功率器件在風力發電中的應用

　　摘要：目前，功率器件在風力發電技術中應用越來越廣泛。隨著風力發電機功率的增大，對電力電子器件提出了更高的技術要求。文中對此進行了介紹和分析。
　　采用電力電子技術的風力發電設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,海上風力發電正扮演著越來越重要的角色。但是,如果發電系統沒有適當匹配的組件,也提高不了發電效率。SKiiP®智能功率模塊為風力發電機組而進行了優化。對于組件和應用來說就是:更大的電流、并聯運行以及更有效的冷卻。
　　全球已裝機的具有電子控制系統的風力發電機組中,大約有80%采用用逆變器控制轉子電流的雙饋異步電機。這種電機的主要優點是:只被設計為風力發電單元額定輸出功率的20%,因為80%的功率在定子繞組中產生,定子直接連接到電網。然而,唯一的缺陷是滑環接觸和間接控制(系統)維護費用高。在電網受到干擾時,需要非常大的轉子電流在惡劣的環境下保持電網穩定。
　　可再生能源是常規能源的補充,事實上也正試圖取代常規能源,其主要原因是技術的進步。特別是在對能源需求很迫切的國家,近年來出現了35km2大小的風力發電場。為了保證電網的穩定性,在電網電壓驟降的情況下對于無功電源和電網穩定性的要求也變得越來越嚴格。基于這個原因,當安裝新的風力發電機組時,越來越多地使用帶有全功率轉換器的同步或異步發電機,因為它們在電網停電時可以支撐電網。該轉換器直接可控,提供與50或60Hz電網頻率最佳的同步,既可以補償諧波無功功率,又可以產生無功補償。此外,同步發電機可配有許多極(>50),使驅動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。
　　在各種電源系統所用的逆變器中,考慮到經濟因素以及為了實現最佳的效率,經常使用額定電壓為690V的逆變器。在通常情況下由阻斷電壓為1700V的IGBT組成的功率轉換器用于與20kV電網進行功率調整的變壓器。很少使用更為昂貴的3.3kV模塊,因為系統需要變壓器,從而使得整個解決方案過于昂貴。
　　1 采用更大功率和更多的電力電子器件
　　風力發電機的功率范圍設計得越來越大,雖然對于輸出功率來說位置是最重要的因素。陸上風力發電機中,3MW發電機組已被證明是最經濟的,與此同時輸出功率為5MW或更高的海上風電場則是更好的解決方案。如果兩種類型的風力發電機組-雙饋異步電機和帶有全功率轉換器的同步/異步發電機都能夠提供相同的輸出,全功率轉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,電力電子技術不僅越來越普及,事實上,它們滿足的要求也正不斷地改變。由于在雙饋異步電機中半導體在低溫時的熱度不同,必須采取保護機制才能夠處理。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,海上風力發電機受高濕度的影響,而位于美國德克薩斯州的風力發電機組則暴露在高溫下。因此,使用的冷卻系統必須采用不同的設計。因此,基于豐富的經驗為各種應用開發冷卻解決方案是重要的。