風力發電中電力電子技術的應用

趙星皓

【摘要】風力發電屬于新能源，并且開發潛力巨大，商業化價值高，與此相對的開發條件也比其他新能源要好，因而風力發電受到了國家和社會各方的重點關注。風力發電漸漸得到大范圍推廣，隨著需求的擴大，社會對風力發電的效率及質量等方面的要求也比以前高了許多。目前，在已知的實現手段中，電力電子技術是最有效的。接下來，本文將以風力發電中電力電子技術的應用為中心點展開闡述。

【關鍵詞】風力發電 電力電子技術

引言

隨著能源短缺的危機越來越嚴重，環境污染問題也日益惡化，我國加快了開發、利用新能源的進程。在名目眾多的新能源中，風力發電是最被看好的一種，由于它開發條件好，又具有很廣闊的開發價值，因而備受關注。在風力發電中應用電力電子技術，可以大大改善風電機組的運行情況，這種技術將會在未來發揮更大的作用。

一、我國風力發電的現狀及應用電力電子技術的優點

從總體情況來說，我國的風里發電產業還是處在高度發展的狀態的。我國的風里發電從誕生至今，也已有五六十個年頭了，在產生之初，風力發電的規模還是比較小的，后面由于各種原因而陷入了停滯狀態。后來，資源危機的發生，客觀上推動了我國對風力發電的研究，在這一方面，國家也給予了大力支持，但是此時的發電規模仍然不夠大。進入21世紀后，情況得到了很大改善，風力發電的規模不斷擴大。資源短缺是世界性的，這一狀態的延續會讓風力發電受到更多的關注。隨著現代電力電子技術、現代變頻調速技術的不斷發展，它們也將更加廣泛地應用在風力發電中。通過對電力電子技術的運用，風電機組的運行特性可以得到改善，通過相關控制，風電系統內的頻率會更加穩定，電壓也將得到更好地控制。此外，對于較大型的風電場來說，風力發電的成本也可以得到有效降低。

二、電力電子技術在風力發電中的應用

風力發電是目前除水力發電之外的技術比較成熟、利用價值比較高的發電方式。風能本身并無法儲存能源，在這一點上，電力電子技術起到了關鍵作用，它將風能順利轉發為電能，再進一步輸送到電網中。現實中，應用在風力發電系統中的電力電子技術主要是變速、恒速恒頻發電以及風電并網技術。

1、風電并網技術。將風電進行并網運行，是目前比較可靠，也比較穩定可行的一種方法，因此風電進行并網運行的方法被越來越多的風電場接受，已經成為一種趨勢。這種技術其實離不開電力電子技術，風電場可以選擇與電網之間相連，也可以選擇通過電子變換器來與電網進行連接。若選擇直接與電網相連接，為了防止連接過程中較大沖擊電流的出現，風電場往往會配置軟并網裝置。在風力發電機的選擇上，目前通常采用變速同步發電機或是變速雙饋異步發電機。由于這些設備自身的特點以及接入時的技術要求，電力電子技術成為不可或缺的因素。

2、恒速恒頻發電和變速恒頻發電。在整個風力發電的過程中，發電機是至關重要的一部分；而在能量轉化的過程中，發電機又處在核心環節。按照發電機運行但方式的不同，風力發電系統可以劃分為恒速、變速恒頻風力發電系統。若采用的是并聯的電路連接方式，則風力發電機的發出頻率必須要保持穩定。

1、恒速恒頻風力發電系統。在這種系統下，風電場一般會采用普通異步發電機，這種機組在國外有一個通用的名字----丹麥概念機組。這種機組的特性就是它在運行時，若達到某種狀態，則會呈現轉差率為負值的現象。當處在發電機狀態，電機的轉差率變動將保持在一個很小的范圍。當風速開始變化時，這時發電機的轉速基本上是不會變化的，這也是該機組的名稱由來。這種機組極少采用變化器（主要由電子電力器件構成），除了上述特點外，該機組還有其他一些特點：首先，它的系統結構是一種比較簡單的結構，能夠很好地適合野外環境；其次，機組在工作時無法控制電壓，不利于系統穩定，一旦發生故障也不易修復；另外，由于機組的工作特性，對于零部件的堅固性要求較高。

2、變速恒頻風力發電系統。這種發電系統可以使機組在保持高轉速的情況下依舊穩定運行，這種工作原理也逐漸成為一種流行趨勢。這種機組主要有以下幾個特點：首先，由于它采用的是電力電子變頻器，因此它的結構要比其他機組復雜；其次，通過追蹤最大功率，該機組可以保存高速、穩定的運轉，因此發電效率很高；另外，風輪機的緩沖作用使得機組的輸出功率不會有太大的變化；還有，風輪機的轉速可以很好地適應風速變化，因而巧妙地減少了脈沖幅度和機械應力，這樣一來，機械的強度要求也就變低了；最后，通過實施一定的控制策略，可以更好地保障電網的安全。

3、兩種變速恒頻發電系統。變速恒頻系統又可以細分為同步與異步的風力發電機系統。同步發電機系統由電勵磁、永磁同步發電機系統構成；異步發電機系統則主要是指繞線轉子異步發電機。同步風力發電系統的特征主要有以下幾點：首先，所有被發出的電動率都需經過變換器，因而對變換器的要求很高，投資多、損耗大；其次，可以使用永磁發電機。永磁發電機以永久磁鐵替代了轉子勵磁，結構簡單的同時也比較堅固，因此這種電機比較輕便，發電效率也較高，可以直接驅動，直接省去了變速箱這個部件，不僅簡化了步驟，提高了效率，還大大節約了成本；最后，對于轉換器為單象限的，該發電系統結構簡單。該系統中的定子繞組會直接連接電網，它能夠有效地調節電流頻率，將流經變頻器的電流頻率控制在轉差功率的范圍，因此這種系統也就擁有了在同類發電系統中最高的發電效率，不得不說這一點是其他傳動系統所不能比擬的。

結語

前文介紹了許多風力發電技術以及發電系統，但也只是簡單闡述，真正具體而深入的知識并未被筆者完全呈現。綜上可見，電力電子技術在風力發電中起著關鍵作用，會直接影響到風力發電將來的發展道路，若應用得當，將大大節約風力發電的成本，為新能源市場貢獻更大的力量。

參考文獻：

[1]張興，楊耕.風力發電中的電力電子與系統技術專輯特邀主編評述[J].電力電子技術.2014（08）

[2]王琦，陳小虎，吳正偉.電力電子技術在風力發電中的應用綜述[J].南京師范大學學報（工程技術版）.2015（04）

[3]王孝洪，楊金明，吳捷.變速恒頻風力發電系統中的電力電子技術[J].電機與控制應用.2009（11）