电力电子变流技术在风力发电中的应用综述.doc

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1、《现代电力电子技术》课程报告电力电子变流技术在风力发电中的应用综述姓名：黄振中学号：107550900956学科专业：控制理论与控制工程年级：2009级学期：2009/2010学年第二学期完成时间：2010年6月24日任课教师评语成绩学分任课教师评卷时间摘要：在风力发电的推广应用中，风力发电技术经历了从恒速恒频到变速恒频的发展，期间电力电子变流技术发挥了巨大的作用。本文选取直驱型风力发电系统作用研究对象，对其中涉及的变流技术进行了详细阐述。同时，采用直驱型风力发电系统及其拓扑结构进行阐述，是因为其中用的变流技术种类繁多、方案灵活、代表性前，代表了风力发电技术的崭新发展方向。在此值得一

2、提的是，随着机组单机容量的不断增大，新型大型变流技术已经成为大功率风力发电机组的关键技术。关键词：风力发电电力电子变流技术直驱型风力发电系统拓扑结构0引言随着人类社会的发展,能源与环境问题已成为全球可持续发展所面临的主要问题,风力发电以其无污染和可再生性,日益受到世界各国的重视,并保持增长最快的能源地位。近年来,风电技术取得了突飞猛进的发展。单机容量不断提高,兆瓦级风电机组实现商品化;风力机的变桨距功率调节取代了定桨距调节,发电机的变速恒频运行取代了传统的恒速恒频运行,系统效率进一步提高;实现了风电场的实时监控、远程测控及计算机群控,提高了分布或并网运行的稳定性和电能质量。在风力发电

3、系统的机电能量转换过程中,发电机及其控制系统具有十分关键的作用,它不仅直接影响整个系统的性能、效率和供电质量,而且也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此,研究适合于风电转换的运行可靠、效率高、控制简单及供电性能良好的发电系统具有重要的理论意义和应用价值。目前,风电机组朝着高可靠性、低维护量、少组件、低成本、高集成度方向发展,传统风电机组中齿轮箱的存在成为制约其进一步发展的重要因素之一。上世纪末,许多欧洲国家开展了无齿轮箱的直驱式风电机组研究,其市场份额迅速扩大,德国在2004年安装的风电机组中,就有40.9%采用了无齿轮箱系统。直驱式风电系统通过将风力机与发电机转子直接耦合

4、,机组性能得到改善:(1)由于省去了齿轮箱,没有传动磨损和漏油所造成的机械故障,减少了机组维护,降低了噪声污染,提高了机组的可靠性和使用寿命。(2)取消了齿轮箱传动轴,机组水平方向长度大大缩短,增加机组稳定性。(3)直驱式永磁风力发电系统不需要电励磁装置,提高了发电效率,具有重量轻、可靠性好等优点。本文从发电机的性能、设计、可控性及功率控制等方面,对不同类型的多极永磁同步电动机在直驱式风电领域的应用进行分析比较,并介绍了相关的发电控制技术。可以相信,随着电力半导体器件和铁磁材料的发展,在直驱式风力发电系统中,占成本比例相对较高的功率变换器和发电机,其性价比不断提高,这种省去齿轮箱的直

5、驱式风电系统将成为今后大功率风力发电的主要发展方向[1]。1电力电子器件电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发展，而先进的电力电子器件为其在风力发电中的应用奠定了坚实的基础。1.1绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在二十多年的发展历程中，除了保持IGBT基本结构、基本原理的特点不变之外，它经历了六代有各自特色的演变。迄今为止IGBT仍是风力发电工程中使用的最广泛的功率器件。在风力发电中，因为风速经常变化，IGBT模块在很短的时间内温度波动起伏大，会导致芯片和铜底片之间以及铜底片和基板之间的焊接部分承受大量的周期性的热-机械应力，所以提高模块应力十分重要。此外，在风力发电机舱中

6、空间的节省不是一个小问题，提高模块功率密度也不容忽视。采用IGBT的电压源换流器,具有关断电流的能力，可以应用脉宽调制技术(PWM)进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。文献[2]针对风力系统特点而设计了一种采用由IGBT组成的“H”型SPWM逆变器，通过控制“H”型逆变器中IGBT的开关波形，可以控制输出电流；通过控制SPWM的起始角θ，可以使逆变器以功率因数为1的方式向电网输送能源，并使谐波因数、畸变因数达到设计要求。1.2交-直-交变频器在变速恒频风力发电系统中，需要变频装置来完成由发电机到电网的能量传递。交直交变频器有效地克服了交交变频器的输出电压谐波

7、多，输入侧功率因数低，使用功率元件数量多等缺点，易于控制策略的实现和双向变流，特别适合变速恒频双馈电机风力发电系统和无刷双馈电机风力发电系统。此外，海上风电场采用电力电子变频器能够实现有功和无功的控制，使风电机组运行在变速状态以捕获最大的风能同时降低机械应力和噪音[2]。1.3矩阵变换器矩阵变换器是一种交交直接变频器，没有中间直流环节，功率电路简单，可输出幅值、频率均可控的电压，谐波含量较小。应用于风力发电中的矩阵式变换器，通过调节其输出频率、电压、电流和