電力電子技術在風力發電中的應用---電力電子器件
時間:2014-06-20 點擊:1796 次

電力電子技術在風力發電中的應用---電力電子器件

 

摘 要:風力發電是低碳新能源中最具開發條件,商業化發展前景和潛力最大的的發電方式之一。隨著風力發電技術的發展和應用推廣,對風力發電的效率和電能質量的要求越來越高,而應用電力電子技術和控制技術是有效的實現手段,本文總結了在風力發電中應用較多的幾種電力電子器件及控制技術,分析了各種方法的特點、功用和發展。

風能是潔凈的,可再生的,儲量很大的低碳能源,為了緩解能源危機和供電壓力,改善生存環境,在20世紀70年代中葉以后受到重視和開發利用。風力發電有很多獨特的優點: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、輸電、風機控制等方面存在問題,阻礙了風力發電的廣泛應用。因此,要大規模的應用先進的電力電子技術到風力發電當中,有效的解決現有問題,使得風力發電成為電力行業的生力軍。本文將從不同角度展現電力電子技術在風力發電中的應用。

一、電力電子器件

電力電子技術快速發展的物質基礎源于電力電子器件的發展,而先進的電力電子器件為其在風力發電中的應用奠定了堅實的基礎。

1.IGBT

在二十多年的發展歷程中,除了保持 IGBT 基本結構、基本原理的特點不變之外,它經歷了六代有各自特色的演變。迄今為止 IGBT 仍是風力發電工程中使用的最廣泛的功率器件,在風力發電中,因為風速經常變化,IGBT 模塊在很短的時間內溫度波動起伏大,會導致芯片和銅底片之間以及銅底片和基板之間的焊接部分承受大量的周期性的熱-機械應力,所以提高模塊應力十分重要。此外,在風力發電機艙中空間的節省不是一個小問題,提高模塊功率密度也不容忽視。IGBT的電壓源換流器具有關斷電流的能力,可以應用脈寬調制技術(PWM)進行無源逆變,解決了用直流輸電向無交流電源的負荷點送電的問題[1]。

科學家針對風力系統特點專門設計了一種采用由IGBT組成的“H”型 SPWM 逆變器,通過控制“H”型逆變器中IGBT的開關波形,可以控制輸出電流;通過控制SPWM 的起始角θ, 可以使逆變器以功率因數為1的方式向電網輸送能源,并使諧波因數、畸變因數達到設計要求[2]。

2.交直交變頻器

在變速恒頻風力發電系統中,需要變頻裝置來完成由發電機到電網的能量傳遞。交直交變頻器有效地克服了交交變頻器的輸出電壓諧波多,輸入側功率因數低,使用功率元件數量多等缺點,易于控制策略的實現和雙向變流,特別適合變速恒頻雙饋電機風力發電系統和無刷雙饋電機風力發電系統。此外,海上風電場采用電力電子變頻器能夠實現有功和無功的控制,使風電機組運行在變速狀態以捕獲最大的風能同時降低機械應力和噪音。

3.矩陣變換器

矩陣變換器是一種交交直接變頻器, 沒有中間直流環節,功率電路簡單,可輸出幅值、頻率均可控的電壓,諧波含量較小。應用于風力發電中的矩陣式變換器,通過調節其輸出

頻率、電壓、電流和相位,以實現變速恒頻控制、最大風能捕獲控制、以及有功功率和無功功率的解耦控制等,目前矩陣式變換器的控制多采用空間矢量變換控制方法。

 

 

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