電力電子技術在風力發電中的應用

 風力發電是低碳新能源中最具開發條件，商業化發展前景和潛力最大的的發電方式之一。隨著風力發電技術的發展和應用推廣，對風力發電的效率和電能質量的要求越來越高，而應用電力電子技術和控制技術是有效的實現手段，本文總結了在風力發電中應用較多的幾種電力電子器件及控制技術，分析了各種方法的特點、功用和發展。
      風能是潔凈的，可再生的，儲量很大的低碳能源，為了緩解能源危機和供電壓力，改善生存環境，在20世紀70年代中葉以后受到重視和開發利用。風力發電有很多獨特的優點：施工周期短，投資靈活，實際占地少，對土地要求低等，但仍在并網、輸電、風機控制等方面存在問題，阻礙了風力發電的廣泛應用。因此，要大規模的應用先進的電力電子技術到風力發電當中，有效的解決現有問題，使得風力發電成為電力行業的生力軍。本文將從不同角度展現電力電子技術在風力發電中的應用。
一、電力電子器件
      電力電子技術快速發展的物質基礎源于電力電子器件的發展，而先進的電力電子器件為其在風力發電中的應用奠定了堅實的基礎。
1.IGBT
     在二十多年的發展歷程中，除了保持 IGBT 基本結構、基本原理的特點不變之外， 它經歷了六代有各自特色的演變。迄今為止 IGBT 仍是風力發電工程中使用的最廣泛的功率器件,在風力發電中，因為風速經常變化，IGBT 模塊在很短的時間內溫度波動起伏大，會導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-機械應力，所以提高模塊應力十分重要。此外，在風力發電機艙中空間的節省不是一個小問題，提高模塊功率密度也不容忽視。IGBT的電壓源換流器具有關斷電流的能力，可以應用脈寬調制技術(PWM)進行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負荷點送電的問題[1]。
     科學家針對風力系統特點專門設計了一種采用由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為1的方式向電網輸送能源，并使諧波因數、畸變因數達到設計要求[2]。
2.交直交變頻器
      在變速恒頻風力發電系統中，需要變頻裝置來完成由發電機到電網的能量傳遞。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，輸入側功率因數低，使用功率元件數量多等缺點，易于控制策略的實現和雙向變流，特別適合變速恒頻雙饋電機風力發電系統和無刷雙饋電機風力發電系統。此外，海上風電場采用電力電子變頻器能夠實現有功和無功的控制，使風電機組運行在變速狀態以捕獲最大的風能同時降低機械應力和噪音。
3.矩陣變換器
      矩陣變換器是一種交交直接變頻器， 沒有中間直流環節，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。應用于風力發電中的矩陣式變換器，通過調節其輸出
      頻率、電壓、電流和相位，以實現變速恒頻控制、最大風能捕獲控制、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、儲能技術
      因風能是不可直接儲存的能源，對于離網型風力發電系統，為了保證供電的穩定可靠，可在多風期間將風能儲存起來，以供其他裝置使用。即使在風能資源豐富的地區，若以風力發電作為獲得電能的主要方式，也必須配有適當的儲能系統。再者，在風力和其他能源聯合供電時，也需要儲能技術的介入。
1.蓄電池
      風力發電機在與其它發電裝置互補運行或獨立運行時通常使用蓄電池進行儲能。 在風力-柴油發電系統聯合運行中，采用配備蓄電池短時儲能的措施，可避免由于風力及負荷的變化而造成的柴油機的頻繁起動與停機。此外，蓄電池還可以減少柴油機的輕載運行，使其絕大部分時間運行在比較合適的功率范圍內。同樣的，在風光互補發電中，也使用蓄電池作為主要的儲能方式。鑒于蓄電池成本考慮，在風力發電系統中，多采用鉛酸蓄電池或堿性蓄電池作為儲存電能的裝置。
2.超導儲能器(SMES)
      開發超導線圈儲能的可行性，美國在20世紀90年代就開始研究了。超導線圈可在超導溫度下流過極高電流密度的大電流而不消耗電能，是儲存電能的最佳選擇之一。利用超導儲能可以吸收或發出有功和無功功率，響應快，容量大，大大減少了電路的損耗。
使用超導儲能技術使風力發電機組輸出電壓和頻率穩定，從而使電網穩定。文獻[7]在詳細介紹了超導儲能SMES的調節原理及其最優控制方法的基礎上，提出在并網型風力發電系統中，建立了SMES 模型，同時用基因算法對 SMES 的控制參數進行尋優，仿真結果表明，SMES 單元用于并網形風力發電系統可實現對電壓和頻率的同時控制，提高了輸出穩定性。
3.不間斷電源(UPS)
      不間斷電源(UPS)是指當交流輸入電源發生異常或斷電時，還能繼續向負載供電，并能保證供電質量，使負載供電不受影響的裝置。 現代UPS普遍采用脈寬調制技術和IGBT、功率 M0SFET 等現代電力電子器件，效率和可靠性得以提高。并引入微處理器軟硬件技術，實現了智能化管理，可進行遠程維護和遠程診斷。風能的隨機性較大，發電的穩定性也受到限制，對較偏遠地區或者單獨運行的風電場來說，不間斷電源的使用很有必要。
三、輸電技術
      風力發電場的建立選取風力資源豐富的地區，一般都遠離城鎮，線路的輸送能力也成為風力發電的重要考慮因素。 現在主要采用的是交流輸電方式，但存在很多缺點，HVDC已經開始進入風電輸電領域。高壓直流輸電是應用換流技術將交流電轉換為直流電輸送到落點處再逆變為交流的一種輸電技術。它的優點是：可以用來實現異步聯網，線路造價和運行費用較低，一般不需要增加額外裝置，更易于實現地下或海底電纜輸電等。新一代 HVDC 技術采用 GTO、IGBT 等可關斷器件，以及脈寬調制(PWM)等技術，它的采用進一步改善了性能、大幅度地簡化了設備、減少了換流站的占地、而且降低了造價，使直流輸電更有競爭力。目前，全世界HVDC 工程已達60多個, 總設備容量超過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，可在無源逆變方式下運行，更方便連接各種分散式電源。對于海上風電場的長距離功率輸送來說，HVDC Light是一種較好的選擇，它允許海上風電場的交流網絡與電網不保持同步運行，一旦網絡發生故障,可以迅速恢復到故障前的輸電能力。瑞典已經建成了第1 個實驗性HVDC Light 工程-赫爾斯揚(Hellsjon) 試驗工程，在丹麥，HVDC light 也已被應用到大型海上風電場的輸電工程中。
      靈活交流輸電系統(FACTS)在電力系統中廣泛采用，但在風力發電領域還沒有得到足夠的重視。柔性交流輸電技術是指電力電子技術與現代控制技術結合， 以實現對電力系統參數(如線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續快速調節控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統穩定水平，降低輸電損耗。 自1986年美國專家N-G-Hingorani提出了FACTS(Flexible AC Transmission System)這個完整的概念以來，FACTS的發展越來越受到全世界的重視[10]。
四、濾波與補償
      風資源的不確定性和風電機組
      本身的運行特征會影響電網的電能質量，而且風力發電機組處于供電網絡的末端，承受沖擊的能力很弱，有可能給配電網帶來諧波污染、電源波動以及閃變等問題，所以無功補償和諧波抑制對風力發電系統有重要的意義。主要是以下兩種：
1.靜止無功補償器(SVC)
      靜止無功補償器(SVC)是用以晶閘管為基本元件的固態開關替代了電氣開關，實現快速、頻繁地以控制電抗器和電容器的方式改變輸電系統的導納。近來，靜止無功補償器(SVC)被風力發電場并網普遍采用，迅速跟蹤負荷變化，對無功進行補償，在一定程度上穩定了由風速引起的波動電壓，提高電能質量。 在風電機側安裝SVC可以實現動態電壓控制和增加阻尼; 而在電網側安裝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斷的電力電子器件和基于坐標變換原理的瞬時無功理論控制，檢測補償對象的電流和電壓，利用電力控制器代替系統電源向負荷提供所需的畸變電流，從而保證系統最終得到期望的電源電流。和普通SVC相比，響應時間更快，對電壓波動，閃變補償率更高，控制功能更強，同時也能更有效地慮除高次諧波，補償功率因數。
五、控制技術
      風能是一類清潔無污染的可再生能源，是目前最具大規模開發利用前景的能源。但由于風能本身存在隨機性、間歇性的特點,發電質量受風速、風向變化和外界干擾的影響很大，而且，風力發電機組通常設在風能豐富的地區，如邊遠地區，海島甚至海上, 要求能夠無人值班運行和遠程監控，這對發電機組的控制系統可靠性要求很高。所以，控制技術是風力發電的最關鍵技術之一。
1.最優控制
      最優控制是尋求使得動態系統的性能指標達到最優的控制，是現代控制理論的一個重要組成部分。風力發電系統所應用的控制方法中，最優控制技術應用最早，相對比較成熟。但由于風力發電系統的本質非線性，自然風風速和風向的隨機性以及風機的尾流效應，不確定因素很多，而最優控制的實現必須有一個精確數學模型為控制器設計基礎，這對風力發電系統未免要求過高，將最優控制策略與其它控制方法，如與模糊邏輯控制、 魯棒控制方法結合起來的混合控制技術，可有效解決風力發電系統的各類關鍵控制問題：提高風能轉換效率、改善電能品質、減小柔性風電系統傳動鏈上的疲勞負載等。
2.滑模控制
      滑模變結構控制本質上是一種不連續的開關型控制，這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統的“結構”并不固定，而是可以在動態過程中，根據系統當前的狀態(如偏差及其各階導數等)有目的地不斷變化，迫使系統按照預定“滑動模態”的狀態軌跡運動。滑模控制具有快速響應、對系統參數變化及擾動不敏感、無需系統在線辨識、設計簡單和易于實現等優良特性。采用滑模控制使風力發電機始終工作在滑動面上，減少其牽引過程，可使系統在整個動態過程中對參數攝動和負荷擾動具有很強的魯棒性。此外，將滑動模控制應用于風電機組的并網控制器中，可實現低速下的可靠發電控制。當風中的有效功率較低時，風力機工作于正常與失速兩種模態。滑動模控制存在切換抖動，會對風力機械設備造成沖擊。以力矩為控制信號，采用積分型滑動模控制律，能有效地解決滑動模的切換抖動。
3.自適應控制
      自適應控制的目標是自動補償在模型階次、參數和輸入信號方面非預知的變化。自適應控制系統需要不斷進行系統結構，和參數的辨識或系統性能的指標的度量，以便得到系統當前狀態的改變情況，按一定的規律確定當前的控制策略，在線修改控制器的參數或可調系統的輸入信號。自適應控制器用以改善風力發電機組在較大運行范圍中功率系數的衰減特性。在自適應控制器中，通過測量系統的輸入輸出值，實時估計出控制過程中的參數，因此控制器中的增益是可調節的。超前自適應控制方法控制風力發電機轉子電壓和齒輪箱的靜態增益，在負載與風速變化時,控制方法具有可靠快速響應和有限的最大跟蹤誤差。非線性自適應控制理論對風機實行變速控制，在不增加風能系統機械復雜性的條件下，自動調整發電機勵磁繞組電壓，此控制方法可在獲得平穩漸進的轉子速度跟蹤的基礎上達到最大風能捕獲的目的。文獻[8]提出了一種應用于變速風力渦輪控制系統中的自適應控制策略。由于渦輪轉矩是時變非定常的，自適應控制律用來提供渦輪轉矩的估計值。同時，還設計了一種自適應反饋線性化控制器，以保證整個風力渦輪控制系統線性化。仿真結果表明，無論風力狀況如何變化,該控制器都能確保獲得最大風能，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用到風力發電中，但是每種控制方式都有一定的缺點。采用兩種或多種先進控制方法的混合控制,如模糊自適應控制、自適應魯棒控制、PID 神經網絡控制等，將是今后風電系統的控制研究方向。