新能源時(shí)代電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用分析

楊 威

(仙游國(guó)電風(fēng)力發(fā)電有限公司)

0 引言

近年來(lái), 我國(guó)能源需求量不斷增長(zhǎng), 而傳統(tǒng)能源無(wú)法滿足當(dāng)前需求, 為此需要尋求新的能源。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源, 具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境污染的有效控制, 在當(dāng)前清潔能源體系中占據(jù)重要地位[1]。風(fēng)力發(fā)電作為一種綠色可再生能源, 為促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用電力電子技術(shù), 不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電效率的有效提高, 還可以促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。在此背景下, 加強(qiáng)對(duì)電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用分析具有重要意義。

1 新能源時(shí)代的電力電子技術(shù)的主要分類(lèi)

1.1 逆變技術(shù)

逆變技術(shù)的主要目的是通過(guò)變換電壓, 使電能轉(zhuǎn)變成其他形式的能量, 并將其輸送到電網(wǎng)中。在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中, 逆變技術(shù)主要有以下兩種: 第一, 采用SPWM 技術(shù)的逆變技術(shù)。SPWM 技術(shù)是一種逆變控制的關(guān)鍵技術(shù), 通過(guò)對(duì)逆變模塊中開(kāi)關(guān)器件的控制, 使其產(chǎn)生SPWM 波形, 再通過(guò)功率模塊對(duì)其進(jìn)行控制,從而輸出相應(yīng)頻率的正弦波[2]。第二, 采用PWM 技術(shù)的逆變技術(shù)。PWM 技術(shù)是一種能夠?qū)⒅绷麟妷鹤儞Q為交流電壓的控制技術(shù), 通過(guò)對(duì)逆變器輸出波形進(jìn)行調(diào)節(jié), 使其符合電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn), 并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的無(wú)失真控制, 同時(shí)可以將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。

1.2 無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)

無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代科技的一大進(jìn)步, 其主要由電機(jī)和控制器兩部分組成。無(wú)刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、控制方便等特點(diǎn), 可以廣泛地應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中, 尤其是在風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)中, 其能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。在實(shí)際應(yīng)用中, 無(wú)刷直流電機(jī)分為永磁式和電子式兩種, 永磁式的無(wú)刷直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要消耗大量的能量, 因而其運(yùn)行效率要比電子式低一些。電子式無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)通過(guò)應(yīng)用電子技術(shù)和傳感技術(shù), 可以提高無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行效率和行可靠性, 并且能夠在一定程度上減少能量損耗, 因此在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用, 尤其是在風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)中。

1.3 可控硅技術(shù)

可控硅技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用較多的一種電力電子技術(shù), 主要應(yīng)用于交流異步電機(jī)上[3]?？煽毓杓夹g(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用主要是通過(guò)晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制, 從而達(dá)到降低風(fēng)力機(jī)輸出功率和提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性的目的。為了提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性, 需要通過(guò)可控硅技術(shù)來(lái)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率。在使用可控硅技術(shù)來(lái)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí), 可以通過(guò)控制晶閘管實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的控制。在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中, 會(huì)產(chǎn)生各種不同類(lèi)型的諧波。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用可控硅技術(shù)可以有效降低諧波對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率與運(yùn)行穩(wěn)定性帶來(lái)的不利影響, 從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

1.4 晶閘管技術(shù)

晶閘管技術(shù)作為一種新型電力電子技術(shù), 在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用主要是通過(guò)對(duì)晶閘管控制模塊的控制,使其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流與電壓的控制。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中應(yīng)用晶閘管技術(shù), 能夠使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行,同時(shí)也可以對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行保護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中, 需要采用多個(gè)晶閘管模塊與電動(dòng)機(jī)結(jié)合, 使電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)[4]。為使電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行, 需要通過(guò)變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中應(yīng)用晶閘管技術(shù)后, 可以有效減少機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用, 提高設(shè)備的使用效率。晶閘管技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用主要是通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓、電流進(jìn)行控制, 使其能夠滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行需求。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與控制, 進(jìn)而達(dá)到對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行保護(hù)的目的。

表1 新能源時(shí)代的電力電子技術(shù)的主要分類(lèi)

2 新能源時(shí)代使用的電力電子元件設(shè)備

2.1 電力電子器件

在風(fēng)力發(fā)電中, 電力電子器件主要指的是電力半導(dǎo)體器件, 其主要功能是對(duì)電流、電壓、溫度等進(jìn)行有效控制。如圖1 所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中, 對(duì)功率輸出會(huì)產(chǎn)生一定影響, 進(jìn)而影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體性能[5]。因此, 在新能源時(shí)代背景下, 可將電力電子器件應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中, 對(duì)其功率輸出進(jìn)行有效控制。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需對(duì)電力電子器件進(jìn)行合理選擇。為保障電力電子器件有效應(yīng)用, 需結(jié)合風(fēng)力發(fā)電實(shí)際情況進(jìn)行選擇。但由于風(fēng)速受多種因素影響, 導(dǎo)致該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能利用率不高。因此, 為了保證風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電利用率能達(dá)到較高水平, 可將電力電子器件應(yīng)用到該風(fēng)電場(chǎng)中。

圖1 電力電子器件

2.2 變流器

由于風(fēng)力發(fā)電存在不穩(wěn)定性, 因此需要利用變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的有效控制。變流器主要分為兩種類(lèi)型: 一是晶閘管型變流器; 二是功率晶體管型變流器。在風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行中, 使用功率晶體管型變流器, 可通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行有效控制, 確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài), 進(jìn)而促進(jìn)風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí), 將功率晶體管型變流器應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)中, 可通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行有效控制, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有效控制。此外, 在風(fēng)電系統(tǒng)中使用功率晶體管型變流器還存在一些不足之處: 由于電力電子器件的非線性特性導(dǎo)致其難以控制; 若變頻器產(chǎn)生故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定[6-7]。因此,為保證風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行, 應(yīng)積極探索新的變流器設(shè)備。

2.3 電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備

電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要基礎(chǔ), 對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。因此, 為保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn), 應(yīng)有效利用電力電子技術(shù), 對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行有效應(yīng)用。在電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備中應(yīng)用電力電子技術(shù), 能使風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)得到有效監(jiān)控。為保障風(fēng)電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),需對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控。通過(guò)應(yīng)用電力電子技術(shù), 可有效提高風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行有效控制, 可提高風(fēng)力發(fā)電效率。通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障信息進(jìn)行及時(shí)處理, 可避免故障發(fā)生, 為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供保障。

2.4 變槳控制器

風(fēng)機(jī)變槳控制系統(tǒng)是通過(guò)變槳減速機(jī)驅(qū)動(dòng)變槳軸承轉(zhuǎn)動(dòng), 改變?nèi)~片的翼型攻角來(lái)使得升力變化, 以捕獲希望得到的風(fēng)功率。變槳系統(tǒng)包含輪轂、變槳軸承、變槳減速器、變槳編碼器、變槳控制器、蓄電池等。變槳控制系統(tǒng)內(nèi)部由電力電子部件電源管理模塊PMM、變槳系統(tǒng)控制器PMC 等電子元器件組成, 主要用于將順槳?jiǎng)x車(chē)做為簡(jiǎn)單有效的風(fēng)輪制動(dòng)方式, 啟動(dòng)性能好, 額定功率點(diǎn)之前的輸出功率飽滿, 之后的輸出功率平滑。通過(guò)變槳控制器對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)變槳, 當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)緊急順槳。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí),能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速情況, 自動(dòng)控制槳葉角度, 使風(fēng)機(jī)可利用率達(dá)到最大化, 使風(fēng)電場(chǎng)利用小時(shí)數(shù)達(dá)到最高。

3 風(fēng)力發(fā)電中電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 有功功率分配

在風(fēng)力發(fā)電中, 風(fēng)電機(jī)組的有功功率主要由發(fā)電機(jī)輸出功率決定, 其通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)有功功率的有效分配。在控制過(guò)程中, 需要綜合考慮風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各方面因素, 以滿足風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電需求。電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)有功功率的有效控制, 使風(fēng)電機(jī)組處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。首先, 電力電子技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)有功功率的控制; 其次, 通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)位置的檢測(cè), 可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的控制。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中, 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí), 可通過(guò)電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組有功功率的有效分配。

3.2 定子側(cè)變流器控制

定子側(cè)變流器控制主要是將定子繞組產(chǎn)生的交流電經(jīng)過(guò)整流器后, 成為與電網(wǎng)電壓同頻、同相位的直流電。在風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中, 需要對(duì)定子側(cè)變流器控制進(jìn)行優(yōu)化, 以提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。在定子側(cè)變流器控制過(guò)程中, 需要根據(jù)發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行控制, 并使定子電流始終保持正弦狀態(tài)。在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中, 為了確保定子電流保持正弦狀態(tài), 需要對(duì)其進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。因此, 需要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行有效控制, 以提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.3 直流輸電系統(tǒng)

直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu), 在風(fēng)電場(chǎng)中直流輸電系統(tǒng)主要由換流器、換流站以及換流器控制裝置組成, 在風(fēng)電場(chǎng)中, 為了能夠提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率,需要將多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行串聯(lián), 然后利用直流輸電技術(shù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行。交流輸電技術(shù)和直流輸電技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)中都有應(yīng)用, 交流輸電技術(shù)主要是將交流電壓和電流進(jìn)行放大, 然后將其轉(zhuǎn)換成直流電壓和直流電流, 然后通過(guò)電網(wǎng)將其傳輸?shù)接脩?hù)端; 而直流輸電技術(shù)則是將交流電壓和電流轉(zhuǎn)換成直流電壓和直流電流。通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中交流和直流輸電系統(tǒng)的研究, 能夠了解到風(fēng)電場(chǎng)中采用直流輸電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)發(fā)電, 通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制, 能夠?qū)L(fēng)電機(jī)組輸出的電能輸送到用戶(hù)端, 從而提高了風(fēng)能的利用率。

3.4 風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)

電力電子技術(shù)的應(yīng)用, 使風(fēng)力發(fā)電實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí), 需要對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制, 否則, 就會(huì)影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前, 常用的風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)主要是應(yīng)用在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)。這種電機(jī)在運(yùn)行時(shí), 其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生諧波和諧波含量, 為了確保風(fēng)電機(jī)組能夠正常運(yùn)行, 應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行控制。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方式靈活, 能有效對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。該技術(shù)的應(yīng)用, 能提高電網(wǎng)電壓質(zhì)量, 也能對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行有效控制。根據(jù)不同的風(fēng)力資源, 在控制上也應(yīng)該有所差異: 若風(fēng)力資源比較豐富, 則應(yīng)該使用最大功率跟蹤控制技術(shù); 若風(fēng)力資源比較匱乏, 則應(yīng)該使用恒功率跟蹤控制技術(shù)。同時(shí), 還應(yīng)該對(duì)功率反饋進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,這樣才能使風(fēng)力發(fā)電的效率得到有效提升。

表2 風(fēng)力發(fā)電中電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)電力電子技術(shù), 可將風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 有效解決傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中存在的問(wèn)題?；诖? 文章從電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的重要性、電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的具體應(yīng)用等方面展開(kāi)分析, 從理論層面分析了電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì), 并對(duì)其在風(fēng)力發(fā)電中的具體應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。新能源時(shí)代背景下,應(yīng)積極探索和研究電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用, 促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展, 提升我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。