電力電子技術(shù)在大型風力發(fā)電機領(lǐng)域的應(yīng)用

文/朱希華

據(jù)EIS 統(tǒng)計，1990年全球二氧化碳排放量為215.6 億噸，到2001年增加到239 億噸，預計到2025年將增加到371.2 億噸，我國是一個能源消耗大國，人均消耗標準煤量在八百千克，其中全球人均標準消耗煤量只有我國人均的三分之一不到，面對著資源短缺的嚴峻挑戰(zhàn)，勢必需要積極發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建設(shè)節(jié)約型能源，1997年到2004年間，全球風電裝機容量平均增長率為26.1%，風電發(fā)電量占全球總用電量的0.5%，預計到2020年風力發(fā)電比重將提升到12%，這對于電子電力在風力發(fā)電領(lǐng)域的進一步深入應(yīng)用起到了十分良好的促進作用。

1 電力電子器件在風力發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用介紹

1.1 IGBT

作為風力發(fā)電中最為重要的功率器件之一，IGBC 的電壓源流器具備著關(guān)斷電流的主要作用，通過采用PWM 技術(shù)來實現(xiàn)無源逆變，這對于直流輸電向無交流電源的負荷點送電具有重要作用，但是由于風力發(fā)電過程中風速并不穩(wěn)定，因此在風力發(fā)電的過程中IGBT 模塊的溫度始終無法得到一個統(tǒng)一的調(diào)控，過高或過低的溫度都會導致芯片與銅底片之間或者銅底片與基板之間焊接部分所承受的周期性負荷過高。

針對這些問題，目前大力推廣IGBC的“H”型SPWM 逆變器應(yīng)用于風力發(fā)電中，其原理是通過控制其開關(guān)波形，對輸出的電流進行控制，并且改變初始角度來促使逆變器以功率因素為一的方式對電網(wǎng)輸送能源，這對于畸變因素有著良好的改進作用。

1.2 交直交變頻器

變頻裝置系統(tǒng)主要作用在于變頻恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中起到一個能量傳遞的作用，其中交直交變頻器能有有效克制交變頻器的輸出電壓諧波多問題，針對輸入測功率因數(shù)低以及功率元件數(shù)量過多等問題，起到一個控制策略的實現(xiàn)作用，其主要適用于變速恒頻雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)以及無刷雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)。并且在海上風電場采用電力電子變頻器還可以針對有功與無功的控制實現(xiàn)一個穩(wěn)定維持，使其以最低的機械應(yīng)力與噪音獲取最高的風能。

1.3 矩陣變換器

矩陣變換器一直是電力電子技術(shù)研究的熱門之一，在整個風力發(fā)電系統(tǒng)中有著較為開闊的發(fā)展前景，并且作為新型的交電源編花器，其對于交流電主參數(shù)的變換可以實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)方面的多角度實現(xiàn)，并且相對于風力發(fā)電系統(tǒng)中以往的變換器，其功能更加強大，可以通過調(diào)節(jié)輸出頻率，電流以及電壓等對變速恒頻實現(xiàn)控制，并且可以最大化的實現(xiàn)風能捕獲，與有功功率與無功功率的解耦控制。

2 電力電子技術(shù)在風力發(fā)電中的應(yīng)用研究

目前，隨著清潔環(huán)保資源的不斷研究與發(fā)展，除了水力發(fā)電以外，風力發(fā)電占據(jù)了全球可再生能源發(fā)展與研究的重要地位，并且風力發(fā)電是目前能夠具備大規(guī)模商業(yè)開發(fā)價值以及技術(shù)較為成熟的一種新能源。

2.1 風電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

風電并網(wǎng)技術(shù)具備著良好的穩(wěn)定性與可靠性，其是目前電子電力技術(shù)在風力發(fā)電研究中主趨勢之一，風電并網(wǎng)的運行與電力電子應(yīng)用技術(shù)的研究有著十分緊密的聯(lián)系，主要有以下兩種方式：方式一直接與電網(wǎng)相連；方式二借助電力電子器件所組成的變換器實現(xiàn)與電網(wǎng)相連。首先，直接與電網(wǎng)相連接，可以在消耗與克制異步發(fā)電機并網(wǎng)瞬間所產(chǎn)生的強大沖擊流，在配有軟并網(wǎng)裝置的發(fā)電裝置上，通過在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間所嵌入的雙向晶閘管，實現(xiàn)并網(wǎng)后由一個接觸器來操作動合觸頭實現(xiàn)短接。目前我國采用最多的就是變速雙饋異步發(fā)電機與變速同步發(fā)電機進行風力發(fā)電研究，由于其結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)要求都十分高，勢必需要電力電子技術(shù)的支撐與改進。

圖1：恒速恒頻風力發(fā)電機組原理框架圖

2.2 變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)在風力發(fā)電中的應(yīng)用

風力發(fā)電最大劣勢就是不穩(wěn)定，其穩(wěn)定效果較差，目前我國風電并網(wǎng)較為常用的是異步店里發(fā)電機組運行模式，該運行模式主要應(yīng)用的是風電并網(wǎng)技術(shù)，而風電并網(wǎng)技術(shù)最大的劣勢就是不穩(wěn)定性，并且不易被控制，因此風力變化屬于自然因素，其自然因素具有不可抗力，風速與風向都無法實現(xiàn)人為控制，即使在未來科學技術(shù)發(fā)展到一定程度風速與風向可以實現(xiàn)人為操作，但是成本也會務(wù)必巨大，因此，在短時間內(nèi)要想即采用風力發(fā)電還要改善這一不穩(wěn)定因素所導致的種種問題，那么采用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)這一技術(shù)就十分重要，即使在風速與風力都不可逆的時候，風力與風速發(fā)生了巨大的變化，采用這一技術(shù)也可以穩(wěn)定輸出功率的頻率，減少不必要的損失。如圖1所示。

但是就目前的研究技術(shù)而言，還存在很多難題亟待攻克，像是并網(wǎng)問題以及風機控制等方面的系統(tǒng)操作都對風力發(fā)電的未來發(fā)展有著一定的阻礙，要想更進一步的實現(xiàn)風力發(fā)電的最大值效益化，那么采用更加先進的電力電子技術(shù)與風力發(fā)電系統(tǒng)的融合十分重要。

2.3 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)在風力發(fā)電中的應(yīng)用

恒速恒頻系統(tǒng)所采用的是普通異步發(fā)電機，其主要是超同步狀態(tài)運行，并且我們常見的這一類風力機主要有三個葉片，在北方一些高山發(fā)電區(qū)域極為常見，其主軸系統(tǒng)通過高速軸與低速軸的齒輪箱相聯(lián)系而運轉(zhuǎn)。

目前在我國恒速恒頻風電機組應(yīng)用的較為普遍，該風電機組一般情況下不適用電力電子期間，主要應(yīng)用可控硅來對電阻中的電流的速度進行調(diào)整，該風電機組雖然在國內(nèi)應(yīng)用交廣，但是也存在很明顯的弊病，由于該風電機組采用的是三葉式槳葉發(fā)電模式，等風速達到一定程度，假若風速達到最高值，那么槳葉運轉(zhuǎn)速度也會達到最高值，此時就會產(chǎn)生較高的機械應(yīng)力，這時候風電機組的主軸，齒輪箱與發(fā)電機都會由于速度過快而產(chǎn)生磨損，這對整個發(fā)電系統(tǒng)都是一種不可避免的損耗，此外恒速恒頻風電機組發(fā)電系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)的過程中，即使是正常運轉(zhuǎn)對于電壓始終都無法提供支持，假設(shè)出現(xiàn)電網(wǎng)故障，那么將是全面癱瘓，這一直都是使用恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)較為嚴峻的難題之一，同時也作為普通異步電機的典型問題代表。

3 電力電子技術(shù)在風力發(fā)電中的應(yīng)用展望

首先風力發(fā)電的發(fā)展一直備受全球關(guān)注，并且作為全球可循環(huán)清潔環(huán)保資源其技術(shù)研究也在不斷加強，而要想風力發(fā)電發(fā)揮更大的效益與作用，那么結(jié)合現(xiàn)代科學的電力電子技術(shù)勢在必行，首先要解決目前所存在的問題，例如并網(wǎng)過程中由于風速與風力不穩(wěn)定所導致的電流過大對發(fā)電裝置造成的磨損問題等，針對這些問題制作有效地應(yīng)急方案跟處置方案，其次，風電機組如何實現(xiàn)固定風速運轉(zhuǎn)也是一直在攻克的難題之一，采用永磁多極同步發(fā)電機組所產(chǎn)生的交流電通過整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，雖然經(jīng)過一定的技術(shù)改造進入了電網(wǎng)，減少了并網(wǎng)過程中的大量電流沖擊，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性還需要進一步加強。如何進一步提高我國電力電子技術(shù)在風電發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用還有很長的一段路要走。

4 結(jié)論

本文主要針對風力發(fā)電中的主要電力電子器件進行一個簡單的介紹，隨后針對電力電子技術(shù)在風力發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用進行分析，本文還存在許多不足之處以及有待于進一步提高之處，還需要更多的技術(shù)支持。目前，風力發(fā)電系統(tǒng)中的控制算法已經(jīng)大量應(yīng)用于風力發(fā)電電力技術(shù)當中，其變槳距控制以及最優(yōu)功率控制策略等已經(jīng)逐漸成為目前電力電子技術(shù)的研究主方向之一。