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電力電子系統(tǒng)在風(fēng)能電網(wǎng)中的應(yīng)用與展望
2015-12-09
摘 要：新型能源的應(yīng)用正日益廣泛地用作傳統(tǒng)大型中心電站的補(bǔ)充和替代。本文闡述了關(guān)于風(fēng)能發(fā)電的現(xiàn)狀和在未來的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)闡述了關(guān)于電力電子技術(shù)在風(fēng)能發(fā)電中的諸多應(yīng)用以及在未來的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：電力電子，風(fēng)力發(fā)電，渦輪發(fā)電機(jī)，儲(chǔ)能系統(tǒng)
一、引 言
目前社會(huì)需求已經(jīng)不再是用電力電子技術(shù)來解決問題，而是電能處理的系統(tǒng)集成。一種更為綜合性的多學(xué)科的解決方案迫在眉睫。我們將會(huì)看到能量存儲(chǔ)系統(tǒng)等級(jí)的激增。而越來越多的可再生能源和分布式發(fā)電機(jī)需要新的電網(wǎng)運(yùn)行和管理控制策略來保證甚至改善供電的質(zhì)量和可靠性。電力電子在能量系統(tǒng)中的廣泛滲透將會(huì)在未來 25到3O年內(nèi)發(fā)生，但對(duì)目前主要的輸電的網(wǎng)絡(luò)不會(huì)有大的影響。電力電子的進(jìn)步主要集中在分布式發(fā)電和各種負(fù)載中的應(yīng)用。在分布式發(fā)電和將可再生能源集成到電網(wǎng)中，電力電子技術(shù)扮演著重要的角色，并且由于這些應(yīng)用變成更多的與基于電網(wǎng)系統(tǒng)集成，電力電子技術(shù)被廣泛地應(yīng)用并迅速地?cái)U(kuò)展。
二、風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀
風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)正在變成為被廣泛接受的發(fā)電技術(shù)。伴隨著風(fēng)電技術(shù)的開發(fā)在世界各國(guó)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電呈現(xiàn)出以下主要特點(diǎn)：裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)電發(fā)電量占世界總電量的比例逐年增加，從占總量的不到1‰發(fā)展到2004年的5‰；發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷擴(kuò)大。作為提高風(fēng)能利用率和發(fā)電效益的有效途徑，發(fā)電機(jī)單機(jī)容量從1997年以前的500～750kw主流機(jī)型發(fā)展到目前3.6MW機(jī)組的批量安裝；海上風(fēng)電場(chǎng)逐步商業(yè)化。海上風(fēng)電場(chǎng)具有風(fēng)速高、風(fēng)力穩(wěn)定、各種干擾少、發(fā)電量大等特點(diǎn)，可以有效利用風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電容量；風(fēng)力發(fā)電成本不斷降低。風(fēng)電的建設(shè)投資成本較高，但營(yíng)運(yùn)費(fèi)用很低。
三、電力電子在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用
最近五年世界風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)市場(chǎng)平均每年以30％多的速度增長(zhǎng)，風(fēng)能在發(fā)電中已經(jīng)開始占據(jù)越來越重要的作用?，F(xiàn)有市場(chǎng)上風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)采用的設(shè)計(jì)技術(shù)也有很大的不同。這些不同主要反映在風(fēng)力渦輪和發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合上。一種轉(zhuǎn)速取決于風(fēng)速的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)上，這是為了盡量大的獲取有風(fēng)力提供的能量。可變速風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)技術(shù)每年可以捕獲的能量比定速技術(shù)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(wǎng)電壓得到控制，因?yàn)樗a(chǎn)生的無功功率是可變的。可變速渦輪發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)就是需要電力轉(zhuǎn)換裝置，這樣不僅增加了部件數(shù)量也增加了控制的復(fù)雜度。其中應(yīng)用電力電子技術(shù)所花的總成本是整個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的7％。由于快速處理大功率的半導(dǎo)體開關(guān)器件技術(shù)和高級(jí)復(fù)雜算法的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)的引入電力電子技術(shù)經(jīng)歷了很大的發(fā)展和變化，這些因素綜合起來就導(dǎo)致了低損耗并且和電網(wǎng)兼容性好的變流器的出現(xiàn)。這也使得近年來變速風(fēng)渦輪發(fā)電機(jī)得到了很大的發(fā)展。
1）利用雙反饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）的變速技術(shù)：這種強(qiáng)迫開關(guān)的功率變流器的原理圖如圖1所示。變流器包括兩個(gè)三相AC—DC功率變流器，兩者由一個(gè)直流電容器電池鏈接。這種結(jié)構(gòu)一方面保證對(duì)機(jī)器的有功功率和無功功率進(jìn)行矢量控制，另一方面還能減少功率變流器注入電網(wǎng)的諧波大小。
2）全部采用功率變流器的可變速技術(shù)：發(fā)電機(jī)跟電網(wǎng)完全解耦。發(fā)電機(jī)的能量整流到直流鏈然后被轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)可以接受的交流能量。大多數(shù)這種風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)采用多極同步發(fā)電機(jī)，雖然它也可能（但是較少）采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)和齒輪箱。不采用齒輪箱有很多優(yōu)點(diǎn)：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(zhuǎn)的機(jī)械部件而使可靠性增加。
圖2給出了這種適用于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的全功率變流器的原理圖。機(jī)側(cè)利用矢量控制策略的三相變流器作為驅(qū)動(dòng)器工作控制轉(zhuǎn)矩發(fā)電機(jī)。兩側(cè)三相變流器則使風(fēng)能轉(zhuǎn)化的電能進(jìn)入電網(wǎng)并且能夠控制進(jìn)入電網(wǎng)的無功功率和有功功率大小。它也要保持總諧波畸變因數(shù)（THD）盡量低，以改善輸送到公共電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。直流鏈的目的是用作為能量?jī)?chǔ)存，這樣由風(fēng)捕獲的能量?jī)?chǔ)存為電容器中的電荷，然后可以即時(shí)地注入到電網(wǎng)中。控制信號(hào)的作用是為直流鏈I壓Vdc保持一個(gè)固定的參考值。
3）半導(dǎo)體器件技術(shù)：
為了改善應(yīng)塌在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)中電力電子變頻驅(qū)動(dòng)裝置的性能和可靠性，需要具有更好電氣特性、更低價(jià)格的電力半導(dǎo)體器件，因?yàn)槠骷阅軟Q定了用作風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)接口的整個(gè)電力電子部分的大小、重量和成本。
四、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的趨勢(shì)
1）海上風(fēng)力發(fā)電：風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)技術(shù)未來主要的發(fā)展趨勢(shì)就是離岸安裝。海上有大量風(fēng)能資源可以在海水相對(duì)較淺的許多區(qū)域安裝風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)。離岸渦輪發(fā)電機(jī)通常能產(chǎn)生比安裝在附近區(qū)域的岸上的渦輪發(fā)電機(jī)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(tǒng)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)和安裝要比岸上系統(tǒng)多花 50％以上的能量。但是，應(yīng)當(dāng)滓意離岸渦輪發(fā)電機(jī)比岸上渦輪發(fā)電機(jī)有大約多25—30年的壽命。原因在于海f的低擾動(dòng)使風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的疲勞載荷較輕。
傳統(tǒng)的熱量流通空氣調(diào)節(jié)（HVAC）輸電系統(tǒng)是一個(gè)將風(fēng)電場(chǎng)跟電閼相聯(lián)的簡(jiǎn)單、便宜的解決方法。高壓直流輸電（HVAC）接入電網(wǎng)技術(shù)能將風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組連接到電網(wǎng)，并且將電能安全有效地輸送到負(fù)載中心。對(duì)離岸風(fēng)電場(chǎng)來說，DHVC輸電系統(tǒng)比HAC輸電系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)。
1）發(fā)送和接受端的頻率是獨(dú)立的。
2）直流輸電的距離不受電纜負(fù)荷電流的影響。
3）離岸安裝與大陸擾動(dòng)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(tǒng)越來越受到廣泛的關(guān)注，不僅僅足跟電網(wǎng)相連的大型離岸風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)系。現(xiàn)在基于VSC的解決方案已經(jīng)被ABB公司推向市場(chǎng)，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(tǒng)的原理圖。這種相對(duì)較新的技術(shù)（在1999年被商業(yè)化安裝運(yùn)行）只有在能自關(guān)斷電流的IGBT器件發(fā)展下才可能實(shí)現(xiàn)。這意味著已不需要一個(gè)有源換流電壓了。因此，基于VSC的HVDC輸電系統(tǒng)就不再需要很強(qiáng)的離岸和岸上的交流電網(wǎng)，甚至能在完全癱瘓的電網(wǎng)中啟動(dòng)（黑暗啟動(dòng)能力）。但是，這種系統(tǒng)還有其他一些優(yōu)點(diǎn)：無功和有功可以分別獨(dú)立控制，這樣就可以減少對(duì)無功功率補(bǔ)償?shù)男枰?，并且能提高交流電網(wǎng)在它們連接點(diǎn)的穩(wěn)定性。
2）大功率中壓變流器拓?fù)洌簽榱私档兔客叱杀竞吞岣唢L(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，最近幾年風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的標(biāo)稱功率不斷地增長(zhǎng)。
提出的不同的多電平變流器拓?fù)淇梢苑譃橐韵挛孱悾?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;" />
1）帶有二極管箝位的多電平結(jié)構(gòu)。
2）帶有雙向開關(guān)接口的多電平結(jié)構(gòu)。
3）利用飛跨電容的多電平結(jié)構(gòu)。
4）帶有多元三相逆變器的多電平結(jié)構(gòu)。
5）帶有級(jí)聯(lián)單相H橋逆變器的多電平結(jié)構(gòu)。
隨著器件額定功率的提高和開關(guān)、導(dǎo)通性能的改善，應(yīng)用多電平變流器的優(yōu)點(diǎn)就會(huì)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(guān)注。更重要的是，多電平電路對(duì)輸人濾波器要求最低或者換句話減少了轉(zhuǎn)流的次數(shù)。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(guān)頻率能減少25％，這就導(dǎo)致開關(guān)損耗的降低。雖然多電平變流器中的導(dǎo)通損耗較高，但是整個(gè)系統(tǒng)的效率取決于開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的比率。
風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)市場(chǎng)的趨勢(shì)是依據(jù)電壓和電流額定值，提高其標(biāo)稱功率（幾兆瓦）。這使多電平變流器剛好適合這種現(xiàn)代大功率風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的應(yīng)用。電壓額定值的提高，允許把風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的變流器直接連接到風(fēng)電場(chǎng)的配電網(wǎng)絡(luò)，避免使用笨重的變壓器（見圖4）。
3）用于風(fēng)電場(chǎng)的未來的儲(chǔ)能技術(shù)：儲(chǔ)能技術(shù)能潛在地改善風(fēng)電的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的吸引力，特別當(dāng)它超過總系統(tǒng)能量的10％時(shí)（大約系統(tǒng)容量的20％——25％．一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)將在平均l5分鐘風(fēng)力的島效時(shí)間內(nèi)被用作海量?jī)?chǔ)能和在較短期間吸收或注入能量，以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。
在風(fēng)電場(chǎng)中好幾種儲(chǔ)能技術(shù)得到應(yīng)用。利用蓄電池作為一種儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)交換能量是眾所周知的。應(yīng)用于可再生能源系統(tǒng)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(yīng)速度，但它的放電速率受到化學(xué)反應(yīng)和蓄電池類別的限制。在電力系統(tǒng)中，蓄電池的作用為一個(gè)電壓源?？稍偕茉聪到y(tǒng)中的蓄電池應(yīng)用的新的發(fā)展趨勢(shì)是與好幾種能源（如風(fēng)能，光伏發(fā)電系統(tǒng)，等）的集成，與補(bǔ)充它們的其它儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成。同時(shí)，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(hù)費(fèi)用，提高壽命。對(duì)風(fēng)電應(yīng)用，液態(tài)（鋅溴）蓄電池系統(tǒng)提供了最低的單位儲(chǔ)能和送電成本。鋅溴蓄電池在概念和設(shè)計(jì)方面，與傳統(tǒng)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(xué)材料：鋅和溴的化學(xué)反應(yīng)。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(shí)）,而節(jié)省了體積和重量。這種電池的功率特性可以根據(jù)不同的應(yīng)用，進(jìn)行改善。特別是，鋅溴蓄電池在重復(fù)充放電循環(huán)后特性不會(huì)變差。它在可再生能源應(yīng)用中具有極好的未來。
隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能，超導(dǎo)儲(chǔ)能，超級(jí)電容和壓縮空氣等新的儲(chǔ)能方式得到了相應(yīng)的應(yīng)用和發(fā)展，但由于風(fēng)能發(fā)電和各個(gè)儲(chǔ)能技術(shù)的特性存在，這些儲(chǔ)能方式在和風(fēng)能的結(jié)合上還在拓展階段。
五、總結(jié)
在可再生能源并網(wǎng)中，新的電力電子技術(shù)扮演著非常重要的重要的角色。為計(jì)劃中的最高額定功率的渦輪發(fā)電機(jī)開發(fā)電力電子接口裝置應(yīng)當(dāng)是可能的，從而可以優(yōu)化能量的轉(zhuǎn)換、傳輸和控制無功功率，減少諧波畸變，在寬的功率范圍內(nèi)達(dá)到低成本和高效率，并且具有高的可靠性和對(duì)子系統(tǒng)部件故障的容錯(cuò)性。
隨著世界范圍內(nèi)能源短缺的加劇，風(fēng)力發(fā)電受到了更多的重視，更多大規(guī)模的風(fēng)電開始接入電力系統(tǒng)，電力電子技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)及正常運(yùn)行中發(fā)揮了重要作用。大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行，也將會(huì)逐漸降低風(fēng)力發(fā)電的成本，風(fēng)力發(fā)電更為普及，使在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮出更大的作用。
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