功率器件在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

　　摘要：目前，功率器件在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中應(yīng)用越來越廣泛。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的增大，對(duì)電力電子器件提出了更高的技術(shù)要求。文中對(duì)此進(jìn)行了介紹和分析。
　　采用電力電子技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備正在世界各地逐步被采用,特別是在亞洲一些國家和美國,海上風(fēng)力發(fā)電正扮演著越來越重要的角色。但是,如果發(fā)電系統(tǒng)沒有適當(dāng)匹配的組件,也提高不了發(fā)電效率。SKiiP®智能功率模塊為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)于組件和應(yīng)用來說就是:更大的電流、并聯(lián)運(yùn)行以及更有效的冷卻。
　　全球已裝機(jī)的具有電子控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,大約有80%采用用逆變器控制轉(zhuǎn)子電流的雙饋異步電機(jī)。這種電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是:只被設(shè)計(jì)為風(fēng)力發(fā)電單元額定輸出功率的20%,因?yàn)?0%的功率在定子繞組中產(chǎn)生,定子直接連接到電網(wǎng)。然而,唯一的缺陷是滑環(huán)接觸和間接控制(系統(tǒng))維護(hù)費(fèi)用高。在電網(wǎng)受到干擾時(shí),需要非常大的轉(zhuǎn)子電流在惡劣的環(huán)境下保持電網(wǎng)穩(wěn)定。
　　可再生能源是常規(guī)能源的補(bǔ)充,事實(shí)上也正試圖取代常規(guī)能源,其主要原因是技術(shù)的進(jìn)步。特別是在對(duì)能源需求很迫切的國家,近年來出現(xiàn)了35km2大小的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性,在電網(wǎng)電壓驟降的情況下對(duì)于無功電源和電網(wǎng)穩(wěn)定性的要求也變得越來越嚴(yán)格。基于這個(gè)原因,當(dāng)安裝新的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí),越來越多地使用帶有全功率轉(zhuǎn)換器的同步或異步發(fā)電機(jī),因?yàn)樗鼈冊(cè)陔娋W(wǎng)停電時(shí)可以支撐電網(wǎng)。該轉(zhuǎn)換器直接可控,提供與50或60Hz電網(wǎng)頻率最佳的同步,既可以補(bǔ)償諧波無功功率,又可以產(chǎn)生無功補(bǔ)償。此外,同步發(fā)電機(jī)可配有許多極(>50),使驅(qū)動(dòng)器部分的齒輪顯得多余。過去,這些齒輪是最常見的故障原因。
　　在各種電源系統(tǒng)所用的逆變器中,考慮到經(jīng)濟(jì)因素以及為了實(shí)現(xiàn)最佳的效率,經(jīng)常使用額定電壓為690V的逆變器。在通常情況下由阻斷電壓為1700V的IGBT組成的功率轉(zhuǎn)換器用于與20kV電網(wǎng)進(jìn)行功率調(diào)整的變壓器。很少使用更為昂貴的3.3kV模塊,因?yàn)橄到y(tǒng)需要變壓器,從而使得整個(gè)解決方案過于昂貴。
　　1 采用更大功率和更多的電力電子器件
　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率范圍設(shè)計(jì)得越來越大,雖然對(duì)于輸出功率來說位置是最重要的因素。陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)中,3MW發(fā)電機(jī)組已被證明是最經(jīng)濟(jì)的,與此同時(shí)輸出功率為5MW或更高的海上風(fēng)電場(chǎng)則是更好的解決方案。如果兩種類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組-雙饋異步電機(jī)和帶有全功率轉(zhuǎn)換器的同步/異步發(fā)電機(jī)都能夠提供相同的輸出,全功率轉(zhuǎn)換器的功率必須高出5倍。而這又意味著需要5倍容量的電力電子器件。但是,必須考慮到雙饋異步電機(jī)的輸出頻率低,通常只需要增大到3～3.5倍。
　　然而,電力電子技術(shù)不僅越來越普及,事實(shí)上,它們滿足的要求也正不斷地改變。由于在雙饋異步電機(jī)中半導(dǎo)體在低溫時(shí)的熱度不同,必須采取保護(hù)機(jī)制才能夠處理。組件必須滿足不斷變化的要求的原因是極端氣候條件。例如,海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)受高濕度的影響,而位于美國德克薩斯州的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組則暴露在高溫下。因此,使用的冷卻系統(tǒng)必須采用不同的設(shè)計(jì)。因此,基于豐富的經(jīng)驗(yàn)為各種應(yīng)用開發(fā)冷卻解決方案是重要的。