彭國平

摘 ?要：風(fēng)力發(fā)電作為現(xiàn)在最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N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(fēng)電系統(tǒng)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(shè)備接入風(fēng)電系統(tǒng)后，風(fēng)電系統(tǒng)會(huì)得到大幅的改善，本文將詳細(xì)說明大功率電力電子設(shè)備在風(fēng)電系統(tǒng)中如何，并且應(yīng)用后會(huì)有怎樣的改善效果。

關(guān)鍵詞：大功率電力電子設(shè)備 ???風(fēng)電系統(tǒng) ???改善

近30年以來，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展不斷超越其預(yù)期的發(fā)展速度，而且一直保持著世界增長最快的能源地位。全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）發(fā)布《全球風(fēng)電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)2019年報(bào)告》顯示，全球風(fēng)電新增裝機(jī)規(guī)模為60.4GWGW，較2018年增加19%，為史上次高。截至2019年底，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)651GW，預(yù)測(cè)2021年全球風(fēng)電有望達(dá)到800GW。由此可見，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為未來經(jīng)濟(jì)低碳發(fā)展的主流方向，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)逐漸成為世界各國研究的一項(xiàng)重要課題。

風(fēng)電系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制造水平和控制水平已經(jīng)有了很大改善，而大功率電力電子設(shè)備更是成為了風(fēng)電系統(tǒng)中不可或缺的部分，大功率電力電子技術(shù)無論是對(duì)風(fēng)電組的控制，電能的轉(zhuǎn)換還是電能質(zhì)量的改善都起到了關(guān)鍵作用。本文重點(diǎn)介紹大功率電力電子技術(shù)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的改善應(yīng)用及其起到的作用。

一.大功率電力電子技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分為獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種情況，獨(dú)立運(yùn)行是風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)直接連接，這種情況比較簡(jiǎn)單，并網(wǎng)運(yùn)行是通過電力電子器件組成的變換器與電網(wǎng)連接，這種情況比較復(fù)雜。

獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)一般需要配備軟并網(wǎng)裝置，安裝軟并網(wǎng)裝置的原因是風(fēng)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連接會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)瞬間容易出現(xiàn)較大的沖擊電流，軟并網(wǎng)裝置可以避免產(chǎn)生這樣的危險(xiǎn)。軟并網(wǎng)裝置是發(fā)電的一個(gè)過程，作用通過軟并網(wǎng)控制電路完成，目前軟并網(wǎng)可以做的很平穩(wěn)，整個(gè)軟啟動(dòng)的過程可以在十幾個(gè)周波到幾十個(gè)周波內(nèi)完成。

并網(wǎng)運(yùn)行通過電力電子器件組成的變換器與電網(wǎng)連接，需要注意風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型，目前主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)有變速雙饋異步發(fā)電機(jī)和變速同步發(fā)電機(jī)，因?yàn)檫@兩種發(fā)電機(jī)自身的技術(shù)和構(gòu)造上的特點(diǎn)，這兩種發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接方式比較復(fù)雜，，與電網(wǎng)連接時(shí)都需要電力電子技術(shù)的支持，受限制的地方比較多，不如風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)直接連接簡(jiǎn)單方便?，F(xiàn)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(nèi)容還有很多。

大功率電力電子技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用有很多方面，比如可以利用大功率電力電子技術(shù)讓風(fēng)電系統(tǒng)完全可控，現(xiàn)在的風(fēng)電系統(tǒng)還依賴高壓機(jī)械開關(guān)對(duì)線路設(shè)備進(jìn)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(fēng)力系統(tǒng)的高壓機(jī)械開關(guān)，那么就可以實(shí)現(xiàn)真正的靈活調(diào)節(jié)調(diào)控電力系統(tǒng)。利用大功率電力電子技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)同步開斷技術(shù)，要想實(shí)現(xiàn)同步開斷技術(shù)，根本途徑在于用電子開關(guān)取代機(jī)械開關(guān)，由于機(jī)械開關(guān)特性決定，現(xiàn)在的風(fēng)電系統(tǒng)還無法做到準(zhǔn)確的定向開斷，設(shè)計(jì)人員也不敢貿(mào)然降低風(fēng)電系統(tǒng)中電力設(shè)備的絕緣水平，因?yàn)橐粋€(gè)操作不當(dāng)很可能就會(huì)造成設(shè)備損壞?，F(xiàn)在大功率電力電子技術(shù)融入風(fēng)電系統(tǒng)后，由固態(tài)開關(guān)構(gòu)成的電容器組的配電系統(tǒng)“軟開關(guān)”就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)中的同步開斷。

1. 大功率電力電子技術(shù)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行性能的改善

大功率電力電子技術(shù)對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行性能的改善突出表現(xiàn)在很多個(gè)方面，下面這幾個(gè)方面的改善幅度尤為明顯。

風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行中存在問題較大的幾個(gè)方面：直接聯(lián)網(wǎng)啟動(dòng)電流過大，異步發(fā)電機(jī)的工作效率低，風(fēng)速起變化時(shí)無法保證電壓穩(wěn)定。大功率電力電子技術(shù)在這幾個(gè)問題的解決上起到了舉重若輕的作用。

2.1軟并網(wǎng)裝置和無功補(bǔ)償設(shè)備

還是風(fēng)電系統(tǒng)的兩種情況分開來說，首先是風(fēng)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連接的情況，直接與電網(wǎng)連接的風(fēng)電網(wǎng)中使用的是恒速風(fēng)機(jī)，發(fā)電機(jī)通常為鼠籠型異步發(fā)電機(jī)。此外，因?yàn)橹苯勇?lián)網(wǎng)的啟動(dòng)電流過大，所以會(huì)使用雙向晶閘管進(jìn)行軟并網(wǎng)處理，當(dāng)然這一步是選擇使用，如果條件達(dá)不到可以選擇不使用。軟并網(wǎng)的作用是可以將啟動(dòng)電流限制到1.5倍額定電流以下，從而起到平緩的并網(wǎng)暫態(tài)過程，防止啟動(dòng)電流過大對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)生威脅，也使繼電保護(hù)裝置不要產(chǎn)生誤動(dòng)作，總之最后的主要目的就是讓風(fēng)電發(fā)動(dòng)機(jī)可以順利的并網(wǎng)。在這里就不得不介紹一下軟并網(wǎng)的步驟：在風(fēng)電符合并網(wǎng)條件時(shí)，雙向晶閘管的控制角就會(huì)由180°向0°逐漸打開，這一步驟雙向晶閘管是同步進(jìn)行的，與此同時(shí)，雙向晶閘管的導(dǎo)通角會(huì)從0°到180°逐漸打開，但是注意，此時(shí)并網(wǎng)開關(guān)是不會(huì)有任何動(dòng)作的，這時(shí)候?qū)惒桨l(fā)電機(jī)平穩(wěn)并入電網(wǎng)，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的逐漸提高，電機(jī)滑差率會(huì)逐漸趨于零，當(dāng)滑差率變成零時(shí)，與晶閘管并聯(lián)的觸頭就會(huì)自動(dòng)發(fā)生動(dòng)作，雙向晶閘管自動(dòng)被短接，到這里，雙向晶閘管的軟并網(wǎng)就完成了。

在異步發(fā)電機(jī)出入口接入無功補(bǔ)償裝置最主要的目的就是為了提高異步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)，首先無功補(bǔ)償裝置有固定電容器組常見、靜止無功補(bǔ)償器（也就是常說的svc）、靜止無功發(fā)生器等等比較常見，這些無功補(bǔ)償器各有特點(diǎn)，需要看實(shí)際情況選用。接下來我們將仔細(xì)說明這幾種無功補(bǔ)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(bǔ)償前較低的功率因數(shù)提升為0.98左右，前提要求是固定電容器組需要在風(fēng)電運(yùn)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(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格便宜，還能滿足基本的功能，一些準(zhǔn)備資金不是很多的企業(yè)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(shí)固定電容器組的缺點(diǎn)也非常明顯，那就是調(diào)節(jié)不連續(xù)，反應(yīng)速度緩慢，很難滿足一些風(fēng)機(jī)無功功率隨機(jī)高速變換的需要，因此如果對(duì)于風(fēng)機(jī)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(bǔ)償器是由多組可投切電容器、快速可調(diào)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(bǔ)償器的優(yōu)點(diǎn)，第一響應(yīng)速度快，可以快速跟蹤負(fù)荷變化而無功的大小和方向，第二在一定程度上穩(wěn)定波動(dòng)電壓，提高電能質(zhì)量，可以說靜止無功補(bǔ)償器的功能作用非常全面，當(dāng)然，并不是說靜止無功補(bǔ)償器沒有缺點(diǎn)，靜止無功補(bǔ)償器最大的缺點(diǎn)就是在電壓比較低時(shí)無法提供所需要的無功補(bǔ)償，所以如果不能滿足電壓穩(wěn)定，靜止無功補(bǔ)償器就不再是一個(gè)很好的選擇了。

最后再來說一下靜止無功發(fā)生器，復(fù)雜的靜止無功發(fā)生器是基于電力電子技術(shù)和控制技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的一種產(chǎn)品，靜止無功發(fā)生器的作用沒有太明顯的突出點(diǎn)，當(dāng)然，這也是它的最大優(yōu)點(diǎn)，就是各方面作用都很平均，這就歸結(jié)于大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用，綜合了以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)盡力避免了以上兩者的缺點(diǎn)。靜止無功發(fā)生器的工作原理是通過與系統(tǒng)進(jìn)行無功功率交換來維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，首先不受限于電壓是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它的無功率輸出可以保持恒定即使在電壓波動(dòng)很大的條件下，在低電壓時(shí)也能提供穩(wěn)定的無功輸出，其次反應(yīng)速度也很快，可以從感性到容性全范圍內(nèi)持續(xù)調(diào)節(jié)?？梢哉f靜止無功發(fā)生器是三種無功補(bǔ)償器中最理想的一種，但是靜止無功發(fā)生器高昂的價(jià)格阻止了它的大規(guī)模使用。在一些要求比較高，同時(shí)不是很在意價(jià)格的場(chǎng)合，適合使用靜止無功發(fā)生器。

2.2電力電子發(fā)生器

可變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力電場(chǎng)把電力電子轉(zhuǎn)換器連接至電網(wǎng)時(shí)，用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往是最經(jīng)典的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)換器的工作原理是利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)頻信號(hào)，來自于安裝于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)端的速度檢測(cè)器，在此基礎(chǔ)上通過該信號(hào)控制調(diào)控波的頻率，與此同時(shí)利用PWM調(diào)控技術(shù)控制變流器開關(guān)器件的開啟與關(guān)閉，從而控制變流器控制電壓的幅值與相位。在電機(jī)軸速與電網(wǎng)頻率之間安裝一個(gè)軟連接就是轉(zhuǎn)頻器。明白了這個(gè)原理之后，電力電子發(fā)生器的作用就很明顯的可以看出來，就是可以單獨(dú)對(duì)有功無功進(jìn)行控制，而且可以在保證風(fēng)速穩(wěn)定變化的情況下，向電網(wǎng)輸送高質(zhì)量的電能，在成本和容量方面來說雙饋電機(jī)變流器可以做到諧波含量只占整個(gè)系統(tǒng)的一小部分，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制設(shè)備包含了非常有效的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)算法，在此過程中，由風(fēng)波動(dòng)引起的能量過量或者匱乏，可以通過另外的形式轉(zhuǎn)存在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量中。這樣就可以解決電力波動(dòng)問題，也就是消除風(fēng)力發(fā)電廠因?yàn)轱L(fēng)力不穩(wěn)定的問題導(dǎo)致能量質(zhì)量好壞不均勻的情況，有利于維持電網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓質(zhì)量。電力電子轉(zhuǎn)換器消除了發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的直接障礙，有利于電網(wǎng)故障期間保持風(fēng)場(chǎng)與電網(wǎng)連接，并且可以向電網(wǎng)持續(xù)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(jī)。

而且，經(jīng)過有關(guān)人員研究發(fā)現(xiàn)，減輕由風(fēng)速變化引起的電壓波動(dòng)和諧波問題，是經(jīng)電力電子轉(zhuǎn)換器接入電網(wǎng)的變速機(jī)在適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)作用轉(zhuǎn)變的而且，這一研究還發(fā)現(xiàn)，越先進(jìn)的轉(zhuǎn)換器越可以幫助系統(tǒng)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。一些用于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)，他們就需要電力電子轉(zhuǎn)換器與電網(wǎng)相連接，盡管在細(xì)節(jié)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?cè)诠δ苌吓c剛才所說的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并無實(shí)質(zhì)上的區(qū)別。

2.3電力電子器件為核心的儲(chǔ)能裝置

電力電子器件為核心的儲(chǔ)能裝置，由于其核心是大功率電力電子器件，可以保證在風(fēng)力出現(xiàn)波動(dòng)的情況下靈活處理風(fēng)電系統(tǒng)的能量問題，保證電壓穩(wěn)定，這種儲(chǔ)能裝置，可以在風(fēng)壓小的情況下放出儲(chǔ)存的能量，使電能轉(zhuǎn)換情況與平時(shí)差別不大，在風(fēng)壓大的情況下，可以將過多的電量及時(shí)儲(chǔ)存，以免出現(xiàn)傷害電機(jī)的情況。運(yùn)用電力電子器件為核心的儲(chǔ)能裝置，主要目的就是將不確定的外界風(fēng)壓狀況，改變?yōu)榭煽刂频臓顩r。

三.結(jié)束語

從以上幾點(diǎn)可以看出，大功率電力電子技術(shù)的快速發(fā)展給風(fēng)電系統(tǒng)帶來了很多改善應(yīng)用，例如軟并網(wǎng)裝置和無功補(bǔ)償器的應(yīng)用以及電力電子發(fā)生器的應(yīng)用等。加入大功率電力電子設(shè)備，可以給本來問題復(fù)雜解決困難的風(fēng)電系統(tǒng)帶來新的轉(zhuǎn)機(jī)，讓一些原本使用風(fēng)電系統(tǒng)困難的地方，也可以接觸到風(fēng)電系統(tǒng)帶來的便利。未來風(fēng)電系統(tǒng)的便利應(yīng)該還會(huì)大幅度增加，興許還會(huì)進(jìn)入真正的風(fēng)電時(shí)代。

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