電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

楊濤

摘要：現(xiàn)如今隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境問題得到了人們的廣泛關(guān)注，傳統(tǒng)模式下采用火力發(fā)電技術(shù)，因?yàn)閷χ車h(huán)境造成污染嚴(yán)重，具有不可再生的特點(diǎn)，難以提高社會效益，不符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。風(fēng)力發(fā)電具有低碳的特性，具有廣闊的應(yīng)用前景，得到了廣泛應(yīng)用。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用電力電子技術(shù)有助于改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。基于此，本文對電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用展開分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;電力電子;風(fēng)能控制;儲能

風(fēng)能與其他能源類型存在不同，具有低污染、可再生性等特點(diǎn)，風(fēng)能的利用與開發(fā)有助于緩解能源緊張問題，對于改善緩解污染現(xiàn)狀具有重要的意義。因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到了諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，但是系統(tǒng)對輸電、控制等性能具有較高的要求，傳統(tǒng)的電子器件無法滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求，導(dǎo)致系統(tǒng)整體運(yùn)行效能不佳。同傳統(tǒng)技術(shù)相比，電力電子技術(shù)具備明顯的優(yōu)勢，有助于改善系統(tǒng)性能，提高其運(yùn)行質(zhì)量，對于推動風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展具有重要意義。

1. 電力電子技術(shù)概述

電力電子技術(shù)是電力行業(yè)中一系列電子技術(shù)的統(tǒng)稱，對其進(jìn)行具體分析，主要指采用電子相關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)進(jìn)行控制的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。首個品閘管的成功研發(fā)標(biāo)志該項(xiàng)技術(shù)的誕生。對電力電子技術(shù)的核心內(nèi)容進(jìn)行分析，主要包括電路、裝置以及相關(guān)器件，其材料主要由半導(dǎo)體構(gòu)成，理論基礎(chǔ)為電子學(xué)，電力電子系統(tǒng)主要由電路和相關(guān)元器件組成。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，電力電子技術(shù)得到了諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，尤其是電力行業(yè)，對于電力行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。

2. 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常用的電力電子器件

2.1 IGBT

IGBT是系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其作用在于控制系統(tǒng)功率，屬于功率器件的一種，不但可以有效切斷電流，同時(shí)可以通過PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)無源逆變，可以直接通過直流輸電將電力輸送至無交流電源的主要負(fù)荷點(diǎn)。但是因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性不佳，因此IGBT在實(shí)際運(yùn)行過程中存在一定的波動，導(dǎo)致銅片和基板、銅片與芯片進(jìn)行焊接的過程中需要承載較大的熱量-機(jī)械應(yīng)力。因?yàn)镮GBT具備這一特性，所以其SPWN逆變器得到了廣泛應(yīng)用。在具體運(yùn)行階段，通過開關(guān)波形進(jìn)行有效控制，能夠有效提高電力傳輸?shù)挠行耘c穩(wěn)定性。除此之外，能夠?qū)Τ醮螒?yīng)用的角度進(jìn)行改變，將功率因數(shù)轉(zhuǎn)化為1，有助于改善系統(tǒng)的功率。

2.2 交直交變頻器

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為便利恒頻，通過采用變頻裝置實(shí)現(xiàn)向電能的轉(zhuǎn)化，為電網(wǎng)能量的有效傳輸提供巨大的便利，但是系統(tǒng)多存在側(cè)功率低、電壓諧波較多等問題。所以為了能夠?yàn)榱私鉀Q相關(guān)問題，需要合理利用交直交變頻器，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的優(yōu)化和控制，確保交流的雙向性，尤其要注重對無刷雙饋電機(jī)和變速恒頻系統(tǒng)的合理應(yīng)用[1]。

2.3 矩陣變換器

隨著對電力電子技術(shù)研究的不斷深入，矩陣變換器得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。該裝置屬于電源變換器的一種，十分先進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)交流電相關(guān)參數(shù)的高效轉(zhuǎn)化。除此之外，將其應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，能夠提高電壓以及調(diào)節(jié)頻率的控制水平，進(jìn)而達(dá)到變頻恒頻的控制目的，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)能的有效控制，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

3. 電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 在系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

過往風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過程中，系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的主要運(yùn)行方式為主動失速或者失速，該模式下的輸出功率穩(wěn)定性不佳，難以滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。隨著應(yīng)用方式的發(fā)展和變化，這一方式已經(jīng)被其他方式取代。近些年來電力電子技術(shù)發(fā)展迅速，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)也在不斷更新與完善，同時(shí)其運(yùn)行方式和原理也得到了一定的優(yōu)化。其中變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)便是電力電子技術(shù)不斷發(fā)展的產(chǎn)物，采用變速恒頻變槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在內(nèi)部配備雙饋感應(yīng)電機(jī)，不但能夠有效提高輸電質(zhì)量，同時(shí)有助于減少能耗，效果確切[2]。

3.2 在系統(tǒng)儲能改造中的應(yīng)用

目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要問題體現(xiàn)在風(fēng)向、風(fēng)速的穩(wěn)定性較。隨著風(fēng)能應(yīng)用范圍的不斷提升，難以確保風(fēng)量。在這一形勢下，需要對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，提高風(fēng)能的儲存效果，為發(fā)電、供電的穩(wěn)定性提供保障。目前蓄電池得到了風(fēng)力發(fā)電儲能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，優(yōu)勢明顯，具有非?？斓膬δ芩俾?，同時(shí)安裝操作十分便捷;另外，對系統(tǒng)風(fēng)能的儲存來說，超導(dǎo)線圈儲能也是一種高效的儲能途徑，但是該項(xiàng)技術(shù)尚未發(fā)展成熟，未得到廣泛應(yīng)用于推廣，仍需進(jìn)一步完善。另外，不間斷電源因?yàn)樵谳斎腚娏鬟^程中具備持續(xù)供電的特點(diǎn)，符合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)，得到了廣泛重視，使用電力電子技術(shù)的過程中，不間斷電源結(jié)構(gòu)多使用脈寬調(diào)制技術(shù)、IGBT等器件，具有極高的應(yīng)用效率，將其應(yīng)用于偏遠(yuǎn)的發(fā)電站仍然具備良好的應(yīng)用效果。

3.3 在風(fēng)力發(fā)電輸電中的應(yīng)用

對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電來說，其動能的主要來源為風(fēng)力資源，對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行配置的過程中，多位于偏遠(yuǎn)區(qū)域，因此導(dǎo)致用戶、發(fā)電機(jī)組以及調(diào)度中心等存在明顯的不足。交流輸送是主要輸送方式，但是存在諸多問題。未來發(fā)展階段需要積極利用高壓直流輸電技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)具備異步聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)完善，對于環(huán)境具有極強(qiáng)的適應(yīng)性。其可關(guān)斷器件主要使用GTO、IGBT等。PWM技術(shù)也是一種應(yīng)用廣泛的電力電子技術(shù)，能夠有效改善直流輸電效果，具有非常高的質(zhì)量。另外，以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的輕型直流輸電應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中也具有理想的效果，能夠?qū)崿F(xiàn)海上風(fēng)電場交流網(wǎng)絡(luò)和電網(wǎng)的同步運(yùn)行，具有極強(qiáng)的抗故障性能[3]。未來發(fā)展階段，需要加強(qiáng)對靈活交流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的有效融合，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)、相位角等的有效控制，有助于提高輸電能力，強(qiáng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.4 在風(fēng)力發(fā)電的濾波、補(bǔ)償中的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組位于供電網(wǎng)絡(luò)末端位置，極易導(dǎo)致諧波干擾配電網(wǎng)，引發(fā)閃變、電源波動等故障問題。因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要加強(qiáng)對濾波及補(bǔ)償裝置的應(yīng)用，目前常用的技術(shù)主要為靜止無功補(bǔ)償器以及有源電力濾波器。

靜止同步務(wù)工補(bǔ)償器并未使用容量較大的電容器產(chǎn)生無功功率，主要采用電子器件的高頻開關(guān)提高無功補(bǔ)償技術(shù)水平，在中高壓電力系統(tǒng)的動態(tài)無功補(bǔ)償具有良好的應(yīng)用效果。同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)能夠有效追蹤負(fù)荷變化情況，進(jìn)行務(wù)工補(bǔ)償。有助于改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電壓波動較大的情況，提高其穩(wěn)定性，改善電能質(zhì)量。將其設(shè)置在風(fēng)電機(jī)側(cè)安，能夠增加阻尼，提高電壓的動態(tài)化控制水平[4]。

有源電力濾波器能夠通過可關(guān)斷電子器件，以坐標(biāo)變換原理中的瞬時(shí)無功理論為基礎(chǔ)，對補(bǔ)償對象的電流、電壓進(jìn)行檢測，通過電力控制器完全取代系統(tǒng)電源向負(fù)荷提供的畸變電流，確保系統(tǒng)能夠得到期望電流。該裝置具有極快的響應(yīng)速度，對于電壓波動、閃變補(bǔ)償率的控制效果理想，同時(shí)能夠高效濾除高次諧波，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)語

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電具有良好的發(fā)展前景，將電子電力技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，能夠有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，改善電能變換質(zhì)量，降低發(fā)電成本，未來發(fā)展階段需要加大的研發(fā)力度，充分發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘特. 電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的實(shí)踐運(yùn)行探討[J]. 百科論壇電子雜志，2019（2）：516-517.

[2] 姜傳彥，王利軍. 關(guān)于風(fēng)力發(fā)電與電力電子技術(shù)對新能源的開拓探討[J]. 科學(xué)與信息化，2019（1）：89-90.

[3] 李雅倩，茹意，何瑤. 風(fēng)力發(fā)電中電力電子技術(shù)的應(yīng)用[J]. 科技風(fēng)，2018（17）：202，211.

[4] 張俊蓮，楊傳燕. 電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的實(shí)踐運(yùn)用探討[J]. 商品與質(zhì)量，2018（12）：217.

項(xiàng)目支持：云南省教育廳科學(xué)基金項(xiàng)目（2021J1073）