发电系统中的电力电子技术应用

发电系统中的电力电子技术应用 电力电子技术作为电工技术中的新技术，是强电技术和弱电技术的配合，在国民经济 中的巨大作用已不用再说，对未来输电系统将发生革命性的改变，影响巨大。就目前来说， 电力电子技术的应用领域已经涉及到以下环节：电能的生产环节、电能的输配送环节、电 能的存储等待。几乎遍布电力系统的各个方面。本文主要介绍在发电系统中电力电子技术 的应用。 电力电子在发电系统这个环节的应用以改善发电机等多种设备的运行特性为主、加以 进行系统的功率调节。主要表现在大型发电机的静止励磁控制，水力、风力发电机的变速 恒频励磁，发电厂风机水泵的变频调速。应用了晶闸管整流在自并励静止励磁中简单的结 构、可靠性能、低廉的价格方面的优点，使其能在电力系统中生存成长。在水力、风力发 电机的控制方面，以应用变频电源来调整转子励磁电流的频率，从而调整水力、风力发电 的最大有效功率，使之保持在一定的稳定范围内，减弱、甚至消灭风速的不同变化所引起 的频差。火电厂的风机水泵耗电量很大，几乎占所有厂用电的 65%，效率也很低，变频调 速可以解决运行的效率问题，可是目前能生产高压大容量变频器的企业不多，能够精确应 用的更不多。对于新能源中的太阳能发电控制系统，太阳能电池阵列直流电转换为交流电 的系统核心是具有最大功率跟踪功能的逆变器，不同的国家地区的规格制度不同，我国采 用的是 1015kW 的独立系统。 伴随着经济的持续前进，越来越意识到环境对经济的影响，研究出以能够可再生的资 源例如风能、太阳能等代替原有的不可再生资源使用。我国已经能够熟练掌握使用很多可 再生资源，风力发电就是其中一种，很多经济发达的国家也在使用这种方法发电。 1 恒速恒频与变速恒频风力发电系统 风力发电工程的发电可以分为恒速以及变速恒频发电设备这两 种。最初的风力发电机组是使用的笼型异步发电机转子结构为笼型，结 构简单、制造方便、运行可靠。假设这个运行的电网没有限制，无限大，由 电网决定了输出的电压量以及频率，风力设备只要并入了电网中进行 工作，转动速度就不会再发生改变，就是恒速恒频工作方式。 恒速恒频设备只有把转动的速度固定在一个不变的值上，才能实 现最高运动效果，当风速发生变化的时候，风力机转动的速度就会紧跟 着发生变化，运动效果就会变差。异步风力发电设备发出的电量不稳 定，效果比较差，并且，如果假设的电网无限大的情况不具备时，每一台 发电设备工作情况的调节都会影响到局部电网的工作，风速以及风向 的存在不固定性，工作发出的电压、次数、功率也会随之改变。为了处理 这种机组产出电量品质差、用电效率不高等，同时提升发电机组工作速 度、能够降低或者解除驱动设备中的应力以及力矩震动。对比恒速恒频 设备存在问题，人们把更多的焦点转移到变速恒频发电机组中，无论在 风速以及风向如何改变变化的情况下，风力机都能够持续高速的运转， 凭借这项优点获得各国人们的研究开发使用。 2 全功率机组中的电力电子技术 为实现变速恒频的目的，发电机定子绕组通过交一直一交变换器 与电网连接，将随风速、风向变化而变化的变频变压电功率转化为与电 网同频率同电压的电功率。由于所有的功率都要通过功率变换器进行 变换，因此，此类系统中的电力电子装置称为全功率变换器。 含有齿轮箱的全功率交流设备中，变速恒频风力发电机组中都有 齿轮箱，在正常工作中因为齿轮箱损失以及形状较大也是这机组中一 个缺点。变速恒频风力发电系统有很多形式：笼型异步发电系统、同步 发电系统、永磁同步发电系统以及绕线异步发电系统。没有齿轮箱的全 功率性交直交变速恒频发电设备大多都是使用电励磁或者低速度永磁 发电设备，即使设备中没有齿轮设备，但是机组的形状仍然很大。和带 有齿轮箱的发电设备一样，定子绕也要经过一个交流变换设备才能够 和电网相连。所以，这两种模式不一样的变速恒频发电设备，虽然组成 方式不一样，但是工作原理以及构造差不多。按照定子整流设备以及网 侧逆变设备的不一样的方法，这种类型的构造有以下四种站点相互连 接的形式。 21“不控整流电路+电压型逆变电路”的拓扑结构 各个站点相互连接的构造很简单，操作技术熟练。发电设备产生的 交流电经过定子整流设备之后变为直流电，再通过脉冲宽度调制电压 型你变设备，供应电压、频率和电网需求相应的交流电，同时能够控制 住点了中流动的有功以及无功功率。调整发电设备的转动距离、转动速 度，让风机设备处在最好的工作形式。 因为发电设备中生产的电量以及频率不是固定的，所以通过由无 控制功能的整流二级管组成的整流电路后直流电压会相应发生改变， 即使经过脉冲宽度调制逆变设备的调整保证电压不变，但是调整的程 度也受限制的，如果门限值比直流形式的母线电压要高的情况时，逆变 设备就不会产生功率。所以，假如想加大这种设备的使用规模，一定要 增设提升电压的设备，按照提升电压过程中隔离变压设备的种类，追踪 电网的变化而做出反应的并网逆变就不再是单一的模式，可以分为高 低频以及非隔离形式的并网逆变模式。 22 “不控整流电路+非隔离稳压电路+电压型 PWM 逆变电路”的 拓扑结构 其拓扑结构相对于上一种拓扑结构中的逆变器输入直流电压不 稳、电压值不高等缺点，在小控整流电路和逆变电路之间加了一级非隔 离的 DC-DC 斩波器。加入斩波电路后，风速、发电机输出电压变化时， 可以通过斩波电路使逆变器输入直流电压稳定在期望值附近，对于逆 变器的控制系统来说，源效应大大减小。 这里的斩波器一般采用 BOOST 升压电路，BOOST 电路不仅可以 稳压、升压，同时可以提高输入电路的功率因数，减小谐波。考虑到 BOOST 电路只有一个功率管，当发电系统容量较大时，单管一般很难满 足要求。因此，大多采用多重化 BOOST 电路，这样不仅可以减小功率管 的容量、提高电路可靠性，同时可以提高等效开关频率，减小滤波电容 的容鼙和输出的纹波电压等。 23 “不控整流电路+电压型 PWM 逆变电路+工频升压变压器”的 拓扑结构 这里提压的方式是把逆变设备并网输出连接在提升电压变压设备 的一侧。连接上提升电压变压设备之后，发电设备在运转时电压能够更 加拓展，这里要想到部分国家是禁止使用非隔离型并网模式的，使用变 压设备之后，发电系统能够和城市用电电网是相互分离的，确保电网的 安全性。这种电路构造简单，工作速度快，但是变压设备体型较大，质量 较重，损耗的材料多，增多费用，而且还会出现音频噪音对环境形成污 染。 24“不控整流电路+隔离稳压电路+电压型 PWM 逆变电路”的拓 扑结构 采用高频变压器来代替工频变压器完成变压和隔离的任务，可大 大降低成本，提高功率密度。这种类型电路的拓扑结构与非隔离稳压电 路不同，该电路在 DC-DC 斩波电路中加入了高频变压器。因此，这种变 换器又称为高频链功率变换器，其中，典型的隔离型 DC-DC 变换器为 全桥式变换器，这种变换器国内外研究较多，在此不再赘述。 3 双馈风力发电系统中的电力电子技术 全速变速不变频率风力发电机组中，发电设备的定子绕组一定会 经过电力电子设施和电网进行连接，在一定程度上提升了生产电量的 品质，但是因为电力电子设施是和电网的主电路连接，发电设备的量一 定会小于电力电子量，致使风电设备的构成费用增多。 为了能够减少电力电子设施中的内容，风力发电机组开始使用交 流励磁电机。按照设备中是不是含有电刷以及滑环能够分为有刷或者 无刷交流励磁电机。最开始研究出现的是具有电刷的电机，在发电设备 中运用广泛；但是因为无刷电机设备简单，而且没有损耗最多的电刷和 滑环，和有刷电机相比有一定的长处，所以，有一些工作者也在慢慢的 转向无刷电机的研究。 31 双馈电机原理与运行特性 具有电刷的交流励磁电机是使用绕线转子感应电机的构造形式， 交流励磁电机可以在不同的风速下运行，其转速可随风速变化做相应 的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，机组效率提高。同时，定子 输出功率的电压和频率却可以维持不变，既可以调节电网的功率因数， 又可以提高系统的稳定性。 无刷双馈电机由串级感应电机发展而来，经过小断的演化和改进， 将两个同轴串联的感应电机合二为一，把两个独立的定子简化为一个， 其转子绕组具有笼型转子一样的坚固和可靠性，又能满足电机对转子 磁场的要求。无刷双馈发电机具有与有刷双馈感应发电机相同的特性， 但没有滑环和电刷，提高了系统运行的可靠性，是风力发电中变速恒频 发电的优化方案。 32 双 PWM 变换器 在全功率机组中，发电机发出的交流电通过二极管不控整流电路 进行整流，再进行逆变、并网，由于二极符的单向导电性，因此功率只能 单向流动，这在全功率机组中可以满足要求，但是不适用于双馈机组。 如果使用双向整流器PwM 整流器来代替二极管不控整流电路，就 能满足功率双向流动的要求。 电压型双 PWM 变换器由两套结构完全相 I-J 的全桥电路组成两 组变流器，在系统不同的能最流动状态下，两组变流器交替实现整流和逆变的功能。 33 矩阵式变换器 交直交通用变频器通常采用不可控整流器加大电容滤波电路输入 结构。非线性元件 0 储能元件的组合，使得其输入功率冈数低，输入电 流波形严苇畸变。而双 PWM 变换器虽然可以调节功率因数，输入电流 连续，但也需要大电容滤波，这些无源元件含造成系统成本上升、集成 度低、可靠性降低等问题。 矩阵式变换设备是一种新兴的新型变换设备，除了必须要使用规 模较小的高频滤波设备进行接触开关纹波，不再使用其他的环节配件。 如果能够控制好计算方法，这种高频滤波设备也很少会用到。 矩阵式变换设备和传统的变换设备相比：不需要中间直流储能环节；能 够四