風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中電力電子技術(shù)應(yīng)用

羅永強(qiáng)

摘 要：風(fēng)力發(fā)電作為典型的清潔可再生能源發(fā)電方式之一，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期以來(lái)的發(fā)展其技術(shù)逐步走向成熟，風(fēng)力發(fā)電具有成本低、對(duì)環(huán)境影響較小的特點(diǎn)，因此具有極大的開發(fā)價(jià)值，在推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展等方面都發(fā)揮著十分重要的作用。電力電子技術(shù)目前的應(yīng)用十分廣泛，通過(guò)電力電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)非電能和電能之間的轉(zhuǎn)換，因此對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用展開研究具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī);電力電子技術(shù);應(yīng)用

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中，要想提高電能的質(zhì)量以及保證電力輸送的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中的設(shè)備有著較高的要求，而電力電子技術(shù)相對(duì)于其他傳統(tǒng)技術(shù)具備較多優(yōu)勢(shì)，能夠有效解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中存在的一些問(wèn)題。

1 電力電子技術(shù)概述

電力電子技術(shù)主要是對(duì)電力領(lǐng)域中一系列電子技術(shù)的總稱，具體來(lái)說(shuō)即是一種能夠通過(guò)電力電子器件實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和操控的現(xiàn)代技術(shù)，電路、裝置及其他相關(guān)器件是電力電子技術(shù)的核心部分，其中，電路的理論基礎(chǔ)來(lái)源于電子學(xué)，半導(dǎo)體是電力電子器件的最根本材料。

電力電子技術(shù)誕生的標(biāo)志是1957年美國(guó)通用電氣公司研制出的首個(gè)晶閘管問(wèn)世。電力電子技術(shù)的基本功能囊括了整流、逆流、斬波、變頻、變相等。電力電子技術(shù)之所以能夠得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)槠淠軌驖M足不同用電裝置的不同續(xù)期，利用電網(wǎng)的工頻電能，電力電子技術(shù)能夠轉(zhuǎn)換出不同性質(zhì)和用途的電能。電力電子技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了人們對(duì)電能利用方式和利用觀念的轉(zhuǎn)變，甚至可以說(shuō)，電力電子技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。

2 風(fēng)機(jī)發(fā)電集中電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 IGBT器件

IGBT即絕緣柵雙極型晶體管，IGBT主要由三個(gè)電極構(gòu)成，包括了集電極、發(fā)射極和柵極，IGBT屬場(chǎng)控器件，是一種由柵極電壓UGE控制集電極電流的柵控自關(guān)斷器件。IGBT器件的具體工作原理是，當(dāng)UGE>開啟電壓UGE（th）時(shí)，IGBT導(dǎo)通，通過(guò)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)來(lái)使得通態(tài)壓降小，IGBT關(guān)斷的原理是當(dāng)柵射極間施加反壓或者不加信號(hào)時(shí)，IGBT關(guān)斷。

在風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中，IGBT是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵钠骷?，IGBT的應(yīng)用關(guān)鍵在于對(duì)系統(tǒng)功率的控制。IGBT的作用主要體現(xiàn)在兩方面，一方面是利用IGBT能夠有效切斷電流;另一方面是可以通過(guò)PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)源逆變，通過(guò)直流輸電把電力輸送給無(wú)交流電源的相關(guān)負(fù)荷點(diǎn)。但由于在風(fēng)力風(fēng)電的過(guò)程中，風(fēng)速并不會(huì)一直維持在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，因此很難實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT模塊溫度的穩(wěn)定調(diào)控，無(wú)論是溫度過(guò)高還是溫度過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致芯片和銅底片、銅底片和基板在焊接時(shí)承受較高的周期性負(fù)荷。

面對(duì)IGBT在實(shí)際應(yīng)用中存在的這一現(xiàn)象，IGBT之中的SPWN逆變器得到了廣泛應(yīng)用，其工作原理是通過(guò)對(duì)開關(guān)波形的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制，此外，通過(guò)對(duì)初始角度調(diào)節(jié)，能夠使得逆變器將功率因素轉(zhuǎn)換為1，以這種形式來(lái)完成對(duì)電網(wǎng)能源的輸送，能夠?qū)ο到y(tǒng)功率起到優(yōu)化作用。

2.2 交直交變頻器

風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)顯著特征是便利恒頻，具體是指通過(guò)對(duì)變頻裝置合理高效的利用來(lái)促使其向電能的轉(zhuǎn)化，并且能夠完成和電網(wǎng)之間的能量傳遞。然而在實(shí)際的應(yīng)用中，會(huì)出現(xiàn)側(cè)功率低、電壓諧波較多的問(wèn)題，為了提高交直交變頻器的應(yīng)用效果，應(yīng)該優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙向交流，尤其是應(yīng)該更加科學(xué)地運(yùn)用無(wú)刷雙饋電機(jī)和變速恒頻系統(tǒng)。此外，如果在海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電系統(tǒng)之中，還能夠通過(guò)電力電子變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功控制的穩(wěn)定維持，進(jìn)而保證在最低的機(jī)械應(yīng)力和噪音條件下得到最高的風(fēng)能。

2.3 矩陣變換器

矩陣變換器是電力電子技術(shù)中擁有十分廣泛應(yīng)用空間的器件，通過(guò)矩陣變換器能夠促進(jìn)交流電中相關(guān)參數(shù)的合理轉(zhuǎn)換，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中相關(guān)電壓和調(diào)節(jié)頻率的科學(xué)控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻恒頻的有效控制，最大化地捕獲到風(fēng)能。

3 電力電子技術(shù)在風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行改造

在傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中，主動(dòng)失速或失速風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)行方式，但這種運(yùn)行方式存在著輸出功率的穩(wěn)定性和可靠性較差的問(wèn)題，而電力電子技術(shù)的應(yīng)用則實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化。比如，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用，該系統(tǒng)中的變速恒頻變槳距調(diào)節(jié)能夠在雙饋感應(yīng)電機(jī)被配置在內(nèi)部的情況下，提高整體的輸電質(zhì)量，同時(shí)降低能耗。

3.2 對(duì)儲(chǔ)能的優(yōu)化

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，如何解決風(fēng)向和風(fēng)速的不穩(wěn)定性，是提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率的重要課題，面對(duì)這一問(wèn)題，可以通過(guò)強(qiáng)化對(duì)風(fēng)能有效存儲(chǔ)的方式來(lái)提高發(fā)電和供電的穩(wěn)定性。目前較為通用的儲(chǔ)能方式是使用蓄電池，蓄電池的優(yōu)勢(shì)在于能夠較快地進(jìn)行儲(chǔ)能，且蓄電池的安裝過(guò)程也較為簡(jiǎn)單。此外，通過(guò)超導(dǎo)線圈也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)能的儲(chǔ)存，但就現(xiàn)有技術(shù)條件而言，該技術(shù)尚且不夠成熟，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用。

3.3 風(fēng)力發(fā)電濾波和補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用

風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)閃變、電源波動(dòng)和配電網(wǎng)絡(luò)諧波的問(wèn)題，為了盡可能避免這些問(wèn)題對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的干擾，就需要進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償和濾波處理。現(xiàn)階段最常用的兩種濾波補(bǔ)償技術(shù)分別是有源電力濾波器和靜止無(wú)功補(bǔ)償器，其中，有源電力濾波器的核心工作原理是通過(guò)電力電子器件中的相關(guān)可關(guān)斷組件，按照坐標(biāo)變換的原理實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)無(wú)功的有效控制，最終達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。而靜止無(wú)功補(bǔ)償器是當(dāng)下一種較為先進(jìn)的技術(shù)，利用該技術(shù)能夠改善明顯的電壓波動(dòng)，推動(dòng)電能整體質(zhì)量的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電是具有廣闊開發(fā)前景的新能源發(fā)電方式之一，而不斷發(fā)展成熟的電力電子技術(shù)在風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用，能夠提高風(fēng)力發(fā)電的效率，保證電力變化的質(zhì)量，甚至在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電成本的控制，因此必須積極開展對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中電力電子技術(shù)應(yīng)用的探討，提高應(yīng)用的質(zhì)量和水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚丙義.一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組冷卻風(fēng)機(jī)隔振器的選型設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2019，（13）：185-187.

[2]李先法.探究風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)和控制技術(shù)[J].大科技，2016，（18）：42.