电力电子技术在风力发电中的应用

摘要

随着经济技术的快速增长和社会的全面进步，我国的能源供应和环境污染问题越来越突出，开发和利用可再生能源的需求更加迫切。风力发电是可再生资源中最具开发条件的新能源。然而风能是不能储存的能源，将风能转换成电能并输送到电网的过程中，电力电子设备是关键因素之一。本文重点介绍了电力电子技术在风力发电中的主要应用，包括风力发电机系统的分类，其中主要分析了恒速恒频发电和变速恒频发电，以及同步风力发电机和双馈风力发电机，并简单介绍风力发电的输送与控制技术，最后对风力发电的前景进行了展望。

关键词：电力电子技术，风力发电，恒速恒频，变速恒频，双馈发电

目录

摘要............................................................... I

一、风力发电 (1)

二、电力电子技术与风力发电机系统 (2)

（一）恒速恒频风力发电系统 (2)

（二）变速恒频风力发电系统 (3)

1 同步风力发电机系统 (5)

2 异步风力发电系统 (6)

三、电力电子器件在输电与控制技术中的应用 (7)

（一）电力电子器件 (7)

1. IGBT (7)

2.交直交变频器 (8)

3.交-交变频器 (9)

4.矩阵变换器 (9)

（二）输电技术 (9)

1.交流、直流输电技术 (9)

2.分频输电技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

（三）控制技术 (11)

1.最优控制 (11)

2.滑模控制 (11)

3.自适应控制 (12)

四、海上风力发电 (13)

五、电力电子技术的应用 (13)

六、未来发展的展望 (14)

七、结论 (15)

致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

一、风力发电

随着经济的快速增长和社会的全面进步，世界电力能源消耗以每年2%的速度增长，化石燃料仍然是主要的电力能源，而可再生能源发电刚刚开始进入快速发展时期。可以预计，在不远的将来，可再生能源发电将成为电力生产的一个重要组成部分，这主要包括风力发电、太阳能发电和生物质能发电。预计到2060年，世界电力能源消耗的一半将由可再生能源发电来提供。利用洁净的可再生能源是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。风力发电技术也是当今可再生能源发电中最为成熟，最适用于大规模发电的技术之一。

我国风能资源总量约42亿千瓦，技术可开发量约3亿千瓦。目前东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2~300 W/M2，大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济效益。风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。

风力发电之所以在全世界获得快速发展，除了能源需求增加，环保压力加大外，还因为风力发电本身具有独特的优点。

（1）全球风能资源丰富。全球风能潜力约为目前全球用电量的5倍。我国陆地风能加上海风能资源，估计可开发量总计约1000GW。

（2）风能是可再生能源。常规化石能源终将耗尽，而风能取之不尽，用之不竭。

（3）清洁无污染。据欧洲风能协会估计，到2020年风力发电可提供世界电力需求的12%，降低全球二氧化碳排放量超过12万亿吨。

（4）施工周期短。风电场安装施工周期很短。单台风电机组的运输安装时间不超过三个月，10MW级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台。

（5）实际占地少，对土地要求低。风电场内设备筑仅约占风电场１％，其余场地仍可供农、牧、渔使用。

（6）可靠性高。把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电几组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。

（7）造价低。从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比活力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。

另外，风力发电的发展对于遏制温室效应具有中大的意义。据统计，风力发电每生产100万千瓦时的电量，便能减少600吨二氧化碳的排放。因此，大力发展风能可以大幅度削减造成温室效应的二氧化碳，缓解气候变暖的状况，并能有

效地遏制沙尘暴灾害，抑制荒漠化的发展。除此外，风力发电还可以满足边远农村的独立供电，开发风力发电这样的分散供电系统，可以较好地满足西部地区发展对能源的要求。而且，风电场由于其场面壮观，已发展成为旅游区。

二、电力电子技术与风力发电机系统

近十年来，风力发电在世界上取得了较快的发展，到2003年底，全球风力发电装机容量已经达到39294MW。但是在风力发电发展的初期，风力发电机组经历了从定桨距再到变速变桨距的发展过程。初期电机都是采用普通异步发电机发电，普通异步发电机无法控制，并网的风力发电对电网来说相当于随机的扰动源（由于风速的随机变化）且无法控制，所以无论对电网的电能质量还是对电网运行的稳定性都有一定的消极影响。风电技术经过长期发展的历程，今天的风电机组已经成为结合了先进的空气动力学、机械制造、电子技术、微机控制技术的高科技产品。当前一台风电机组，比20年前的机组功率大200倍，现代的风力发电场生产出来的电量之大，相当于常规电厂。当代的电力电子技术成为风力发电系统中不可或缺的重要组成部分，无论对于风电机组的控制、电能的转换还是电能质量的改善都起到关键作用。目前，电力电子设备广泛应用在大、中、小容量的风力发电系统中。

风力发电机组是由发电机、风轮、传动系统、塔架、储能设备和电气系统等组装起来的装置。在风力发电的整套系统中，风能的利用效率是系统设计中的首要问题，与此同事，风力发电机系统一定要能稳定安全的发电、正常安全供电。风力发电是指自然风在通过叶轮的旋转面时会带动发电机旋转从而将风能专变成机械能最后在专变成电能的过程。在整个过程中，风力机及其控制系统是关键部分，其质量的好坏对整个系统的性能、效率的高低、发电的质量有着直接的影响。所以，高性能、高效率的控制系统和优秀的发电机系统是开发利用风能的重中之重。

风力发电系统中，发电机是能量转换的核心部分，风力发电机系统按照发电机运行的方式来分，主要分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电机系统两种。风力发电机组与电网并联运行时，要求风力发电机组发出电能的频率保持恒定，即与电网频率相等。

（一）恒速恒频风力发电系统

恒速恒频风力发电机系统（Constant Speed Constant Frequency）采用同步发电机或者感应发电机，不管风速怎样变化，系统可以通过一定的调节，使风力机的转速一直保持在一个恒定的状态，从而达到发电频率恒定的目的。但是这样的

系统叶尖速比保持不变，因而在风速变化的情况下不能一直保持在最佳值，所以无法实现对风力的最大捕获，风能转换效率比较低。此外，恒速恒频风力发电系统是一种刚性的几点耦合机构，在风速突然发生变化的时候，为了使风力机的机械转速保持不变，风能将会在齿轮箱、风力机主轴以及电机等部件上产生非常大的机械应力，会极大的增加了这些机械部件的负荷强度，大大的缩短其使用寿命，并在并网时还会干扰电网影响电力系统的稳定运行。

恒速恒频风力发电机系统是普通异步发电机，这在国外一般被称为丹麦概念风电机组。这种风电机组的发电机正常运行在超同步状态，转差率s为负值，电机工作在发电状态，且转差率的可变范围很小，风速变化时发电机转速基本不变，所以称之为恒速恒频风电机组。

这种风电机组的主要优缺点为：

（1）系统结构简单，适合在野外，缺少维护的观景工作；

（2）主轴系统由中间联结有齿轮箱的高速轴和低速轴组成。由于转速不变，无法进行最大功率点跟踪控制，发电的效率降低；

（3）当风速快速升高时，由于转速不变，风能将通过桨叶传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，产生很大的机械应力，引起这些部件的疲劳损

坏，所以要求坚固；

（4）这种风电机组在正常运行时无法对电压进行控制，不能像同步发电机一样提供电压支撑能力，不利于电网故障时系统电压的恢复和系统稳

定；

（5）发出的电能也随风速波动而敏感波动的，若风速急剧变化，可能会引起风电机组发出电能质量问题，如电压闪变、无功变化等。为此，在

工程中通常采用静止无功补偿SVC或TSC来进行无功调节，采用软

起动来减小起懂时发电机的电流。

恒速恒频风电机组目前在国内应用比较广泛，它一般不采用电力电子装置。也有的这一类风电机组通过在转子回路接入电阻，用可控硅控制电流的大小来调速。

随着电力电子技术特别是电机变频调速技术的不断完善，更多的风力发电系统采用变速恒频风力发电系统。

（二）变速恒频风力发电系统

变速恒频风力发电系统发展至今，有很多种不同的实现方法，它们都有自己独有的优势和缺点，如AC－DC―AC系统、磁场调制发电机系统、SRG系统、交流励磁双馈发电系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统等。以上这些系统都具有自身独特的特点，它们实现变速恒频主要有两种方式，一种是和电力电子变换装置结合和实现的，另外一种则是通过改造发电机内部的结构来实现

的。变速恒频风力发电系统通过变桨距控制风轮使整个系统在很大的转速范围内按照最佳的效率运行，这是当前风力发电发展的一个趋势。

变速恒频风力发电系统的主要特点是：

（1）通过对最大功率点的跟踪，使风力发电机组在可发电风速下均可获得最佳的功率输出，提高了发电效率;

（2）通过对最佳叶尖速比的跟踪，使风力发电机组在可发电风速下均可获得最佳的功率输出；

（3）风轮机可以根据风速的变化而以不同的转速旋转，减少了力矩的脉冲幅度以及对风力机的机械应力，降低机械强度要求;

（4）风轮机的加速减速对风能的快速变化起到了缓冲作用，使输出功率的波动减小；

（5）通过一定的控制策略（如SVPWM控制）对风电机组有功、无功输出功率进行解祸控制，可以分别单独控制风电机组有功、无功的输出，具备电压的控制能力。

综合上述特点，变速发电机组适合用于大功率，通常大于IMW的系统。最后两点非常有利于电网的稳定安全运行。

变速恒频风电组优点的实现，又取决于变速恒频风电机组控制系统的设计。在变速恒频风力发电系统中，主要的变频器控制环节部分的组成及作用有：（1）发电机侧变流器，自关断器件（GTO、IGBT等）构成AC/DC变流器，采用一定的控制方法将发电机发出的交流电转换为直流电；（2）直流环节，一般直流环节的电压控制为恒定；（3）电网侧变流器，由自关断器件构成的DC/AC变流器，采用某种控制方法使直流电转变为三相正弦交流电（50HZ），并能有效补偿电网功率因数。上述变频器为交－直－交变频器，也有采用交－交变频器的。

鼠笼型异步发电机VSCF风力发电系统是变速恒频系统的一种，其采用的发电机为鼠笼型转子异步发电机，可以在一部发电机的定子电路中加入控制策略来实现变速恒频风力发电。不断变化的风速带动风轮机和发电机的转子转动，它们的转速会随着风速的变化而变化，变化的转速导致发电机发出的频率也是变化的。系统通过在定子绕组和电网间引入变频器从而将变化的评论转换为与电网同频率电能。但是鼠笼型异步发电机VSCF风电系统由于所需容量必须和发电机的容量一致，，增加了系统的成本和负荷，不适用于大容量的系统中。

变速恒频系统主要又分为同步风力发电机系统和异步风力发电机系统。其中同步发电机系统包括永磁同步电机系统和电励磁同步发电机系统；异步发电机系统主要是绕线转子异步发电机系统。

1 同步风力发电机系统

永磁同步发电机它采用的电机是永磁发电机，无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需电刷与滑环，因此具有效率高、寿命长、免维护等优点。在定子侧采用全功率变换器，实现变速恒频控制。系统省去了齿轮箱，这样可打打减小系统运行噪声，提高效率和可靠性，降低维护成本。所以，尽管直接驱动会使永磁发电机的转速很低，导致发电机体积很大，成本较高，但其运行维护成本却得到了降低。采用直接驱动永磁发电机具有传动系统简单、效率高以及控制鲁棒性好等优点。

图：永磁多级同步发电机发电机组原理图

永磁同步发电机变速恒频风力发电系统是通过控制一套整流逆变装置，将发电机输出的变频变压交流电转换为满足电网要求的恒频恒压交流电。

图：电励磁同步发电机风机组原理框图

采用电励磁同步发电系统，发电机定子通过变频器和电网相连接，转子采用AC/DC整流装置给发电机提供励磁。发电机可以采用变速箱驱动，也可以使用直接驱动。

在变速恒频直驱风力发电机组中，整流逆变装置的容量与发电机容量相等。采取直驱方式，发电机运行在低速状态，其电磁转矩相对较大，同时发电机极对数较多，意味着发电机的体积也较大。

同步风力发电机系统的特点有：

(1)发电机发出的全部电功率都通过变换器，变换器容量需要按100%功率选取，比双馈系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收困难；

(2)可以使用永磁发电机，电机轻，效率高，而且可以采用直接驱动的结构形式，去掉笨重的变速箱；

(3)功率变换器为单象限的，结构简单。

2 异步风力发电系统

双馈异步风力发电机是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，也是风力发电机组国产化的关键部件之一。该发电机主要由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统三相对称组成，冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。

双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。

图：双馈异步发电机风电机组原理图

采用绕线式异步电机的变速恒频风力发电系统其典型结构框图如上图所示，这是一种比较合适的变速恒频方案，该结构定子绕组和电网直接相连接，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，交流励磁控制通过变频装置向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，通过变频器的功率仅仅是转差功率，双馈调速将转差功率回馈到电机轴或者电网，这是各种传动系统中效率比较高的。其特点为:(l)变频器仅流过转差功率，其容量小，通常可按发电总功率的25%左右选取(转速变化范围士33%时)，投资和损耗小，发电效率提高2%-3%，谐波吸收方便;(2)只能使用双馈电机，比永磁电机重，效率低，需要变速箱，整个系统相对较笨重;(3)由于要求功率双向流过变频器，它必须是四象限变频器，其价格约是同容量单象

限变频器的一倍。

双馈风力发电方式的双向变频器通常使用矩阵变频器、交－交变频器或交－直－交变频器。

矩阵式变频器是一种交－交直接变频器，由9个直接接于三相电源和三相负载之间的开关阵组成。交－交变频器大多采用晶闸管自然换流方式，工作稳定、可靠，与电源之间进行无功功率交换和有功功率回馈容易，为四象限变频器，其无环流系统的最高输出频率为电网供电频率的1/2。交-直-交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。

当前应用较多的变速恒频风力发电系统是采用双馈异步发电机的风电机组，在国外的应用已经很普及，国内目前新建的风场也大都采用这种机型。另外，采用永磁多极同步发电机的风电机组技术也已经比较成熟，在国外已经开始应用。

三、电力电子器件在输电与控制技术中的应用

电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发展，而先进的电力电子器件为其在风力发电中的应用奠定了坚实的基础。

（一）电力电子器件

交流电力变换器是通过将电力电子期间按照一定的电路拓扑结构所组成的交-交电力变换装置。晶闸管SCR的诞生给交交变频其由理论走向实际开辟了崭新的时代，交-直-交变频器在门极可关断晶闸管、电力晶体管以及绝缘栅双极晶体管的相继问世后，被广泛的应用在交流传动领域上面。以下简单介绍几种比较常用的器件。

1. IGBT

要实现“十一五”规划中提出的“单位国内生产总值能源消耗比…十五?期末降低20%左右”的目标，关键是要有效降低工业生产过程中那些大电流和高电压应用的功耗，如交流电机控制、逆变器、继电器、开关电源、变频器、工业传动装置、机车与列车用电源以及供暖系统传动装置等工业自动化应用的能耗。

所有这些交流控制应用都需要能够产生大电流和高电压的核心功率器件，作为新型电力电子器件的代表，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)越来越受到业界的重视。IGBT是MOS结构的双极器件，它兼具功率MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)的高速性能和双极晶体管的低电阻性能，具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功

率小、开关速度快、工作频率高、安全工作区大等优点，这使得IGBT器件成为大功率工业自动化应用的理想功率开关器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率1kHz以上的领域。

在二十多年的发展历程中，除了保持 IGBT 基本结构、基本原理的特点不变之外，它经历了六代有各自特色的演变。迄今为止 IGBT 仍是风力发电工程中使用的最广泛的功率器件,在风力发电中，因为风速经常变化，IGBT 模块在很短的时间内温度波动起伏大，会导致芯片和铜底片之间以及铜底片和基板之间的焊接部分承受大量的周期性的热-机械应力，所以提高模块应力十分重要。此外，在风力发电机舱中空间的节省不是一个小问题，提高模块功率密度也不容忽视。IGBT的电压源换流器具有关断电流的能力，可以应用脉宽调制技术(PWM)进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。

科学家针对风力系统特点专门设计了一种采用由IGBT组成的“H”型 SPWM 逆变器，通过控制“H”型逆变器中IGBT的开关波形，可以控制输出电流;通过控制SPWM 的起始角θ，可以使逆变器以功率因数为1的方式向电网输送能源，并使谐波因数、畸变因数达到设计要求。

2.交直交变频器

交直交变频器的工作原理是借助微电子器件、电力电子器件和控制技术，先将工频电源经过二极管整流成直流电，再由电力电子器件把直流电逆变为频率可调的交流电源。在变速恒频风力发电系统中，需要变频装置来完成由发电机到电网的能量传递。交直交变频器有效地克服了交交变频器的输出电压谐波多，输入侧功率因数低，使用功率元件数量多等缺点，易于控制策略的实现和双向变流，特别适合变速恒频双馈电机风力发电系统和无刷双馈电机风力发电系统。

传统的电流型交－直－交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采用电压型交－直－交变频器，这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。提出的电压型交一直一交变频器的双馈发电机定子磁场定向矢量控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解藕控制，是目前变速恒频风力发电的一个代表方向。

此外，海上风电场采用电力电子变频器能够实现有功和无功的控制，使风电机组运行在变速状态以捕获最大的风能同时降低机械应力和噪音。

3.交-交变频器

交交变频器在结构上是有三组可逆桥式整流器构成，通过一组频率和幅值可调的三相正弦信号提供脉冲信号，从而似的变频器的输出端输出相应的三相频率可调的交流电压，从而实现变频。因为不使用电气储能器件，交-交变频器实现了能力的直接传递，无中间储能环节打打提升了能源的传递效率。尽管交交变频器还具有无中间直流滤波环节，变频器效率高等优点，在双馈变速恒频风力发电系统中得到一定的应用，但由于交交变频器中晶闸管采用自然换流方式，变频器始终吸收无功功率，功率因数低、谐波含量大、输出频率低、变化范围窄、使用元件数量多等因素，使之在风力发电领域的应用受到了一定的限制。

4.矩阵变换器

矩阵式交交直接变频器结合了交-交变频器和交-直-交变频器的有点，它采用无至流环节的斩控控制方式的直接变频电路，其采用全控型开关器件，并利用高速微处理器，可以更好地进行电压、电流波形的优化重组。没有中间直流环节，功率电路简单，可输出幅值、频率均可控的电压，谐波含量较小。矩阵变频器没有中间直流环节，功率电路简单、紧凑，输出由电源的三个电平组成，可输出幅值、频率、相位和相序均可控的电压，谐波含量较小。矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作，适合变速恒频双馈风力发电系统。尽管矩阵式变换器电压传输比只有0.866，但不会影响它在电压要求低，励磁电压可灵活设计的双馈发电机中的应用。

虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象，实现起来比较困难。器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。应用在风力发电中，由于矩阵变频器的输人输出不解藕，即无论是负载还是电源侧的不对称都会影响到另一侧。另外，矩阵变频器的输人端必须接滤波电容，虽然其电容的容量比交－直－交的中间储能电容小，但由于它们是交流电容，要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。应用于风力发电中的矩阵式变换器，通过调节其输出频率、电压、电流和相位，以实现变速恒频控制、最大风能捕获控制、以及有功功率和无功功率的解耦控制等，目前矩阵式变换器的控制多采用空间矢量变换控制方法。

（二）输电技术

1.交流、直流输电技术

风力发电场的建立选取风力资源丰富的地区，一般都远离城镇，线路的输送能力也成为风力发电的重要考虑因素。现在主要采用的是交流输电方式，但存在很多缺点，HVDC已经开始进入风电输电领域。高压直流输电是应用换流技术将交流电转换为直流电输送到落点处再逆变为交流的一种输电技术。它的优点是：可以用来实现异步联网，线路造价和运行费用较低，一般不需要增加额外装置，更易于实现地下或海底电缆输电等。新一代HVDC 技术采用GTO、IGBT 等可关断器件，以及脉宽调制(PWM)等技术，它的采用进一步改善了性能、大幅度地简化了设备、减少了换流站的占地、而且降低了造价，使直流输电更有竞争力。目前，全世界HVDC 工程已达60多个, 总设备容量超过40GW。

灵活交流输电系统(FACTS)在电力系统中广泛采用，但在风力发电领域还没有得到足够的重视。柔性交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合，以实现对电力系统参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续快速调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。自1986年美国专家N-G-Hingorani提出了FACTS(Flexible AC Transmission System)这个完整的概念以来，FACTS的发展越来越受到全世界的重视。

轻型直流输电HVDC Light，以电压型换流器(VSC) 和绝缘栅极双极晶体管( IGBT) 为基础，可在无源逆变方式下运行，更方便连接各种分散式电源。对于海上风电场的长距离功率输送来说，HVDC Light是一种较好的选择，它允许海上风电场的交流网络与电网不保持同步运行，一旦网络发生故障,可以迅速恢复到故障前的输电能力。瑞典已经建成了第1 个实验性HVDC Light 工程-赫尔斯扬(Hellsjon) 试验工程，在丹麦，HVDC light 也已被应用到大型海上风电场的输电工程中。

2.分频输电技术

分频输电技术是我国学者王锡凡教授于1994 年提出的一种新型输电技术。众所周知，一条所能传输的电能是有一定限制的。限制输电线路传输电能能力的因素主要有 3 个，即机械极限、热极限和稳定极限。机械极限就是说输电线路必需有一定的机械强度，也就是说，如果输电线过细、电线的支撑体（如铁塔）很弱，其输电能力必将受限，甚至稍遇风雨即倒，就无法应用。热极限在低压配电是考虑的主要因素，如导线过细，则可能导致导线无法承受过大的电流而被烧毁。但在电压相对较高的输电系统中，由于散热条件较好，即使由于机械原因导线也不能太细，热极限根本不用考虑。因此，决定一条输电线路的输电能力的主要是稳定极限。我们知道，电能在导线中是以电波的形式传输电能的，起始端和终端之间有一定的相位差。输电线传输电能的最大值由下式决定：

PMAX= U1U2 /X

式中，U1 和U2 分别为送电端和受电端的电压，一般来说二者大体相等，因此也可以U2；X 为输电线路阻抗，如近似忽略其中的电阻成分，则其近似为ωL。也就是说，输电线路的输电能力和ωL 成反比，即和电路的角频率ω成反比，这就是分频输电的最基本原理和理论依据。分频是依靠依靠低转速的发电机发出分频电力（如50/3Hz）实现的，然后经过低频升压变压器升压，通过输电线路将电力输送至远方。因此把这种输电方式称之为分频输电。分频电力输送至末端，再经倍频器将分频电力转变为工频电力向受端电力系统供电。分频输电系统的关键设备是倍频器，过去设想采用铁磁型三倍频变压器，因此将分频频率定为50/3Hz。这样线路输送容量大致可以提高三倍，接近于线路得热极限。随着电力电子技术的不断发展，改变频率不再是那么困难，不一定要把分频设为1/3工频，可以把分频输电改成为低频输电。但是，1/3 工频是一个合适的分频频率，即使用电力电子装置，通常仍维持50/3Hz，因此这种新型输电方式常常仍被成为分频输电。

（三）控制技术

风能是一类清洁无污染的可再生能源，是目前最具大规模开发利用前景的能源。但由于风能本身存在随机性、间歇性的特点,发电质量受风速、风向变化和外界干扰的影响很大，而且，风力发电机组通常设在风能丰富的地区，如边远地区，海岛甚至海上, 要求能够无人值班运行和远程监控，这对发电机组的控制系统可靠性要求很高。所以，控制技术是风力发电的最关键技术之一。

1.最优控制

最优控制是寻求使得动态系统的性能指标达到最优的控制，是现代控制理论的一个重要组成部分。风力发电系统所应用的控制方法中，最优控制技术应用最早，相对比较成熟。但由于风力发电系统的本质非线性，自然风风速和风向的随机性以及风机的尾流效应，不确定因素很多，而最优控制的实现必须有一个精确数学模型为控制器设计基础，这对风力发电系统未免要求过高，将最优控制策略与其它控制方法，如与模糊逻辑控制、鲁棒控制方法结合起来的混合控制技术，可有效解决风力发电系统的各类关键控制问题：提高风能转换效率、改善电能品质、减小柔性风电系统传动链上的疲劳负载等。

2.滑模控制

滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制，这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。滑模控制具有快速响应、对系统参数变化及扰动不敏感、无需系统在线辨识、设计简单和易于实现等优良特性。采用滑模控制使风力发电机始终工作在滑动面上，减少其牵引过程，可使系统在整个动态过程中对参数摄动和负荷扰动具有很强的鲁棒性。此外，将滑动模控制应用于风电机组的并网控制器中，可实现低速下的可靠发电控制。当风中的有效功率较低时，风力机工作于正常与失速两种模态。滑动模控制存在切换抖动，会对风力机械设备造成冲击。以力矩为控制信号，采用积分型滑动模控制律，能有效地解决滑动模的切换抖动。

3.自适应控制

自适应控制的目标是自动补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化。自适应控制系统需要不断进行系统结构，和参数的辨识或系统性能的指标的度量，以便得到系统当前状态的改变情况，按一定的规律确定当前的控制策略，在线修改控制器的参数或可调系统的输入信号。自适应控制器用以改善风力发电机组在较大运行范围中功率系数的衰减特性。在自适应控制器中，通过测量系统的输入输出值，实时估计出控制过程中的参数，因此控制器中的增益是可调节的。超前自适应控制方法控制风力发电机转子电压和齿轮箱的静态增益，在负载与风速变化时,控制方法具有可靠快速响应和有限的最大跟踪误差。非线性自适应控制理论对风机实行变速控制，在不增加风能系统机械复杂性的条件下，自动调整发电机励磁绕组电压，此控制方法可在获得平稳渐进的转子速度跟踪的基础上达到最大风能捕获的目的。文献[8]提出了一种应用于变速风力涡轮控制系统中的自适应控制策略。由于涡轮转矩是时变非定常的，自适应控制律用来提供涡轮转矩的估计值。同时，还设计了一种自适应反馈线性化控制器，以保证整个风力涡轮控制系统线性化。仿真结果表明，无论风力状况如何变化,该控制器都能确保获得最大风能，控制方法行之有效。

除了以上三种控制方法外，还有很多的控制方法在不断的应用到风力发电中，但是每种控制方式都有一定的缺点。采用两种或多种先进控制方法的混合控制,如模糊自适应控制、自适应鲁棒控制、PID 神经网络控制等，将是今后风电系统的控制研究方向。开发风力资源，电力电子器件的应用和先进的控制技术是关键。将最新的电力电子技术、控制技术应用于风力发电系统中，提高风力发电

的效率和电力变换质量、降低风电的成本，使得清洁可再生能源逐步替代传统的化石燃料，以改善人类生存的环境，提高人们的生活水平，具有重大的经济效益和社会价值。

四、海上风力发电

海上风况由于陆地，风力过粗糙的地表货障碍物时，蜂毒的大小和方向都会变化，而海面粗糙度小，离岸10km的海上风速通常比沿岸陆上高约25%；海上风湍流强度小，具有稳定的主导风向，机组承受的疲劳负荷较低，使得风机寿命更长；在海上开发利用风能，受噪声、景观影响、鸟类影响、电磁波下扰等问题的限制较少；海上风电场不占路上用地，不涉及土地征用等问题，对于人口比较集中，陆地面积相对较小、濒临海洋的国家或地区较适合发展海上风电。基于海上风力发电的独特优势，世界各国正在纷纷发展本国的海上风电产业。但是，目前海上风力发电的发展主要集中在欧洲。

随着国外大型海上风电场的出现，轻型直流输电（HVDCLignt）技术在工程中也已经被采用。在一些国家，能源规划中有很高一部分为风力发电，这要通过建设大型海上风电场来实现。这些风电场对整个电力系统控制和电能质量会产生重要影响，因此要求他们必须满足很高的技术要求，能进行频率和电压控制，调整无功和有功输出，在电力系统暂态或动态情况下快速响应，例如在２秒的时间内将功率输出从额定出力降低到20%的出力。为了实现这些要求，需要电力电子技术在电力系统结构和海上风电场的控制中扮演重要的角色。采用电力电子变频器的海上风电场能够实现有功和无功的控制，使风电机组运行在变速状态以捕获最大的风能同时降低机械应力和噪音。对于海上风电场的长距离功率输送，HVDCLight是一种较好的选择。风电场出口的中低压交流电在输电侧转换成高压直流，直流功率通过长距离直流输电线路送到陆上，再将高压直流转换成交流。HVDCLight目前在丹麦已被应用到大型海上风电场的输电工程中。因为它不要求海上风电场的交流网络与并联电网保持同步运行。

五、电力电子技术的应用

因为风力发电和太阳能发电所发出的电能质量都不是很好，直接和电网连接时会有很多问题，因此，通常都通过变流器和电网连接。从图1可以看出，风力分频输电系统采用了交交变频器，而交交变频器是典型的电力电子装置，图2是用于风力分频发电系统的交交变频器的原理图。通常，交交变频器用于大功率交流调速系统，主要是从高频侧向低频侧传输能量。目前，经过几十年的使用，

交交变频器在技术上已相当成熟。风力分频发电系统的工作情况和交流调速系统完全不同，它主要是从低频侧向高频侧传输能量。另外，由于控制对象不同，控制系统也完全不同，控制方式也理所当然的完全不同。但是，用于风力分频发电系统的交交变频器和用于大同小异，在风力分频发电系统的交交变频器中，当电机制动，需要电机的机械能向电网反馈时，能量就是从低频侧向高频侧传递，和风力分频发电系统的能量传递方向相同。因此，可以说交交变频在技术上已很成熟。

电力电子技术的应用范围几乎遍及所有领域，应用范围日益扩大。它主要用在电力变换和控制两个方面。风力分频发电系统不是采用工频，而是用更低的频率（常用分频）输电，因此离不开电力变换。同时，电力电子技术是弱电控制强电的技术，而风力分频发电系统完全离不开控制，因此，即是从控制的角度看，风力分频发电系统也需要电力电子技术作为其基础支撑技术。

六、未来发展的展望

随着世界范围内能源短缺的加剧，风力发电及其他形式的可再生能源受到了更多的重视，共夺大规模的风电开始接入电力系统，电力电子技术在风电并网及正常运行中发挥了重要作用。通过采用电力电子技术，风电机组的运行特性大为改善。

风电产业要全面健康可持续发展，需要解决的问题很多，但依靠科技进步来

推动风电产业是摆在我们面前的现实课题。

首先，为了增加风能的利用和减小电力电子变换器的能耗，要选择适合的电力电子变换器来匹配变速风力发电机系统，每个系统都有自己的特征和适宜性，针对不同的海上风场要湘西考虑，选择最时候的系统结构，未来大容量海上风电场将广泛应用电力电子装置；

其次，加强智能电网建设、发电企业和电网公司规划沟通协调。智能电网通过数码技术提高电网的稳定性及效率，可以应用在所有相关产业链，是新能源产业战略的核心之一；

再次，按照风电直供或者非并网解决风电并网难问题，加大对风机的技术研发的支持，解决风机制造企业的低技术重复建设问题，加大重组的推动。淘汰落后产能。

最后，正确处理技术引进和技术创新的关系，采用自主研究开发和引进消化国外技术相结合的方式，是实现提高竞争能力的较好途径。

七、结论

现代电力电子技术是风力发电的基础。随着新材料、新结构电子器件不断出现，现代电力电子技术在实际需要的推动下快速发展。总而言之，电力电子风力发电技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多新的应用领域。

致谢

在本次论文的撰写中，我得到了吴国忠老师的精心指导，不管是从开始定题方向还是在论文初稿、复稿的过程中，一直都耐心地给与我指导和意见，使我的毕业论文条理化、规范化，同时也显示了老师高度的敬业精神和责任感。在此，我对吴国忠老师表示诚挚的干些以及真心的祝福。

两年多的本科教育即将结束，感谢老师们给了我们很多指导和帮助。他们严谨的治学，优良的作风和敬业的态度，为我们树立了为人师表的典范。在此，我对所有的浙江大学的老师表示感谢，对玉环学习中心的老师们表示感谢，祝你们身体健康，工作顺利！

参考文献

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