電力一電子學(xué)(PowerEleetronics)、微電子學(xué)(MicroElectronics)構(gòu)成了電子學(xué)(Electronics)的主要內(nèi)容。
新一代電力電子技術(shù)的研究內(nèi)容包括了兩個方面：即新型電力電子器件的開發(fā)及其應(yīng)用。由于這種技術(shù)是微電子技術(shù)和傳統(tǒng)電力電子技術(shù)在高層次上的溶合，吸收了多種科學(xué)技術(shù)的最新成果，因此被視為一項綜合性較強的技術(shù)，得到了人們的普遍關(guān)注。加之其明顯的節(jié)能、省材、提高生產(chǎn)效率等特點，在美國、日本、西歐等工業(yè)發(fā)達國家取得了迅速發(fā)展。在器件上已擺脫了70年代中期以前單一晶閘管的工作模式，進入了"功率集成"的層次;應(yīng)用上也已從直流電解、直流牽引、直流傳動等傳統(tǒng)領(lǐng)域擴展到電力傳輸、交流傳動、開關(guān)電源、感應(yīng)加熱、家用電器等諸多新領(lǐng)域。從目前世界的能源結(jié)構(gòu)來看，以資源有限、污染嚴重的石化能源為主的能源結(jié)構(gòu)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐再Y源無限、清潔干凈的可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)。太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、燃料電池等可再生能源作為新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域資源限制等優(yōu)點，正得到迅速的推廣應(yīng)用。電力電子技術(shù)作為可再生能源發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵，直接關(guān)系到可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展¨。可再生能源發(fā)出大小變化的直流電或頻率變化的交流電，需要電力電子變換器將電能進行變換。
1 電力電子技術(shù)在再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢
1.1逆變器及并網(wǎng)控制技術(shù)
可再生能源發(fā)電輸出功率的并網(wǎng)主要采用針對變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的AC—AC變換器并網(wǎng)和采用逆變器的并網(wǎng)方式。
I.2太陽能充電控制器.
為提高太陽能發(fā)電的可靠性，需配備一定容量的蓄電池組。鉛酸蓄電池組成本較高，且使用壽命有限，若使用不當(dāng)，會嚴重影響壽命。采用自適應(yīng)控制算法則能很好地兼顧蓄電池充電控制和太陽能電池最大功率跟蹤控制。
1.3變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
目前我國風(fēng)力發(fā)電基本都是采用并網(wǎng)型異步風(fēng)力發(fā)電機組，運行方式是不加控制的直接并網(wǎng)運行，風(fēng)速風(fēng)向變化時很容易對電網(wǎng)形成沖擊、注入諧波、造成污染，甚至影響局部電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。解決這一問題的方案是采用變速恒頻控制，即當(dāng)風(fēng)速改變引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化時，仍能保證輸出電能頻率恒定。
風(fēng)能是潔凈的，可再生的，儲量很大的能源，為了緩解能源危機和供電壓力，改善生存環(huán)境，在20世紀(jì)70年代中葉以后受到重視和開發(fā)利用。風(fēng)力發(fā)電有很多獨特的優(yōu)點：施工周期短，投資靈活，實際占地少，對土地要求低等，但仍在并網(wǎng)、輸電、風(fēng)機控制等方面存在問題，阻礙了風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用。因此，要大規(guī)模的應(yīng)用先進的電力電子技術(shù)到風(fēng)力發(fā)電當(dāng)中，有效的解決現(xiàn)有問題，使得風(fēng)力發(fā)電成為電力行業(yè)的生力軍。
以下將從不同角度展現(xiàn)電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。
2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)
2.1風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)
風(fēng)力發(fā)電既可獨立運行，也可并網(wǎng)運行。對于獨立運行的風(fēng)電系統(tǒng)，其可靠性和穩(wěn)定性不如并網(wǎng)運行的風(fēng)電，因此風(fēng)電并網(wǎng)運行成為發(fā)展趨勢。風(fēng)電并網(wǎng)運行與電力電子技術(shù)有著密切的關(guān)系。通常有兩種與電網(wǎng)連接方式：一是直接與電網(wǎng)相連，二是通過電力電子器件組成的變換器與電網(wǎng)聯(lián)接。直接與電網(wǎng)相連的風(fēng)電場，為了限制異步發(fā)電機在并網(wǎng)瞬間出現(xiàn)較大的沖擊電流，配有軟并網(wǎng)裝置，即在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間每相串入一只雙向晶閘管，并網(wǎng)后由一個接觸器的動合觸頭將其短接。至于采用的風(fēng)力發(fā)電機的類型，目前研究最多的是變速雙饋異步發(fā)電機和變速同步發(fā)電機，由于它們本身構(gòu)造上的特點和技術(shù)上要求，與電網(wǎng)連接時都需要電力電子技術(shù)的支持HJ。
2.2恒速恒頻發(fā)電和變速恒頻發(fā)電
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機是能量轉(zhuǎn)換的核心部分。風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)按照發(fā)電機運行的方式來分，主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)兩種D1。風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，要求風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出電能的頻率保持恒定，即與電網(wǎng)頻率相等。
2.2.1恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)一般采用的是普通異步發(fā)電機，這在國外一般被稱為丹麥概念風(fēng)電機組這種風(fēng)電機組的發(fā)電機正常運行在超同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)差率、為負值，電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，且轉(zhuǎn)差率的可變范圍很小 (<5%)，風(fēng)速變化時發(fā)電機轉(zhuǎn)速基本不變，所以稱之為恒速恒頻風(fēng)電機組。恒速恒頻風(fēng)電機組一般很少采用電力電子變換器裝置。這種風(fēng)電機組的主要特點為：
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，適合在野外，缺少維護的環(huán)境工作;
(2)由于轉(zhuǎn)速不變，無法進行最大功率點跟蹤控制，發(fā)電的效率降低;
(3)當(dāng)風(fēng)速快速升高時，由于轉(zhuǎn)速不變，風(fēng)能將通過槳葉傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件，產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力，引起這些部件的疲勞損壞，所以要求堅固;
(4)這種風(fēng)電機組在正常運行時無法對電壓進行控制，不能象同步發(fā)電機一樣提供電壓支撐能力，不利于電網(wǎng)故障時系統(tǒng)電壓的恢復(fù)和系統(tǒng)穩(wěn)定;
(5)發(fā)出的電能也隨風(fēng)速波動而敏感波動的，若風(fēng)速急劇變化，可能會引起風(fēng)電機組發(fā)出電能質(zhì)量問題，如電壓閃變、無功變化等。在工程中通常采用靜止無功補償器SVC或TSC來進行無功調(diào)節(jié)，采用軟起動來減小起動時發(fā)電機的電流。
隨著電力電子技術(shù)特別是電機變頻調(diào)速技術(shù)的不斷完善，更多的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
2.2.2變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過變槳距控制風(fēng)輪使整個系統(tǒng)在很大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)按照最佳的效率運行，這是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的一個趨勢。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組的主要特點是：
(1)由于采用電力電子變頻器，變速恒頻風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜;
(2)通過對最大功率點的跟蹤，使風(fēng)力發(fā)電機組在可發(fā)電風(fēng)速下均可獲得最佳的功率輸出，提高了發(fā)電效率;
(3)風(fēng)輪機可以根據(jù)風(fēng)速的變化而以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，減少了力矩的脈沖幅度以及對風(fēng)力機的機械應(yīng)力，降低機械強度要求;
(4)風(fēng)輪機的加速減速對風(fēng)能的快速變化起到了緩沖作用，使輸出功率的波動減小。
(5)通過一定的控制策略(如SVPWM控制)對風(fēng)電機組有功、無功輸出功率進行解耦控制，可以分別單獨控制風(fēng)電機組有功、無功的輸出，具備電壓的控制能力。尤其是最后兩點非常有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行.綜合上述特點，變速發(fā)電機組適合用于大功率，通常大于IMw的系統(tǒng)。
2.2.3兩種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)
變速恒頻系統(tǒng)主要又分為同步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)和異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)。其中同步發(fā)電機系統(tǒng)包括永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)和電勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng);異步發(fā)電機系統(tǒng)主要是繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機系統(tǒng)。永磁同步發(fā)電機是利用永久磁鐵取代轉(zhuǎn)子勵磁磁場，其結(jié)構(gòu)比較簡單、牢固。永磁同步發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是通過控制一套整流逆變裝置，將發(fā)電機輸出的變頻變壓交流電轉(zhuǎn)換為滿足電網(wǎng)要求的恒頻恒壓交流電。采用電勵磁的同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機定子通過變頻器和電網(wǎng)相連接，轉(zhuǎn)子采用AC/DC整流裝置給發(fā)電機提供勵磁。發(fā)電機可以采用變速箱驅(qū)動，也可以使用直接驅(qū)動。同步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的特點為：
(1)發(fā)電機發(fā)出的全部電功率都通過變換器，變換器容量需要按100%功率選取，比雙饋系統(tǒng)容量大，投資和損耗大，諧波吸收困難;
(2)可以使用永磁發(fā)電機，電機輕，效率高，而且可以采用直接驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式，去掉笨重的變速箱;
(3)功率變換器為單象限的，結(jié)構(gòu)簡單。這是一種比較合適的變速恒頻方案，該結(jié)構(gòu)定子繞組和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)子繞組由具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵，交流勵磁控制通過變頻裝置向轉(zhuǎn)子提供三相滑差頻率的電流進行勵磁，通過變頻器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，雙饋調(diào)速將轉(zhuǎn)差功率回饋到電機軸或者電網(wǎng)，這是各種傳動系統(tǒng)中效率比較高的。其特點為：
(1)變頻器僅流過轉(zhuǎn)差功率，其容量小，通?？砂窗l(fā)電總功率的25%左右選取(轉(zhuǎn)速變化范圍33%時)，投資和損耗小，發(fā)電效率提高2%一3%，諧波吸收方便;
(2)只能使用雙饋電機，比永磁電機重，效率低，需要變速箱，整個系統(tǒng)相對較笨重;
(3)由于要求功率雙向流過變頻器，它必須是四象限變頻器，其價格約是同容量單象限變頻器的一倍。
3結(jié)論
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)及正常運行中發(fā)揮了重要作用。通過采用電力電子技術(shù)，風(fēng)電機組的運行特性大為改善;通過有功、無功控制，風(fēng)電機組可以對系統(tǒng)的頻率和電壓控制起到一定作用;而大規(guī)模風(fēng)電場的并網(wǎng)運行，也將會逐漸降低風(fēng)力發(fā)電的成本，使風(fēng)力發(fā)電更為普及，在經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮出更大的作用。
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