大功率電力電子設備對風電系統的改善應用

彭國平

摘 ?要：風力發電作為現在最具有發展潛力的一種可再生能源，以其綠色清潔無污染，成本低，收益巨大吸引了很多電力公司的青睞，如何使風電系統提高效率成了電力公司需要解決的首要問題。大功率電力電子設備接入風電系統后，風電系統會得到大幅的改善，本文將詳細說明大功率電力電子設備在風電系統中如何，并且應用后會有怎樣的改善效果。

關鍵詞：大功率電力電子設備 ???風電系統 ???改善

近30年以來，風力發電發展不斷超越其預期的發展速度，而且一直保持著世界增長最快的能源地位。全球風能理事會（GWEC）發布《全球風電統計數據2019年報告》顯示，全球風電新增裝機規模為60.4GWGW，較2018年增加19%，為史上次高。截至2019年底，全球風電累計裝機容量已達651GW，預測2021年全球風電有望達到800GW。由此可見，發展風力發電已經成為未來經濟低碳發展的主流方向，風能發電系統逐漸成為世界各國研究的一項重要課題。

風電系統經過幾十年的發展，大型風力發電機組的制造水平和控制水平已經有了很大改善，而大功率電力電子設備更是成為了風電系統中不可或缺的部分，大功率電力電子技術無論是對風電組的控制，電能的轉換還是電能質量的改善都起到了關鍵作用。本文重點介紹大功率電力電子技術對風電系統的改善應用及其起到的作用。

一.大功率電力電子技術在風電系統中的應用

風力發電系統的運行狀態分為獨立運行和并網運行兩種情況，獨立運行是風電系統與電網直接連接，這種情況比較簡單，并網運行是通過電力電子器件組成的變換器與電網連接，這種情況比較復雜。

獨立運行狀態一般需要配備軟并網裝置，安裝軟并網裝置的原因是風電系統直接與電網連接會產生危險，異步發電機在并網瞬間容易出現較大的沖擊電流，軟并網裝置可以避免產生這樣的危險。軟并網裝置是發電的一個過程，作用通過軟并網控制電路完成，目前軟并網可以做的很平穩，整個軟啟動的過程可以在十幾個周波到幾十個周波內完成。

并網運行通過電力電子器件組成的變換器與電網連接，需要注意風力發電機的類型，目前主流的風力發電機有變速雙饋異步發電機和變速同步發電機，因為這兩種發電機自身的技術和構造上的特點，這兩種發電機與電網連接方式比較復雜，，與電網連接時都需要電力電子技術的支持，受限制的地方比較多，不如風電系統與電網直接連接簡單方便。現在研究方向主要是電力電子器件組成的變換器，這方面需要研究的內容還有很多。

大功率電力電子技術在風電系統中的應用有很多方面，比如可以利用大功率電力電子技術讓風電系統完全可控，現在的風電系統還依賴高壓機械開關對線路設備進行控制，而加入一些大功率電力電子器件，由大功率電力電子器件控制風力系統的高壓機械開關，那么就可以實現真正的靈活調節調控電力系統。利用大功率電力電子技術，還可以實現同步開斷技術，要想實現同步開斷技術，根本途徑在于用電子開關取代機械開關，由于機械開關特性決定，現在的風電系統還無法做到準確的定向開斷，設計人員也不敢貿然降低風電系統中電力設備的絕緣水平，因為一個操作不當很可能就會造成設備損壞。現在大功率電力電子技術融入風電系統后，由固態開關構成的電容器組的配電系統“軟開關”就可以實現風電系統中的同步開斷。

1. 大功率電力電子技術對風電系統運行性能的改善

大功率電力電子技術對于風電系統運行性能的改善突出表現在很多個方面，下面這幾個方面的改善幅度尤為明顯。

風電系統運行中存在問題較大的幾個方面：直接聯網啟動電流過大，異步發電機的工作效率低，風速起變化時無法保證電壓穩定。大功率電力電子技術在這幾個問題的解決上起到了舉重若輕的作用。

2.1軟并網裝置和無功補償設備

還是風電系統的兩種情況分開來說，首先是風電系統直接與電網連接的情況，直接與電網連接的風電網中使用的是恒速風機，發電機通常為鼠籠型異步發電機。此外，因為直接聯網的啟動電流過大，所以會使用雙向晶閘管進行軟并網處理，當然這一步是選擇使用，如果條件達不到可以選擇不使用。軟并網的作用是可以將啟動電流限制到1.5倍額定電流以下，從而起到平緩的并網暫態過程，防止啟動電流過大對風電系統產生威脅，也使繼電保護裝置不要產生誤動作，總之最后的主要目的就是讓風電發動機可以順利的并網。在這里就不得不介紹一下軟并網的步驟：在風電符合并網條件時，雙向晶閘管的控制角就會由180°向0°逐漸打開，這一步驟雙向晶閘管是同步進行的，與此同時，雙向晶閘管的導通角會從0°到180°逐漸打開，但是注意，此時并網開關是不會有任何動作的，這時候將異步發電機平穩并入電網，隨著發電機轉速的逐漸提高，電機滑差率會逐漸趨于零，當滑差率變成零時，與晶閘管并聯的觸頭就會自動發生動作，雙向晶閘管自動被短接，到這里，雙向晶閘管的軟并網就完成了。

在異步發電機出入口接入無功補償裝置最主要的目的就是為了提高異步發電機的功率因數，首先無功補償裝置有固定電容器組常見、靜止無功補償器（也就是常說的svc）、靜止無功發生器等等比較常見，這些無功補償器各有特點，需要看實際情況選用。接下來我們將仔細說明這幾種無功補償器可以起到的不同的作用。

首先是固定電容器組，固定電容器組的作用是可以將未補償前較低的功率因數提升為0.98左右，前提要求是固定電容器組需要在風電運行中按一定順序分組投入或者切出，固定電容器組最大的優點就是價格便宜，還能滿足基本的功能，一些準備資金不是很多的企業降低成本可以使用固定電容器組，總體來說固定電容器組的適用范圍還是很廣泛的同時固定電容器組的缺點也非常明顯，那就是調節不連續，反應速度緩慢，很難滿足一些風機無功功率隨機高速變換的需要，因此如果對于風機無功率變換速度要求比較高的地方，固定電容器組很難滿足要求。

靜止無功補償器是由多組可投切電容器、快速可調整容量的電抗器，以及各種次諧波濾波裝置組成。先說靜止無功補償器的優點，第一響應速度快，可以快速跟蹤負荷變化而無功的大小和方向，第二在一定程度上穩定波動電壓，提高電能質量，可以說靜止無功補償器的功能作用非常全面，當然，并不是說靜止無功補償器沒有缺點，靜止無功補償器最大的缺點就是在電壓比較低時無法提供所需要的無功補償，所以如果不能滿足電壓穩定，靜止無功補償器就不再是一個很好的選擇了。

最后再來說一下靜止無功發生器，復雜的靜止無功發生器是基于電力電子技術和控制技術結合產生的一種產品，靜止無功發生器的作用沒有太明顯的突出點，當然，這也是它的最大優點，就是各方面作用都很平均，這就歸結于大功率電力電子技術的應用，綜合了以上兩種方法的優點，同時盡力避免了以上兩者的缺點。靜止無功發生器的工作原理是通過與系統進行無功功率交換來維持系統電壓穩定，首先不受限于電壓是一個優點，它的無功率輸出可以保持恒定即使在電壓波動很大的條件下，在低電壓時也能提供穩定的無功輸出，其次反應速度也很快，可以從感性到容性全范圍內持續調節。可以說靜止無功發生器是三種無功補償器中最理想的一種，但是靜止無功發生器高昂的價格阻止了它的大規模使用。在一些要求比較高，同時不是很在意價格的場合，適合使用靜止無功發生器。

2.2電力電子發生器

可變速風力發電機的風力電場把電力電子轉換器連接至電網時，用的拓撲結構往往是最經典的拓撲結構，其中變換器多采用雙PWM控制的交-直-交變幻形式。電力電子轉換器的工作原理是利用發電機轉頻信號，來自于安裝于雙饋感應發電機端的速度檢測器，在此基礎上通過該信號控制調控波的頻率，與此同時利用PWM調控技術控制變流器開關器件的開啟與關閉，從而控制變流器控制電壓的幅值與相位。在電機軸速與電網頻率之間安裝一個軟連接就是轉頻器。明白了這個原理之后，電力電子發生器的作用就很明顯的可以看出來，就是可以單獨對有功無功進行控制，而且可以在保證風速穩定變化的情況下，向電網輸送高質量的電能，在成本和容量方面來說雙饋電機變流器可以做到諧波含量只占整個系統的一小部分，風力發電系統的控制設備包含了非常有效的電機電磁轉矩動態算法，在此過程中，由風波動引起的能量過量或者匱乏，可以通過另外的形式轉存在風力發電機組的旋轉質量中。這樣就可以解決電力波動問題，也就是消除風力發電廠因為風力不穩定的問題導致能量質量好壞不均勻的情況，有利于維持電網連接點的電壓質量。電力電子轉換器消除了發電機與電網之間的直接障礙，有利于電網故障期間保持風場與電網連接，并且可以向電網持續提供能量，不但可以保證在極端情況下的能量提供，還可以不損害電機。

而且，經過有關人員研究發現，減輕由風速變化引起的電壓波動和諧波問題，是經電力電子轉換器接入電網的變速機在適當的控制系統作用轉變的而且，這一研究還發現，越先進的轉換器越可以幫助系統進行電壓調節。一些用于風力發電的發電機，他們就需要電力電子轉換器與電網相連接，盡管在細節上可能有些差別，也就是變換器類型或者接線方式不同的差別，但是他們在功能上與剛才所說的雙饋風力發電系統并無實質上的區別。

2.3電力電子器件為核心的儲能裝置

電力電子器件為核心的儲能裝置，由于其核心是大功率電力電子器件，可以保證在風力出現波動的情況下靈活處理風電系統的能量問題，保證電壓穩定，這種儲能裝置，可以在風壓小的情況下放出儲存的能量，使電能轉換情況與平時差別不大，在風壓大的情況下，可以將過多的電量及時儲存，以免出現傷害電機的情況。運用電力電子器件為核心的儲能裝置，主要目的就是將不確定的外界風壓狀況，改變為可控制的狀況。

三.結束語

從以上幾點可以看出，大功率電力電子技術的快速發展給風電系統帶來了很多改善應用，例如軟并網裝置和無功補償器的應用以及電力電子發生器的應用等。加入大功率電力電子設備，可以給本來問題復雜解決困難的風電系統帶來新的轉機，讓一些原本使用風電系統困難的地方，也可以接觸到風電系統帶來的便利。未來風電系統的便利應該還會大幅度增加，興許還會進入真正的風電時代。

參考文獻：

[1] 王偉. 同步風力發電機的穩態模型及其并網問題研究[D].北京：北京交通大學，2008

[2] 馬威. 基于永磁同步發電機的直驅式風電系統建模與仿真[D].蘭州：蘭州理工大學，2010

[3] 沈旭珍. 永磁直驅風力發電系統的并網運行控制策略研究[D].保定：華北電力大學，2011

[4] 張鳳崗. 雙饋變速凸極同步電機及其控制研究[D].武漢：華中科技大學，2006