风力涡轮机的高功率密度

本文是其中的一部分能源管理系列:探究功率密度

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你将学习:

• 风电密度是多少？
• 风力涡轮机系统中使用的不同类型的发电机。
• 在大功率风能 - 转换系统（WECS）中最常使用哪种架构？

基本物理限制存在于能够从可再生资源中提取多少能量，以获得给定的土地的可再生资源。有一个风能密度(WPD)的定义，不要与系统电源的功率密度相混淆，例如DC-DC转换器和DC-AC逆变器。

WPD是对任何地理位置可用风能的定量测量。它是风力涡轮机每平方米扫掠面积的年平均可用功率，通常是根据地面以上的不同高度计算的。为了严格量化这一点，我们可以计算一个能量源的能量功率密度在每平方米的瓦特（w / m²）.

为了理解这个想法，设计师需要考虑最近开放的伦敦阵列风电场在英格兰南部(图1)．作为世界上最大的海上风力发电场之一，伦敦阵列发电足够为近50万个家庭供电。伦敦阵列的二氧化碳排放量约为90万吨₂每年。其总容量为630兆瓦，覆盖总100公里²,它是预计容量率为39％．所以，伦敦阵列的功率密度¹将是2.5 w / m²．

英国比世界其他地方的大量越来越多，一些研究表明这种大型提取风电场将降低更接近1 w / m的平均功率密度数²；2 ~ 3w /m²可能是大型风力发电功率密度的上限。功率密度反映了平均输出。然而，风电场的峰值功率密度可以高3倍，而最小功率密度将接近于零。

风电是21中最有前途的可再生能源系统之一^圣世纪。兆瓦斯最大的个体风电场容量位于中国​​。“风电场”也可以在美国，特别是在加利福尼亚州的许多高速公路上，在世界上有第二高的能量能力部署，紧随其后。德国拥有59.3 GW的欧洲风力最高。

在本文中，我们将专注于风力涡轮机功率密度，相对于高功率密度AC-DC发电机侧功率转换器以及DC-AC电网侧脉冲宽度调制（PWM）功率逆变器。

风力发电机内供电电子电源密度

电力电子技术可以调节和调节功率、电压和频率，以达到高效率和高功率密度的目标。功率密度在风力涡轮机中是很重要的，特别是对于效率和更低的重量在机舱内。发动机舱大约有一辆公共汽车那么大，它能将缓慢转动的风叶转换成更快的旋翼速度。

发电机和齿轮箱是位于钢塔顶部的发动机舱中的巨大机械部件，1.5兆瓦风力发电机重约56吨。

影响风力涡轮发电机输出功率的关键因素

使用电力供应电子设备改变了风力涡轮机的基本特性，从一个能源来源到一个有功电源。用于风力涡轮机的电气技术并不是什么新技术，但它们在技术上已经取得了进步。在今天的市场上，生产千瓦时的价格是如此之低，以至于使用现代电力供应电子设备的解决方案变得非常有吸引力。

典型的风力涡轮发电机是感应机器，但他们需要产生交流电源输出。因此，它们需要良好的DC-TO-AC逆变器电力电子器件来转换为可以连接到电网的恒定频率。

根据风力涡轮发电机（WTG）输出的类型，系统可能需要使用基于二极管的AC-TO-DC整流器进行交流发电机(见下一节“wtg的类型”)．现代电力 - 电子架构还使用线路换向晶闸管转换器以及风电系统中的自换向绝缘栅双极晶体管（IGBT）和MOSFET转换器。

自整流变换器可以双向传输和控制功率(ac-dc和dc-ac)，因为它可以控制开关的关闭。这些逆变器集成了电子开关，这些开关直接通过门，在每个周期的若干次，使用脉冲宽度调制(PWM)控制方法;这大大降低了无功功耗和电流谐波。GaN和SiC功率器件也被用作该架构中非常高效的功率开关;这将大大提高功率密度。

在大功率WTG设计中，通常采用换向线变换器;然而，他们不能控制无功功率．

风力发电中最常用的电力电子转换器(PEC)是二极管和换向线转换器，它们具有无功补偿，二极管和PWM电压源逆变器(VSIs)，二极管和直流-直流斩波器和PWM VSI转换器，背靠背的PWM VSI转换器， 和矩阵转换器．

类型的WTGs

直流(dc)发电机

直流WTG结构由风力机、直流发电机、IGBT逆变器、变压器、控制器和电网组成。

交流同步发电机

交流同步WTG是一种传统设计，接受永磁同步发电机(pmsg)的直流励磁。又称电磁铁电励磁同步发电机．

AC异步发电机

AC异步WTG是一种采用感应机器的现代风电系统;这些广泛用于风力涡轮机应用中。有两种类型的架构：

• 带有鼠笼式转子的定速感应发电机:这些发电机定子通过变压器与电网相连，转子通过齿轮箱与风力机相连。直到1998年，这些发电机通常是1.5兆瓦或更少。
• 具有伤口转子的双馈诱导发电机（DFIG）：在现代，1998年以后，超过85%的已安装风力涡轮机采用DFIG架构。

DFIG架构

在流行的DFIG系统中，电力电子接口控制转子电流，以达到在变风条件下获取最大能量所需的变转速。由于电力电子只处理转子功率，这通常是小于25%的总输出功率，DFIG提供了速度控制的优势，降低成本和更低的功率损耗。

在DFIG风力涡轮机中，发电机的定子直接连接到栅格。转子也连接到电网，但是通过背对背（AC-DC到DC-AC）功率转换器。这种可调的设计通常在1.5和6 MW之间的功率范围内部署。在DFIG转换器中，高达三分之一的功率在两个方向上流过功率半导体。

DFIG电源电路

部分尺度功率转换器

本文给出了一种风力发电机组变速控制系统中采用部分规模功率变换器的DFIG的电力电路图2.．这种类型的转换器通过平滑的网格连接执行无功功率补偿。如果发生电网故障，则滑动环和足够的保护方案是这种设计的一部分。

全额定功率转换器

该电源电路由异步/同步发电机组成(图3)．其架构消除了滑环，具有全功率能力，与DFIG架构相比，速度可控性。高功率损耗和切换损耗是此架构的一部分。

切换磁阻发生器

这些架构采用强大的转子和定子。当磁阻发生器与直接驱动功能结合时，这些机器将相当大而重，这使得它们在当今的风力应用中不太有用。

高功率风能转换系统

在本节中，我们将讨论背靠背连接的转换器。该体系结构将用于低电压类的大功率风能转换系统(WECS)。

功率转换器必须具有较高的功率密度，以实现占地面积小和重量轻。这是一个重要的要求，特别是海上风力涡轮机。

低压（LV）转换器(690和575 V):

4型WECS，背靠背(BTB)连接，全尺寸，两电平(2L)电压源转换器(VSC)（图4）．电压源整流器(VSR)和VSI的开关频率保持在1至3 kHz，以实现更低的开关损耗和更高的功率密度。

3型WECS，部分规模btb连接2L-VSC（图5）．发电机定子直接与电网连接;发电机的转子通过功率转换器连接。

具有通用DC-Link的并行BTB 2L-VSC（图6）．这种结构适用于额定功率大于0.75 MW的4型涡轮机(2.5 MW的3型涡轮机)。通过将三相变流控变换器与谐波滤波器并联，可提高载流能力。

平行BTB 2l - vsc与单独的直流链接（图7）．该架构解决了循环电流以及可靠性问题的问题;DC链路可以配置为单独的元素。该设计保留了功率处理能力，模块化，冗余和效率的最佳品质。

第四个上市参考文献以下提供了关于WECS配置、MW-WECS大功率转换器、中压(MV)转换器、无源发电机侧转换器、多相发电机转换器、开式绕组发电机转换器或无直流连接的电源转换器的深入细节和更多信息。

更多信息请参阅能源管理系列:探究功率密度

参考文献

“影响风力涡轮机输出电源的因素评估”2017年第十九届国际中东电力系统会议（Mepcon），Menoufia大学，埃及，2017年12月19日至21日。

“风力涡轮机的功率转换器:当前和未来的发展，”IEEE 2013

电力电子转换器和风力涡轮机，2017国际工程发展与研究杂志（www.ijedr.org）（IJedr），第5卷，第2款，ISSN：2321-9939

“大功率风能转换系统：最先进的和新兴技术，”IEEE的诉讼程序| Vol. 103, No. 5, 2015年5月

”全变流器风力涡轮机技术，”西门子

“使用背面的PWM转换器的双馈感应发电机及其应用于变速风能产生”IEEE论文集-电力应用。，第143卷，第3期，1996年5月