電阻在風能中的應用
動的自然風能捕捉下來，轉變成穩定的、持續的電能，以供人類使用，是一個值得仔細探求的問題。
2.1古老的丹麥式風車丹麥風車，無疑是風力發電的典型代表，但同時也讓人聯想到古老和落后的技術。在國外被稱為丹麥概念風車機組的風能利用系統，是對電力電子技術應用極少的恒速恒頻風力發電系統。首先恒頻這個條件是電能應用的基礎。既然希望發出的電能能夠加入電網供人利用，自然首先要求發電的頻率為工頻，并希望盡可能的減少雜波以減少對電網的沖擊。丹麥風車機組的解決辦法是，利用一系列的機械部件，保證在任何大小的風速情況下，電機的轉差率都近似維持在一個恒定值，被稱為超同步狀態[1]。這么做的缺點是顯而易見的。恒速運行不僅不能對變化多端的風能進行有效地利用，同時當風速變化較大的時期，對于發電系統的機械部件壓力變化劇烈，無益于發電系統的壽命增長。并且，由于沒有采用什么電力電子技術對風能發出的電能進行整流濾波，導致雜波含量極高，對電網也會造成巨大沖擊。
2.2變速恒頻風力發電系統對風能利用的一個重要認識在于，并不是隨隨便便讓風葉帶動一個電機轉動，就能達到良好的發電效果，其實如何讓風力大小和電機轉速有效地配合，是一個需要深入研究的重要問題。在不同風速下，發電機轉速與發電功率之間的關系可以從圖1中看出：可以發現，對于每一個不同的風速，當發電機的轉速從很小不斷增大過程中，發電功率經歷了一個先增大后減小的過程。其中功率最大的點就被稱為最大風能捕獲點[2]。因此為了盡可能提高風能利用的效率應當讓發電機的轉速隨著風速的不斷變化而變化。然而倘若發電機的轉速隨意變化，無疑會導致發電頻率的變化，這樣的電能是無法加以利用的。于是變速恒頻風力發電系統就產生了。首先先以原理比較簡單的交-直-交風力發電系統[3]來進行分析。其基本的原理框圖如下所示：圖表2交-直-交風力發電系統此系統中的發電機會隨著風速的變化而自動調整轉速，盡量在任意時刻都能夠達到最大風能捕獲點。產生的頻率不斷變化的交流電能首先通過交流-直流整流電路變換為直流電，此后再通過直流-
交流逆變電路轉變成頻率恒定的工頻電流，就成為了能夠被正常使用的電圖表1最大風能捕捉曲線
能，輸送到電網當中?？梢钥闯?，利用電力電子技術成功解決了機械部件無法解決的難題。不僅風能發電的效率大大提高，而且產生的電能也更加穩定，實用性也得到了增強。機械部件的使用壽命也一定程度延長。而目前應用比較廣泛的風力發電機系統是雙饋異步風力發電機[4]。其結構和原理比較復雜，最大的特點在于，其轉子繞組通過變頻器與電網連接，轉子繞組電源的頻率、幅值和相位按運行要求由變頻器自動調節。普通的電機只能對電流幅值進行調節，亦即只能調節無功功率，能力十分有限。而雙饋異步發電機在變頻器的幫助下，可調節的內容增加到了上述的三個。通過改變勵磁頻率，可以達到改變電機轉速的目的，倘若環境中風速突變，根據傳感器傳來的信息，快速調整勵磁頻率，讓發電機轉速隨風速改變而改變，可以高效的捕捉風能。而改變轉子的勵磁相位，則可以達到改變發電機功率因數角的目的，調整有功功率和無功功率的比例，以適應電網的需求?？梢婋p饋異步風力發電機的確在多方面都有著絕對的優勢。關于風力發電系統的結構，還有很多種，例如：磁場調制發電機系統、無刷雙饋發電機系統等等，此處不再一一贅述。但是我們可以從中清楚地看到，應用了電力電子技術之后，風能的采集效率比以往有了飛躍式得提高，同時轉變成工頻交流電的品質也更令人滿意，因此在風能發電的第一步中，電力電子技術就已經體現出了相當大的價值。3并網技術雖然在風能采集和轉變的階段，已經盡力使產生的電能達到了工頻的標準，但絕對不是因此就可以簡單地輸入電網。比如說，風能的大小總是不停的在變化，再加上風力發電機組的發電功率不斷增大，在并網時會對電網產生較大的沖擊，造成電網中的電壓波動。因此，并網技術也是不容小覷的。
3.1異步風力發電機并網存在的問題由于前面已經討論過同步和異步發電機的優劣，可以確定異步發電機才是將來風力發電的主力，因此此處只討論異步發電機并網時應當注意的問題。異步發電機通過轉差率調整負荷，已經自己解決了振蕩、失步等問題，還應當注意的問題大致有：直接并網時產生的巨大沖擊電流（約為額定電流的4到7倍），可能使發電機與電網連接的主回路中的自動開關斷開，同時沖擊電流會造成電壓大幅下降，可能觸發系統低壓保護，對系統安全運行造成影響；由于其本身不產生無功功率，因此需要無功補償；過高的系統電壓會使其磁路飽和，無功激磁電流大幅增加，定子電流過載，功率因數大幅下降[5]等等。
3.2并網技術對比目前采用的異步發電機并網技術主要由直接并網方式、準同期并網方式、降壓并網方式、晶閘管軟并網方式[6]等。直接并網方式僅要求發電相序與電網相序相同即可并網，雖然設備簡單方便，但是完全不能避免發電系統對電網的沖擊，只適合小型的發電機組。準同期并網方式事先對發電機電壓和頻率進行調節和校正，能夠很大程度上減少沖擊電流，但是只能控制電機在可調節的范圍之內，使用中有所限制。降壓并網方式是在電路中加入電阻或電抗器，以減少并網瞬間的沖擊，但是損耗較大，而且隨著發電機組的增加，所需的分壓電路也就越多，
不夠經濟實用。圖表3雙饋異步風力發電機
由于這三種方式都有較大的缺陷，因此使用中十分不方便。對比前面三種方法，運用電力電子技術的晶閘管軟并網方式脫穎而出，得到廣泛的應用。如圖所示，這種并網方式是在異步發電機的定子與電網之間通過在每相串入1只雙向晶閘管連接起來，實現對發電機輸入電壓的調節，接入雙向晶閘管的目的是將發電機并網瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內[5]。通過控制晶閘管的導通角，可以調節負載上的電壓波形，從而改變負載電壓的有效值。而右側補償電容的作用則是上面提到過的對無功功率進行補償，以使發出的電能與電網中原有的電能相適應。當然補償電容的大小也需要根據實際情況進行控制。目前，晶閘管軟切入裝置已成為大型異步風力發電機組中不可缺少的組成部分，用于限制發電機并網以及大小電機切換時的瞬態沖擊電流，以免對電網造成過大的沖擊[5]?？梢?，在并網階段，電力電子技術同樣發揮了不可取代的作用。當然，這種裝置對于晶閘管的耐壓、功率都有較高的要求，需要電力電子技術進一步的發展，提供更為可靠、高耐壓和高容量的晶閘管。
4監測系統經過前文所述，運用電力電子技術，已經可以有效地穩定風能發電的電壓、頻率等特性。但是由于電力電子器件的引入，同時也會帶來一些額外的問題。比如說：大功率開關器件的普遍采用使得電能含有大量的諧波，加上不均勻負載帶來的三相不平衡、功率因數下降和電壓失穩等問題[2]，同樣會使產生的電能不穩定。除了電能狀況不穩定之外，風力發電系統本身也經常出現各種各樣的故障，而故障的原因大多是一些小問題的長期積累。因此，建立有一套完善的檢測系統，對風力發電系統進行長期監測，也是一個重要的問題。
4.1需要監測的問題在電能方面，首先，由于風力發電用的發電機三相繞組很難做到絕對對稱，而不對稱的三相繞組會成為諧波源，在電網中引入諧波，導致電壓波形偏離正弦波。相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網電壓，減少電網的容量[7]。其次，對風力機風速一功率特性的長期監測發現，在相同風速下，被監測風機的輸出功率存在很大的離散性，說明風力機的風能捕獲效率還不夠理想[8]。而在機械方面，由于技術等方面的不成熟，導致發電機運行狀況不能很好地與風速配合，導致機械磨損比預期嚴重很多。老化的器件如果不能夠即使被發現，很可能會導致嚴重的后果，造成不必要的損失。另外在風力發電站的建設方面還需努力，既要選擇風能較
2019-08-31 00:27:49
電阻在風能中的應用