DQZHAN技術(shù)訊：電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用
摘要：風(fēng)力發(fā)電是低碳新能源中*具開發(fā)條件，商業(yè)化發(fā)展前景和潛力*大的的發(fā)電方式之一。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣，對風(fēng)力發(fā)電的效率和電能質(zhì)量的要求越來越高，而應(yīng)用電力電子技術(shù)和控制技術(shù)是有效的實(shí)現(xiàn)手段，本文總結(jié)了在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用較多的幾種電力電子器件及控制技術(shù)，分析了各種方法的特點(diǎn)、功用和發(fā)展。
風(fēng)能是潔凈的，可再生的，儲(chǔ)量很大的低碳能源，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)有問題，使得風(fēng)力發(fā)電成為電力行業(yè)的生力軍。本文將從不同角度展現(xiàn)電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。
一、電力電子器件
電力電子技術(shù)快速發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)源于電力電子器件的發(fā)展，而先進(jìn)的電力電子器件為其在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1.IGBT
在二十多年的發(fā)展歷程中，除了保持 IGBT 基本結(jié)構(gòu)、基本原理的特點(diǎn)不變之外，它經(jīng)歷了六代有各自特色的演變。迄今為止 IGBT 仍是風(fēng)力發(fā)電工程中使用的*廣泛的功率器件,在風(fēng)力發(fā)電中，因?yàn)轱L(fēng)速經(jīng)常變化，IGBT 模塊在很短的時(shí)間內(nèi)溫度波動(dòng)起伏大，會(huì)導(dǎo)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(jī)械應(yīng)力，所以提高模塊應(yīng)力十分重要。此外，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙中空間的節(jié)省不是一個(gè)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(guān)斷電流的能力，可以應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)進(jìn)行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負(fù)荷點(diǎn)送電的問題[1]。
科學(xué)家針對風(fēng)力系統(tǒng)特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)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(guān)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(shù)為1的方式向電網(wǎng)輸送能源，并使諧波因數(shù)、畸變因數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求[2]。
2.交直交變頻器
在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，需要變頻裝置來完成由發(fā)電機(jī)到電網(wǎng)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(cè)功率因數(shù)低，使用功率元件數(shù)量多等缺點(diǎn)，易于控制策略的實(shí)現(xiàn)和雙向變流，特別適合變速恒頻雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和無刷雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。此外，海上風(fēng)電場采用電力電子變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)有功和無功的控制，使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在變速狀態(tài)以捕獲*大的風(fēng)能同時(shí)降低機(jī)械應(yīng)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(huán)節(jié)，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(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中的矩陣式變換器，通過調(diào)節(jié)其輸出
頻率、電壓、電流和相位，以實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制、*大風(fēng)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[3]。
二、儲(chǔ)能技術(shù)
因風(fēng)能是不可直接儲(chǔ)存的能源，對于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，為了保證供電的穩(wěn)定可靠，可在多風(fēng)期間將風(fēng)能儲(chǔ)存起來，以供其他裝置使用。即使在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，若以風(fēng)力發(fā)電作為獲得電能的主要方式，也必須配有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能系統(tǒng)。再者，在風(fēng)力和其他能源聯(lián)合供電時(shí)，也需要儲(chǔ)能技術(shù)的介入。
1.蓄電池
風(fēng)力發(fā)電機(jī)在與其它發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行或獨(dú)立運(yùn)行時(shí)通常使用蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能。在風(fēng)力-柴油發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行中，采用配備蓄電池短時(shí)儲(chǔ)能的措施，可避免由于風(fēng)力及負(fù)荷的變化而造成的柴油機(jī)的頻繁起動(dòng)與停機(jī)。此外，蓄電池還可以減少柴油機(jī)的輕載運(yùn)行，使其絕大部分時(shí)間運(yùn)行在比較合適的功率范圍內(nèi)。同樣的，在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電中，也使用蓄電池作為主要的儲(chǔ)能方式。鑒于蓄電池成本考慮，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，多采用鉛酸蓄電池或堿性蓄電池作為儲(chǔ)存電能的裝置。
2.超導(dǎo)儲(chǔ)能器(SMES)
開發(fā)超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能的可行性，美國在20世紀(jì)90年代就開始研究了。超導(dǎo)線圈可在超導(dǎo)溫度下流過極高電流密度的大電流而不消耗電能，是儲(chǔ)存電能的*佳選擇之一。利用超導(dǎo)儲(chǔ)能可以吸收或發(fā)出有功和無功功率，響應(yīng)快，容量大，大大減少了電路的損耗。
使用超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電壓和頻率穩(wěn)定，從而使電網(wǎng)穩(wěn)定。文獻(xiàn)[7]在詳細(xì)介紹了超導(dǎo)儲(chǔ)能SMES的調(diào)節(jié)原理及其*優(yōu)控制方法的基礎(chǔ)上，提出在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，建立了SMES 模型，同時(shí)用基因算法對 SMES 的控制參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，仿真結(jié)果表明，SMES 單元用于并網(wǎng)形風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對電壓和頻率的同時(shí)控制，提高了輸出穩(wěn)定性。
3.不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是指當(dāng)交流輸入電源發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的裝置。現(xiàn)代UPS普遍采用脈寬調(diào)制技術(shù)和IGBT、功率 M0SFET 等現(xiàn)代電力電子器件，效率和可靠性得以提高。并引入微處理器軟硬件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能化管理，可進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。風(fēng)能的隨機(jī)性較大，發(fā)電的穩(wěn)定性也受到限制，對較偏遠(yuǎn)地區(qū)或者單獨(dú)運(yùn)行的風(fēng)電場來說，不間斷電源的使用很有必要。

三、輸電技術(shù)
風(fēng)力發(fā)電場的建立選取風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，一般都遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，線路的輸送能力也成為風(fēng)力發(fā)電的重要考慮因素。現(xiàn)在主要采用的是交流輸電方式，但存在很多缺點(diǎn)，HVDC已經(jīng)開始進(jìn)入風(fēng)電輸電領(lǐng)域。高壓直流輸電是應(yīng)用換流技術(shù)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸送到落點(diǎn)處再逆變?yōu)榻涣鞯囊环N輸電技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是：可以用來實(shí)現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)，線路造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用較低，一般不需要增加額外裝置，更易于實(shí)現(xiàn)地下或海底電纜輸電等。新一代 HVDC 技術(shù)采用 GTO、IGBT 等可關(guān)斷器件，以及脈寬調(diào)制(PWM)等技術(shù)，它的采用進(jìn)一步改善了性能、大幅度地簡化了設(shè)備、減少了換流站的占地、而且降低了造價(jià)，使直流輸電更有競爭力。目前，全世界HVDC 工程已達(dá)60多個(gè), 總設(shè)備容量超過40GW。
輕型直流輸電HVDC Light，以電壓型換流器(VSC) 和絕緣柵極雙極晶體管( IGBT) 為基礎(chǔ)，可在無源逆變方式下運(yùn)行，更方便連接各種分散式電源。對于海上風(fēng)電場的長距離功率輸送來說，HVDC Light是一種較好的選擇，它允許海上風(fēng)電場的交流網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)不保持同步運(yùn)行，一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障,可以迅速恢復(fù)到故障前的輸電能力。瑞典已經(jīng)建成了第1 個(gè)實(shí)驗(yàn)性HVDC Light 工程-赫爾斯揚(yáng)(Hellsjon) 試驗(yàn)工程，在丹麥，HVDC light 也已被應(yīng)用到大型海上風(fēng)電場的輸電工程中。
靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)在電力系統(tǒng)中廣泛采用，但在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域還沒有得到足夠的重視。交流輸電技術(shù)是指電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)參數(shù)(如線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續(xù)快速調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。自1986年美國專家N-G-Hingorani提出了FACTS(Flexible AC Transmission System)這個(gè)完整的概念以來，F(xiàn)ACTS的發(fā)展越來越受到全世界的重視[10]。
四、濾波與補(bǔ)償
風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機(jī)組
本身的運(yùn)行特征會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，而且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，承受沖擊的能力很弱，有可能給配電網(wǎng)帶來諧波污染、電源波動(dòng)以及閃變等問題，所以無功補(bǔ)償和諧波抑制對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有重要的意義。主要是以下兩種：
1.靜止無功補(bǔ)償器(SVC)
靜止無功補(bǔ)償器(SVC)是用以晶閘管為基本元件的固態(tài)開關(guān)替代了電氣開關(guān)，實(shí)現(xiàn)快速、頻繁地以控制電抗器和電容器的方式改變輸電系統(tǒng)的導(dǎo)納。近來，靜止無功補(bǔ)償器(SVC)被風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)普遍采用，迅速跟蹤負(fù)荷變化，對無功進(jìn)行補(bǔ)償，在一定程度上穩(wěn)定了由風(fēng)速引起的波動(dòng)電壓，提高電能質(zhì)量。在風(fēng)電機(jī)側(cè)安裝SVC可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓控制和增加阻尼; 而在電網(wǎng)側(cè)安裝SVC可以提供無功支持并且減小振蕩。
2.有源電力濾波器(APF)
APF 的基本工作原理是采用可關(guān)斷的電力電子器件和基于坐標(biāo)變換原理的瞬時(shí)無功理論控制，檢測補(bǔ)償對象的電流和電壓，利用電力控制器代替系統(tǒng)電源向負(fù)荷提供所需的畸變電流，從而保證系統(tǒng)*終得到期望的電源電流。和普通SVC相比，響應(yīng)時(shí)間更快，對電壓波動(dòng)，閃變補(bǔ)償率更高，控制功能更強(qiáng)，同時(shí)也能更有效地慮除高次諧波，補(bǔ)償功率因數(shù)。
五、控制技術(shù)
風(fēng)能是一類清潔無污染的可再生能源，是目前*具大規(guī)模開發(fā)利用前景的能源。但由于風(fēng)能本身存在隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn),發(fā)電質(zhì)量受風(fēng)速、風(fēng)向變化和外界干擾的影響很大，而且，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常設(shè)在風(fēng)能豐富的地區(qū)，如邊遠(yuǎn)地區(qū)，海島甚至海上, 要求能夠無人值班運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控，這對發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)可靠性要求很高。所以，控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電的*關(guān)鍵技術(shù)之一。
1.*優(yōu)控制
*優(yōu)控制是尋求使得動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到*優(yōu)的控制，是現(xiàn)代控制理論的一個(gè)重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所應(yīng)用的控制方法中，*優(yōu)控制技術(shù)應(yīng)用*早，相對比較成熟。但由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的本質(zhì)非線性，自然風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)性以及風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)，不確定因素很多，而*優(yōu)控制的實(shí)現(xiàn)必須有一個(gè)**數(shù)學(xué)模型為控制器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，這對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)未免要求過高，將*優(yōu)控制策略與其它控制方法，如與模糊邏輯控制、魯棒控制方法結(jié)合起來的混合控制技術(shù)，可有效解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各類關(guān)鍵控制問題：提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、改善電能品質(zhì)、減小柔性風(fēng)電系統(tǒng)傳動(dòng)鏈上的疲勞負(fù)載等。
2.滑?？刂?br />滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一種不連續(xù)的開關(guān)型控制，這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動(dòng)態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)(如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)?；？刂凭哂锌焖夙憫?yīng)、對系統(tǒng)參數(shù)變化及擾動(dòng)不敏感、無需系統(tǒng)在線辨識(shí)、設(shè)計(jì)簡單和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)良特性。采用滑模控制使風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終工作在滑動(dòng)面上，減少其牽引過程，可使系統(tǒng)在整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中對參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)荷擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。此外，將滑動(dòng)?？刂茟?yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)控制器中，可實(shí)現(xiàn)低速下的可靠發(fā)電控制。當(dāng)風(fēng)中的有效功率較低時(shí)，風(fēng)力機(jī)工作于正常與失速兩種模態(tài)?；瑒?dòng)模控制存在切換抖動(dòng)，會(huì)對風(fēng)力機(jī)械設(shè)備造成沖擊。以力矩為控制信號(hào)，采用積分型滑動(dòng)模控制律，能有效地解決滑動(dòng)模的切換抖動(dòng)。
3.自適應(yīng)控制
自適應(yīng)控制的目標(biāo)是自動(dòng)補(bǔ)償在模型階次、參數(shù)和輸入信號(hào)方面非預(yù)知的變化。自適應(yīng)控制系統(tǒng)需要不斷進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，和參數(shù)的辨識(shí)或系統(tǒng)性能的指標(biāo)的度量，以便得到系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的改變情況，按一定的規(guī)律確定當(dāng)前的控制策略，在線修改控制器的參數(shù)或可調(diào)系統(tǒng)的輸入信號(hào)。自適應(yīng)控制器用以改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在較大運(yùn)行范圍**率系數(shù)的衰減特性。在自適應(yīng)控制器中，通過測量系統(tǒng)的輸入輸出值，實(shí)時(shí)估計(jì)出控制過程中的參數(shù)，因此控制器中的增益是可調(diào)節(jié)的。超前自適應(yīng)控制方法控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓和齒輪箱的靜態(tài)增益，在負(fù)載與風(fēng)速變化時(shí),控制方法具有可靠快速響應(yīng)和有限的*大跟蹤誤差。非線性自適應(yīng)控制理論對風(fēng)機(jī)實(shí)行變速控制，在不增加風(fēng)能系統(tǒng)機(jī)械復(fù)雜性的條件下，自動(dòng)調(diào)整發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組電壓，此控制方法可在獲得平穩(wěn)漸進(jìn)的轉(zhuǎn)子速度跟蹤的基礎(chǔ)上達(dá)到*大風(fēng)能捕獲的目的。文獻(xiàn)[8]提出了一種應(yīng)用于變速風(fēng)力渦輪控制系統(tǒng)中的自適應(yīng)控制策略。由于渦輪轉(zhuǎn)矩是時(shí)變非定常的，自適應(yīng)控制律用來提供渦輪轉(zhuǎn)矩的估計(jì)值。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)反饋線性化控制器，以保證整個(gè)風(fēng)力渦輪控制系統(tǒng)線性化。仿真結(jié)果表明，無論風(fēng)力狀況如何變化,該控制器都能確保獲得*大風(fēng)能，控制方法行之有效。
除了以上三種控制方法外，還有很多的控制方法在不斷的應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中，但是每種控制方式都有一定的缺點(diǎn)。采用兩種或多種先進(jìn)控制方法的混合控制,如模糊自適應(yīng)控制、自適應(yīng)魯棒控制、PID 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，將是今后風(fēng)電系統(tǒng)的控制研究方向。

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