電力電子系統(tǒng)在風能發(fā)電中的應用與前景展望

摘  要：新型能源的應用正日益廣泛地用作傳統(tǒng)大型中心電站的補充和替代。本文闡述了關于風能發(fā)電的現狀和在未來的發(fā)展趨勢，同時闡述了關于電力電子技術在風能發(fā)電中的諸多應用以及在未來的發(fā)展前景。

關鍵詞：電力電子，風力發(fā)電，渦輪發(fā)電機，儲能系統(tǒng)

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(tǒng)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(tǒng)等級的激增。而越來越多的可再生能源和分布式發(fā)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(tǒng)中的廣泛滲透將會在未來25到3O年內發(fā)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(fā)電和各種負載中的應用。在分布式發(fā)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(tǒng)集成，電力電子技術被廣泛地應用并迅速地擴展。

二、風能發(fā)電技術的現狀

      風能發(fā)電已經正在變成為被廣泛接受的發(fā)電技術。伴隨著風電技術的開發(fā)在世界各國的不斷發(fā)展，風力發(fā)電呈現出以下主要特點：裝機規(guī)模不斷擴大，風電發(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)電機單機容量不斷擴大。作為提高風能利用率和發(fā)電效益的有效途徑，發(fā)電機單機容量從1997年以前的500～750kw主流機型發(fā)展到目前3.6MW機組的批量安裝；海上風電場逐步商業(yè)化。海上風電場具有風速高、風力穩(wěn)定、各種干擾少、發(fā)電量大等特點，可以有效利用風電機組的發(fā)電容量；風力發(fā)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(fā)電技術中的應用

      最近五年世界風力渦輪發(fā)電機市場平均每年以30％多的速度增長，風能在發(fā)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(fā)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(fā)電系統(tǒng)的結合上。一種轉速取決于風速的風力發(fā)電技術已經被應用到風力發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電機得到了很大的發(fā)展。

      1）利用雙反饋感應發(fā)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。