电力电子技术在风力发电中的应用综述

电力系统中的电力电子技术应用

Vol.5No.4第5卷第4期南京师范大学学报(工程技术版)

2005年12月JOURNALOFNANJINGNORMALUNIVERSITY(ENGINEERINGANDTECHNOLOGY)Dec,2005

电力电子技术在风力发电中的应用综述

王　琦,陈小虎,吴正伟

3.南瑞继保有限公司,江苏南京211100)

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(1.南京师范大学电气与自动化工程学院,江苏南京210042;

2.南京工程学院电力工程系,江苏南京210013;

[摘要]　风能是不能储存能源,将风能转换成电能并输送到电网过程中,电力电子设备是关键因素之一.介绍了当前主要的风力发电机系统及其控制.针对最具有发展潜力的变速恒频双馈风力发电系统,分析其用于转速控制的电力电子变换器装置.分析了交流并网安装静止无功补偿器的意义,介绍了基于VSC的轻型直流输电原理.最后,描述了未来大容量海上风电场将更广泛应用电力电子装置.

[关键词]　风力发电机系统,电力电子变换器,静止无功补偿器,轻型直流输电,海上风电场[中图分类号]TM614,　[文献标识码]A,　[文章编号]167221292(2005)0420007204

SummarizationofPowerElectroniiiWANGQi,CHENXiao,i

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(1.SchoolofElectricalandAutomationJiangsuNanjing210042,China;

2.DepartmentofElectricalIogy,JiangsuNanjing210013,China;

.,LTJiangsuNanjing211100,China)

wind2storableenergysource,thepowerelectronicsdeviceisoneofthekeyfactorsduringtheperiodoftransferredintotheelectricenergyandtransmittedtothepowernetwork.

Inthispaper,the

mainwindgeneratorsystemsexistingandtheircontrolsareintroduced.Tothemostpotentialvariable2speedconstant2frequencydoublyfedinductiongenerator,thedeviceofpowerelectronicsconverterusedtocontrolrotatespeedisana2lyzed.ThesignificanceofinstallationofStaticVarCompensatorinACconnectionstothegridisanalyzed.Theprin2cipleofhighvoltagedirectcurrenttransmissionlightbasedonVSCisanalyzed.Finally,itisdescribedthatthepowerelectronicsdevicewillbeappliedwidelyinlarge2scaleoffshorewindfarminthefuture.

Keywords:windgeneratorsystems,powerelectronicsconverter,staticvarcompensator,HVDClight,offshorewindfarm

0　引言

风力发电技术越来越到受到世界各国的高度重视.2003年,全球风力发电装机容量达32000MW,我国风力发电过去10年以年均55%的高速

安装.(5)不防碍土地的使用,工业和农业活动可以继续在塔架周围进行.

从20年前推出的样机开始,风电技术经过长期发展的历程,今天的发电机组已经成为先进的现代高新技术.当前一台风电机组,比20年前的机组功率大200倍,现代的风电发电厂生产出来的电量之大,相当于常规电厂.要以最低的成本生产出最多的电能,风力发电系统正在不断的改进,其中电力电子设备起到关键作用.目前,电力电子设备广

[1]

泛应用在大、中、小容量的风力发电系统中.

[1]

增长,到2010年风电装机总容量可达400万kW

以上.风力发电的优势有:(1)成本低,可以与核能、煤和燃气在对等的规则下竞争.(2)其动力是免费的、充裕的,且取之不尽,用之不竭.(3)不需要燃料,不会排放CO2.(4)组合式设计,可以迅速

　收稿日期:2005205218.　作者简介:王　琦(19752),女,讲师,博士研究生,主要从事电力电子在电力系统中应用和风力发电等方面的教学与研究.

E2mail:wangqi@

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电力系统中的电力电子技术应用

南京师范大学学报(工程技术版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第5卷第4期(2005年)

1　风力发电机系统

由于简易性以及鲁棒性,失速或者主动失速控制的定速风力发电机系统是2003年以前最常见的系统,该系统的主要结构如图1所示.主动失速控制主要运用在额定功率超过1MW的大机组,其标准组成是一个齿轮变速箱和无功补偿电容器组.但是此系统也有一定的缺点,例如输出功率高度不稳定性及其在变速箱的消耗

.

当定速风力发电机系统的缺点被描述出来后,开始倾向于使用变速恒频风力发电机系统,它的优点在于:

(1)求,.,即:低风速时桨距角固定,功率.

(2)变速恒频风力发电机可以减小低风速下

力发电机系统.此风力机具有桨叶与轮毂刚性连接,失速控制靠叶片独特的翼形结构.这种风力发电机结构简单,造价低,具有较高的安全系数,但失速控制难度大,很少应用到MW级以上的风力发电机组控制上.

变桨距控制是指风力机叶片的安装角随风速改变而改变的一种控制.变桨距启动时可对风轮转速控制,并网后可对功率控制,从而使得风力发电机启动性能和功率输出特性较定桨距定速风机显著改善.但是,它的缺点是变桨距调节机构复杂,要求调节机构的相应速度快,易引起功率脉动.

主动失速控制系统,是将上述两种控制方式结合起来使用.允许叶片倾斜,但此倾斜度在一个很小的范围之内.112　发电机转速控制

失速调节定速系统,通常使用直接与电网相连的感应电机,变速系统则是使用感应电机或者同步电机.这两个系统都需要通过电力电子变换器来获得转矩和转速控制.

而变速系统的感应电机主要使用绕线转子,此转子的使用使得电力电子变换器能够通过滑环与转子电路相接,其优点在于通过使用一个低于正常功率20%～30%的电力电子变换器即可获得可变的转速控制

[4]

[3]

的空气动力干扰,使噪声降低.

(3)变速恒频风力发电机以最佳的叶尖速比、

最大的功率点运行,提高了风力机的运行效率.

(4)变速恒频风力发电机系统可以减少转矩

脉动,从而减少了输出功率的波动.

(5)变速恒频风力发电机可以减少叶片和驱

动轴上机械应力.

目前,拥有双馈感应电机的变速恒频变桨距调节系统(DFIG)非常流行,在风力发电机系统中将占有重要的地位.它与定速风力发电机系统相比,节省了静止无功补偿器,可以获取更多的电能和提高电网电能质量.图2为此系统的主要结构.

由多个电力电子变换器和一个多极同步电机的变速变桨距调节系统在目前也很普遍,图3为此系统的主要结构.在文献[2]中提到,由于其能够忽略变速箱,因此,它的结构很有吸引力.除此之外,也存在一些使用单个变速器和多个电力电子变换器的感应电机系统,但是其使用范围不广

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.通过一个与转子相接的可变转子

电力系统中的电力电子技术应用

王　琦,等:电力电子技术在风力发电中的应用综述

阻抗,系统中的电力电子变换器和滑动环能够完全

避免,在这种系统中,转换阻抗被加到转子电路中,而且将会和发电机的转子一起旋转,但是这种系统的速度范围将会由于分散到转子阻抗的最大功率

[5]

而受到限制.

变速恒频双馈风力发电系统最具发展潜力,下面着重分析其用于转速控制的电力电子变换器装置.变速恒频双馈风力发电系统中电力电子变换器应为四象限变频器,按其拓扑结构主要可分为交交变频器、交直交变频器和矩阵变换器3种类型.

交交变频器大多采用晶闸管自然换流方式,工作可靠,与电源之间进行无功功率的交换和有功功率的回馈容易,为四象限变频器,其无环流系统的最高输出频率为电网供电频率的1/2.尽管交交变频器还具有无中间直流滤波环节、变频效率高等优点,在双馈变速恒频风力发电 …… 此处隐藏：3372字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……