電力電子技術在大型風力發(fā)電機領域的應用分析

張細先

摘要：在全球應對氣候變化背景下，可再生能源在各國制定的減緩目標中將起到越來越重要的作用。面對能源短缺的局面，走能源可持續(xù)發(fā)展道路成為歷史的必然，風能作為最有開發(fā)利用前景和技術最成熟的一種新型可再生能源，在解決全球氣候變暖的問題、促進低碳產業(yè)經濟發(fā)展、提高國家能源安全等方面具有重要的戰(zhàn)略意義。在我國，風力發(fā)電有效減緩了我國煤電能源不足的狀況，能夠有效彌補可能出現的能源供應缺口。由于科技的進步和發(fā)展以及人們對電能需求量的增加，現階段我國電力電子技術在風力發(fā)電領域得到了廣泛的應用，保證電力系統(tǒng)能夠安全、有效的運轉起來，不斷滿足人們對電能的使用需求。

關鍵詞：電力電子;技術;風力發(fā)電機;應用

1 風力發(fā)電機概述

風力發(fā)電機的運行原理就是將風能轉化為機械能，然后機械能會帶動風力發(fā)電機的轉子旋轉，從而得到電能。風力發(fā)電機類型有很多，可以分為異步型、同步型、水平軸型以及垂直型四個類型。

2電力電子器件在風力發(fā)電領域中的應用介紹

2.1 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斷電流的主要作用，通過采用PWM技術來實現無源逆變，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 逆變器應用于風力發(fā)電中，其原理是通過控制其開關波形，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輸送能源，這對于畸變因素有著良好的改進作用。

2.2 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低以及功率元件數量過多等問題，起到一個控制策略的實現作用，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一個穩(wěn)定維持，使其以最低的機械應力與噪音獲取最高的風能。

2.3 矩陣變換器

矩陣變換器一直是電力電子技術研究的熱門之一，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的變換可以實現系統(tǒng)發(fā)方面的多角度實現，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，可以通過調節(jié)輸出頻率，電流以及電壓等對變速恒頻實現控制，并且可以最大化的實現風能捕獲，與有功功率與無功功率的解耦控制。

3 電力電子技術在風力發(fā)電中的應用研究

3.1風電并網技術應用

風電并網技術具備著良好的穩(wěn)定性與可靠性，是目前電子電力技術在風力發(fā)電研究中主趨勢之一，風電并網的運行與電力電子應用技術的研究有著十分緊密的聯系，主要有以下兩種方式：方式一，直接與電網相連;方式二，借助電力電子器件所組成的變換器實現與電網相連。首先，直接與電網相連接，可以在消耗與克制異步發(fā)電機并網瞬間所產生的強大沖擊流，在配有軟并網裝置的發(fā)電裝置上，通過在異步發(fā)電機定子與電網之間所嵌入的雙向晶閘管，實現并網后由一個接觸器來操作動合觸頭實現短接。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，由于其結構特征與技術要求都十分高，勢必需要電力電子技術的支撐與改進。

3.2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)在風力發(fā)電中的應用

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，該運行模式主要應用的是風電并網技術，而風電并網技術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人為控制，即使在未來科學技術發(fā)展到一定程度風速與風向可以實現人為操作，但是成本也會務必巨大，因此，在短時間內要想即采用風力發(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，采用這一技術也可以穩(wěn)定輸出功率的頻率，減少不必要的損失。

但是就目前的研究技術而言，還存在很多難題亟待攻克，像是并網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與風力發(fā)電系統(tǒng)的融合十分重要。

4 并網風力發(fā)電技術的發(fā)展趨勢

由于國際上對新能源的開發(fā)和利用廣泛關注，以及隨著經濟的發(fā)展，對能源需求量也在不斷上升，風力發(fā)電技術受到了廣泛關注，目前并網風力發(fā)電技術呈現的發(fā)展趨勢如下所述。

4.1海上風電場技術

眾所周知，海上風力資源比起內陸風力資源較為豐富，具有穩(wěn)定的主導風向，且風電技術受環(huán)境的影響較小，能夠有效促進海上風電發(fā)展，但不可避免存在的一些技術性難題還有待解決，如風電系統(tǒng)保護和維保技術、海上風電場運輸技術以及海上風電場的協調控制技術等，若能夠得到有效解決，對并網型風力發(fā)電技術的穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

4.2 并網技術和最大風能捕獲技術的研究

針對并網型風力發(fā)電系統(tǒng)的研究，重點應當放在并網技術后發(fā)電的轉速控制能否達到最優(yōu)，為進一步提高風電系統(tǒng)的可靠性，要不斷對并網開關的閉合進行有效調控。實現最大風能捕獲主要依賴于不斷調節(jié)發(fā)電機扭轉功率和槳距來實現的，能夠有效促進風電風電并網技術的快速發(fā)展。

4.3 大容量風電系統(tǒng)的研發(fā)

針對能源需求量的逐漸增加，兆瓦級大容量機組已成為發(fā)展趨勢，能夠有效提高發(fā)電設備的利用率，有效減少資源浪費，實現風電產業(yè)的經濟利益最大化。但目前針對大容量機組的研究存在許多困難，容量的增加，意味著要對風力發(fā)電機設備、材料以及相應的控制技術提出改進，加大了工作難度?，F階段直驅式永磁風力發(fā)電機和多極永磁發(fā)電機的設計時目前作為參考的主要對象，對未來大容量機組的設計提供了重要指導。

5 電力電子技術在風力發(fā)電中的應用展望

首先風力發(fā)電的發(fā)展一直備受全球關注，并且作為全球可循環(huán)清潔環(huán)保資源其技術研究也在不斷加強，而要想風力發(fā)電發(fā)揮更大的效益與作用，那么結合現代科學的電力電子技術勢在必行，首先要解決目前所存在的問題，例如并網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的應急方案跟處置方案，其次，風電機組如何實現固定風速運轉也是一直在攻克的難題之一，采用永磁多極同步發(fā)電機組所產生的交流電通過整流器轉變?yōu)橹绷麟?，雖然經過一定的技術改造進入了電網，減少了并網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在風電發(fā)電系統(tǒng)中的應用還有很長的一段路要走。

結語：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在風力發(fā)電領域中的應用進行分析，本文還存在許多不足之處以及有待于進一步提高之處，還需要更多的技術支持。目前，風力發(fā)電系統(tǒng)中的控制算法已經大量應用于風力發(fā)電電力技術當中，其變槳距控制以及最優(yōu)功率控制策略等已經逐漸成為目前電力電子技術的研究主方向之一。

參考文獻

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