变速恒频风力发电系统能够在较大的转速范围内实现较好的运行效率，符合现阶段风力发电发展的趋势，变速恒频风力发电机组主要包括以下五个特点：因为变速恒频风力发电系统采用的是电力电子变频器，所以其结构比较复杂；在可发电风速下，其风力发电机组能够通过跟踪最大功率点实现良好的功率输出，从而使发电功率不断提高；风轮机能够通过加速减速缓冲风能的快速变化，减小其输出功率的波动；按照风速的变化，风轮机能够以不同的转速进行旋转，有效降低了风力机的机械应力与力矩的脉冲幅度；通过采取SVPWM控制等控制策略可以有效控制风电机组有功或功输出功率，使其具备电压的良好控制能力。从上述特点中不难看出，变速恒频风力发电系统主要适用于大于1 MW的大功率发电系统，它的这些特点使其更能有效保证电网运行的安全性与稳定性。
3.两种变速恒频发电系统
变速恒频系统可以分为同步风力发电机系统与异步风力发电机系统两种。而同步发电机系统有分为电励磁同步发电机系统与永磁同步发电机系统。异步发电机系统主要指的是绕线转子异步发电机系统。电励磁同步发电机系统能够使发电机定子实现电网与变频器的连接，其转子通过AC/DC整流装置将励磁提供给发电机，发电机能够直接驱动，也能够利用变速箱驱动，永磁同步发电机结构简单，使转子励磁磁场永久磁铁被转子励磁磁场取代。同步风力发电机系统主要具有以下特点：变换器能够通过由发电机发出的的全部电功率，按100%的功率选取变换器容量，其投资、损耗以及容量都比较大，吸收谐波比较困难；永磁发电机电机轻，效率高，通过利用直接驱动的结构形式，改善变速箱的笨重结构；功率变换器采用单象限的结构，使其定子绕组与电网直接连接，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，通过变频装置，交流励磁控制能够向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，通过变频器的功率只有转差功率，双馈调速可以把转差功率回馈到电网或电机轴中去。在一般情况下，变速恒频系统按照25%左右的发电总功率对变频器进行有效选用，最大程度上降低其损耗，而且投资比较小，能够提高2%—3%的发电效率，但是只能使用双馈电机，所以效率过低，还需要变速箱的配合使用，同时因为功率双向流过变频器，因此对变频器提出了较高的要求，应该采用四象的变频器，不过这种变频器价格较高，所以一般采用矩阵变频器、交—交变频器以及交—直—交变频器等。
结语：
综上所述，由于电力电子技术的迅速发展，其在风力发电系统中得到了极其广泛的应用与推广，这种技术提高了风力发电系统的输出效率以及发电水平，普及了风力发电这一能源利用的新技术，使其为社会经济的健康发展做出更大的功效，实现了一定的社会经济效益。
参考文献：
[1]刘爱军.论电力电子技术在风力发电中的应用[J].科技风，2011（15）
[2]王涛.电力电子技术在风力发电中的应用分析[J].科技资讯，2013（36）