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?jī)?nèi)容包括了兩個(gè)方面：即新型電力電子器件的開(kāi)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(xiàng)綜合性較強(qiáng)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(diǎn)，在美國(guó)、日本、西歐等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(jìn)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(dòng)等傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到電力傳輸、交流傳動(dòng)、開(kāi)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(lái)看，以資源有限、污染嚴(yán)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(wú)限、清潔干凈的可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)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(wú)污染、不受地域資源限制等優(yōu)點(diǎn)，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¨?？稍偕茉窗l(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(jìn)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(shì)
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(duì)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yáng)能充電控制器.
為提高太陽(yáng)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(huì)嚴(yán)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(yáng)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(guó)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(jī)組，運(yùn)行方式是不加控制的直接并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)速風(fēng)向變化時(shí)很容易對(duì)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(yùn)行的穩(wěn)定性。解決這一問(wèn)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(shí)，仍能保證輸出電能頻率恒定。
風(fēng)能是潔凈的，可再生的，儲(chǔ)量很大的能源，為了緩解能源危機(jī)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(kāi)發(fā)利用。風(fēng)力發(fā)電有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：施工周期短，投資靈活，實(shí)際占地少，對(duì)土地要求低等，但仍在并網(wǎng)、輸電、風(fēng)機(jī)控制等方面存在問(wèn)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(jìn)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(wèn)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(dú)立運(yùn)行，也可并網(wǎng)運(yùn)行。對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng)，其可靠性和穩(wěn)定性不如并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電，因此風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行成為發(fā)展趨勢(shì)。風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)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(guò)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(chǎng)，為了限制異步發(fā)電機(jī)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(jī)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(gè)接觸器的動(dòng)合觸頭將其短接。至于采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型，目前研究最多的是變速雙饋異步發(fā)電機(jī)和變速同步發(fā)電機(jī)，由于它們本身構(gòu)造上的特點(diǎn)和技術(shù)上要求，與電網(wǎng)連接時(shí)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(jī)是能量轉(zhuǎn)換的核心部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)按照發(fā)電機(jī)運(yùn)行的方式來(lái)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(jī)組與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)系統(tǒng)一般采用的是普通異步發(fā)電機(jī)，這在國(guó)外一般被稱為丹麥概念風(fēng)電機(jī)組這種風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行在超同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)差率、為負(fù)值，電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，且轉(zhuǎn)差率的可變范圍很小 (<5%)，風(fēng)速變化時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，所以稱之為恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組。恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組一般很少采用電力電子變換器裝置。這種風(fēng)電機(jī)組的主要特點(diǎn)為：
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合在野外，缺少維護(hù)的環(huán)境工作;
(2)由于轉(zhuǎn)速不變，無(wú)法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制，發(fā)電的效率降低;
(3)當(dāng)風(fēng)速快速升高時(shí)，由于轉(zhuǎn)速不變，風(fēng)能將通過(guò)槳葉傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件，產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，引起這些部件的疲勞損壞，所以要求堅(jiān)固;
(4)這種風(fēng)電機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)無(wú)法對(duì)電壓進(jìn)行控制，不能象同步發(fā)電機(jī)一樣提供電壓支撐能力，不利于電網(wǎng)故障時(shí)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(dòng)而敏感波動(dòng)的，若風(fēng)速急劇變化，可能會(huì)引起風(fēng)電機(jī)組發(fā)出電能質(zhì)量問(wèn)題，如電壓閃變、無(wú)功變化等。在工程中通常采用靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC或TSC來(lái)進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)，采用軟起動(dòng)來(lái)減小起動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)的電流。
隨著電力電子技術(shù)特別是電機(jī)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(guò)變槳距控制風(fēng)輪使整個(gè)系統(tǒng)在很大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)按照最佳的效率運(yùn)行，這是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是：
(1)由于采用電力電子變頻器，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜;
(2)通過(guò)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(duì)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械應(yīng)力，降低機(jī)械強(qiáng)度要求;
(4)風(fēng)輪機(jī)的加速減速對(duì)風(fēng)能的快速變化起到了緩沖作用，使輸出功率的波動(dòng)減小。
(5)通過(guò)一定的控制策略(如SVPWM控制)對(duì)風(fēng)電機(jī)組有功、無(wú)功輸出功率進(jìn)行解耦控制，可以分別單獨(dú)控制風(fēng)電機(jī)組有功、無(wú)功的輸出，具備電壓的控制能力。尤其是最后兩點(diǎn)非常有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.綜合上述特點(diǎn)，變速發(fā)電機(jī)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(jī)系統(tǒng)和異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。其中同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng);異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要是繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。永磁同步發(fā)電機(jī)是利用永久磁鐵取代轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、牢固。永磁同步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是通過(guò)控制一套整流逆變裝置，將發(fā)電機(jī)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(lì)磁的同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)定子通過(guò)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(jī)提供勵(lì)磁。發(fā)電機(jī)可以采用變速箱驅(qū)動(dòng)，也可以使用直接驅(qū)動(dòng)。同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)為：
(1)發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電功率都通過(guò)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(jī)，電機(jī)輕，效率高，而且可以采用直接驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(lì)，交流勵(lì)磁控制通過(guò)變頻裝置向轉(zhuǎn)子提供三相滑差頻率的電流進(jìn)行勵(lì)磁，通過(guò)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(jī)軸或者電網(wǎng)，這是各種傳動(dòng)系統(tǒng)中效率比較高的。其特點(diǎn)為：
(1)變頻器僅流過(guò)轉(zhuǎn)差功率，其容量小，通常可按發(fā)電總功率的25%左右選取(轉(zhuǎn)速變化范圍33%時(shí))，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(jī)，比永磁電機(jī)重，效率低，需要變速箱，整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)較笨重;
(3)由于要求功率雙向流過(guò)變頻器，它必須是四象限變頻器，其價(jià)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(kāi)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。通過(guò)采用電力電子技術(shù)，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性大為改善;通過(guò)有功、無(wú)功控制，風(fēng)電機(jī)組可以對(duì)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(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，使風(fēng)力發(fā)電更為普及，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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