功率器件在风力发电中的应用

　　摘要：目前，功率器件在风力发电技术中应用越来越广泛。随着风力发电机功率的增大，对电力电子器件提出了更高的技术要求。文中对此进行了介绍和分析。
　　采用电力电子技术的风力发电设备正在世界各地逐步被采用,特别是在亚洲一些国家和美国,海上风力发电正扮演着越来越重要的角色。但是,如果发电系统没有适当匹配的组件,也提高不了发电效率。SKiiP®智能功率模块为风力发电机组而进行了优化。对于组件和应用来说就是:更大的电流、并联运行以及更有效的冷却。
　　全球已装机的具有电子控制系统的风力发电机组中,大约有80%采用用逆变器控制转子电流的双馈异步电机。这种电机的主要优点是:只被设计为风力发电单元额定输出功率的20%,因为80%的功率在定子绕组中产生,定子直接连接到电网。然而,唯一的缺陷是滑环接触和间接控制(系统)维护费用高。在电网受到干扰时,需要非常大的转子电流在恶劣的环境下保持电网稳定。
　　可再生能源是常规能源的补充,事实上也正试图取代常规能源,其主要原因是技术的进步。特别是在对能源需求很迫切的国家,近年来出现了35km2大小的风力发电场。为了保证电网的稳定性,在电网电压骤降的情况下对于无功电源和电网稳定性的要求也变得越来越严格。基于这个原因,当安装新的风力发电机组时,越来越多地使用带有全功率转换器的同步或异步发电机,因为它们在电网停电时可以支撑电网。该转换器直接可控,提供与50或60Hz电网频率最佳的同步,既可以补偿谐波无功功率,又可以产生无功补偿。此外,同步发电机可配有许多极(>50),使驱动器部分的齿轮显得多余。过去,这些齿轮是最常见的故障原因。
　　在各种电源系统所用的逆变器中,考虑到经济因素以及为了实现最佳的效率,经常使用额定电压为690V的逆变器。在通常情况下由阻断电压为1700V的IGBT组成的功率转换器用于与20kV电网进行功率调整的变压器。很少使用更为昂贵的3.3kV模块,因为系统需要变压器,从而使得整个解决方案过于昂贵。
　　1 采用更大功率和更多的电力电子器件
　　风力发电机的功率范围设计得越来越大,虽然对于输出功率来说位置是最重要的因素。陆上风力发电机中,3MW发电机组已被证明是最经济的,与此同时输出功率为5MW或更高的海上风电场则是更好的解决方案。如果两种类型的风力发电机组-双馈异步电机和带有全功率转换器的同步/异步发电机都能够提供相同的输出,全功率转换器的功率必须高出5倍。而这又意味着需要5倍容量的电力电子器件。但是,必须考虑到双馈异步电机的输出频率低,通常只需要增大到3～3.5倍。
　　然而,电力电子技术不仅越来越普及,事实上,它们满足的要求也正不断地改变。由于在双馈异步电机中半导体在低温时的热度不同,必须采取保护机制才能够处理。组件必须满足不断变化的要求的原因是极端气候条件。例如,海上风力发电机受高湿度的影响,而位于美国德克萨斯州的风力发电机组则暴露在高温下。因此,使用的冷却系统必须采用不同的设计。因此,基于丰富的经验为各种应用开发冷却解决方案是重要的。