风力发电--电力电子的应用

电力电子技术在风力发电中的应用目录概述风力发电机用变流器变流器原理风力发电机低电压穿越风电场STATCOM风电场能量的存储概述变速类型的风力发电机组采用变流器实现变速恒频双馈风力发电机组采用转子侧的变流器实现定子频率恒定和转子能量的四象限传输；直驱风力发电机采用定子侧变流器和网侧变流器实现发电能量的传输变桨控制采用直流或交流的变流器实现桨叶的位置控制风电场的无功补偿与电压的稳定采用STATCOM风电场的能量传输平稳可以采用电力电子技术实现能量的存储来完成风力发电机的类型按调桨方式定桨距风力发电机变桨距风力发电机按传动方式有齿轮箱高速有齿轮箱中速（半直驱）无齿轮箱低速（直驱）按调速方式定速风力发电机变速风力发电机按发电机的类型双（单）速鼠笼异步发电机双馈绕线异步发电机电励磁同步发电机永磁同步发电机当前流行机型变桨变速双馈风力发电机变桨变速永磁直驱风力发电机变桨变速电励磁直驱风力发电机变速双馈风力发电机转子侧逆变器网侧逆变器转子速度在1000-2000RPM的范围内通过调整转子逆变器的输出频率来控制发电机输出频率的恒定，fr+-fi=50Hz网侧逆变器用于传递转子的滑差能量：电机转速低于同步速度时，电能由电网到转子；高于同步速度时，电能由转子到电网。发电机的输出功率为定、转子输出（吸收）能量的代数和。通过调整发电机的励磁电流和转矩电流来控制发电机的功率因数和发电功率。电机模型PIPWMPIPIPI电流转速QrefPrefPactQactIqactIdactIqrefIdref矢量模型PIPWMPIPI电流电压Udc_refIqrefIqactIdactIdref变速永磁直驱风力发电机定子侧逆变器网侧逆变器发电机输出变频率和变电压的电能。定子侧逆变器将发电机的电流转换成直流，网侧逆变器将直流逆变成50Hz的交流输出到电网。网侧和定子侧的逆变器为全功率。功率因数由网侧逆变器控制，发电机的输出功率由定子侧逆变器控制。矢量模型PIPWMPIPI电流电压Udc_refIqrefIqactIdactIdref电机模型PIPWMPIPIPI电流转速QrefPrefPactQactIqactIdactIqrefIdref电机侧变流器组成结构IGBT三相桥、滤波电解电容三相连接发电机定子或转子、直流连接网侧变流器对于大容量的装置采用并联的方式功能控制发电机的电磁转矩，调整发电机的输出功率；对于双馈发电机还要控制发电机的机端电压，完成并网的过程；对于双馈发电机控制励磁电流完成对发电机功率因数的控制。网侧变流器组成结构IGBT三相桥、滤波电解电容三相连接电网、直流连接电机侧变流器对于大容量的装置采用并联的方式功能控制直流母线电压；在直流母线电压高时，传输能量到电网；在直流母线电压低时，传输能量到直流环节双馈机型的传输容量约为总容量的20%；永磁直驱机型的传输容量为总容量的100%；需要无功时，也可以产生无功；双馈风力发电机crowbar二极管用来整流，可控硅完成短路功能在发电机定子侧断开才可使可控硅关断用来保护变流器二极管用来整流，IGBT完成短路功能可以随时开通和关断回路完成低电压穿越双馈发电机低电压穿越电压跌落期间，风力发电机从正常运行过度到故障运行电压恢复后，风力发电机从故障运行恢复到正常运行电网电压突然跌落，发电机磁通会降低，发电机电磁转矩会降低。电网电压恢复后，发电机磁通会增加，发电机电磁转矩会恢复。在低电压故障发生时，双馈变流器的电流会出现暂态过程，直流母线电压会出现震荡。采用CROWBAR在低电压故障时将转子短路。永磁直驱发电机低电压穿越由于采用全功率方案，发电机侧变流器与网侧变流器通过直流环节隔离；在低电压穿越上有优势；发生电网故障时，风力发电机可以正常工作，但是直流母线电压会升高；在直流侧增加卸载单元，解决发电机输出能量高，而网侧输出能量低的问题；风力发电场电网对于风电场最大（有功）功率变化率有限制。风电场功率因数应在-0.98-+0.98的范围内动态可调，（无功补偿容量为装机容量的25%）风电场设备应具备低电压穿越能力。闪变的要求。“风电场接入电网技术规定”风力发电受来风的影响，尤其是遇到阵风时，出力波动比较大。目前，风力发电机功率因数控制不能在线调整。风电场的功率因数随出力的变化有波动。风力发电机不具备低电压穿越能力，无源的无功补偿装置在低电压时给不出无功。STATCOM的功能双向的功率流动感性或容性无功发生功率因数校正电压调节直流储能到交流电网的能量传递DSTATCOMSTATCOM的工作原理通过电压的变化来产生无功通过相角的变化来传递有功功率因数校正电压调节直流储能到交流电网的能量传递电流电网STATCOM的优势快速的动态响应暂态过载可以保证在电网电压低时输出同样的无功可以运行到低至15%的电网电压在有外部电源时可以在电网电压为0时仍然工作输出的补偿容量与电网电压成线性关系STATCOM与SVC比较0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%-1-0.8-0.6-0.4-0.20.10.30.50.70.9感性或容性无功在不同电压下的容量STATCOM与SVC并联工作-2-10123456050100150200250300350400450500550600650时间无功STASTCOM电容总无功STATCOM与电容器组并联工作可以降低整体的造价兼顾了STATCOM的快速性与电容器组的经济性在方案设计中可以考虑正常运行时使用STATCOMSTATCOM用于储能DSTATCOM储能DSTATCOM、DC/DC、NaS电池吸收来自电网的能量向电网输出能量STATCOM用于储能平滑功率输出，在不增加输电容量时最大限度利用输电线路限制最大功率变化率