電力電子技術(shù)在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用分析

張細(xì)先

摘要：在全球應(yīng)對(duì)氣候變化背景下，可再生能源在各國制定的減緩目標(biāo)中將起到越來越重要的作用。面對(duì)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(fēng)能作為最有開發(fā)利用前景和技術(shù)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(jìn)低碳產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)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(fēng)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(bǔ)可能出現(xiàn)的能源供應(yīng)缺口。由于科技的進(jìn)步和發(fā)展以及人們對(duì)電能需求量的增加，現(xiàn)階段我國電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，保證電力系統(tǒng)能夠安全、有效的運(yùn)轉(zhuǎn)起來，不斷滿足人們對(duì)電能的使用需求。

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

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后機(jī)械能會(huì)帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而得到電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(gè)類型。

2電力電子器件在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用介紹

2.1 IGBT

作為風(fēng)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(guān)斷電流的主要作用，通過采用PWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無源逆變，這對(duì)于直流輸電向無交流電源的負(fù)荷點(diǎn)送電具有重要作用，但是由于風(fēng)力發(fā)電過程中風(fēng)速并不穩(wěn)定，因此在風(fēng)力發(fā)電的過程中 IGBT 模塊的溫度始終無法得到一個(gè)統(tǒng)一的調(diào)控，過高或過低的溫度都會(huì)導(dǎo)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(fù)荷過高。

針對(duì)這些問題，目前大力推廣IGBC的“H”型 SPWM 逆變器應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中，其原理是通過控制其開關(guān)波形，對(duì)輸出的電流進(jìn)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(duì)電網(wǎng)輸送能源，這對(duì)于畸變因素有著良好的改進(jìn)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中起到一個(gè)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(duì)輸入測(cè)功率因數(shù)低以及功率元件數(shù)量過多等問題，起到一個(gè)控制策略的實(shí)現(xiàn)作用，其主要適用于變速恒頻雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及無刷雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。并且在海上風(fēng)電場(chǎng)采用電力電子變頻器還可以針對(duì)有功與無功的控制實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定維持，使其以最低的機(jī)械應(yīng)力與噪音獲取最高的風(fēng)能。

2.3 矩陣變換器

矩陣變換器一直是電力電子技術(shù)研究的熱門之一，在整個(gè)風(fēng)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(duì)于交流電主參數(shù)的變換可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)方面的多角度實(shí)現(xiàn)，并且相對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中以往的變換器，其功能更加強(qiáng)大，可以通過調(diào)節(jié)輸出頻率，電流以及電壓等對(duì)變速恒頻實(shí)現(xiàn)控制，并且可以最大化的實(shí)現(xiàn)風(fēng)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(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用研究

3.1風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)具備著良好的穩(wěn)定性與可靠性，是目前電子電力技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電研究中主趨勢(shì)之一，風(fēng)電并網(wǎng)的運(yùn)行與電力電子應(yīng)用技術(shù)的研究有著十分緊密的聯(lián)系，主要有以下兩種方式：方式一，直接與電網(wǎng)相連;方式二，借助電力電子器件所組成的變換器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)相連。首先，直接與電網(wǎng)相連接，可以在消耗與克制異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間所產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊流，在配有軟并網(wǎng)裝置的發(fā)電裝置上，通過在異步發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)之間所嵌入的雙向晶閘管，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)后由一個(gè)接觸器來操作動(dòng)合觸頭實(shí)現(xiàn)短接。目前我國采用最多的就是變速雙饋異步發(fā)電機(jī)與變速同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電研究，由于其結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)要求都十分高，勢(shì)必需要電力電子技術(shù)的支撐與改進(jìn)。

3.2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電最大劣勢(shì)就是不穩(wěn)定，其穩(wěn)定效果較差，目前我國風(fēng)電并網(wǎng)較為常用的是異步店里發(fā)電機(jī)組運(yùn)行模式，該運(yùn)行模式主要應(yīng)用的是風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)，而風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)最大的劣勢(shì)就是不穩(wěn)定性，并且不易被控制，因此風(fēng)力變化屬于自然因素，其自然因素具有不可抗力，風(fēng)速與風(fēng)向都無法實(shí)現(xiàn)人為控制，即使在未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定程度風(fēng)速與風(fēng)向可以實(shí)現(xiàn)人為操作，但是成本也會(huì)務(wù)必巨大，因此，在短時(shí)間內(nèi)要想即采用風(fēng)力發(fā)電還要改善這一不穩(wěn)定因素所導(dǎo)致的種種問題，那么采用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)這一技術(shù)就十分重要，即使在風(fēng)速與風(fēng)力都不可逆的時(shí)候，風(fēng)力與風(fēng)速發(fā)生了巨大的變化，采用這一技術(shù)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(shù)而言，還存在很多難題亟待攻克，像是并網(wǎng)問題以及風(fēng)機(jī)控制等方面的系統(tǒng)操作都對(duì)風(fēng)力發(fā)電的未來發(fā)展有著一定的阻礙，要想更進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的最大值效益化，那么采用更加先進(jìn)的電力電子技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的融合十分重要。

4 并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

由于國際上對(duì)新能源的開發(fā)和利用廣泛關(guān)注，以及隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源需求量也在不斷上升，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，目前并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)如下所述。

4.1海上風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)

眾所周知，海上風(fēng)力資源比起內(nèi)陸風(fēng)力資源較為豐富，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，且風(fēng)電技術(shù)受環(huán)境的影響較小，能夠有效促進(jìn)海上風(fēng)電發(fā)展，但不可避免存在的一些技術(shù)性難題還有待解決，如風(fēng)電系統(tǒng)保護(hù)和維保技術(shù)、海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)輸技術(shù)以及海上風(fēng)電場(chǎng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)等，若能夠得到有效解決，對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

4.2 并網(wǎng)技術(shù)和最大風(fēng)能捕獲技術(shù)的研究

針對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究，重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)放在并網(wǎng)技術(shù)后發(fā)電的轉(zhuǎn)速控制能否達(dá)到最優(yōu)，為進(jìn)一步提高風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性，要不斷對(duì)并網(wǎng)開關(guān)的閉合進(jìn)行有效調(diào)控。實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲主要依賴于不斷調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)扭轉(zhuǎn)功率和槳距來實(shí)現(xiàn)的，能夠有效促進(jìn)風(fēng)電風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展。

4.3 大容量風(fēng)電系統(tǒng)的研發(fā)

針對(duì)能源需求量的逐漸增加，兆瓦級(jí)大容量機(jī)組已成為發(fā)展趨勢(shì)，能夠有效提高發(fā)電設(shè)備的利用率，有效減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益最大化。但目前針對(duì)大容量機(jī)組的研究存在許多困難，容量的增加，意味著要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備、材料以及相應(yīng)的控制技術(shù)提出改進(jìn)，加大了工作難度。現(xiàn)階段直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)和多極永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)目前作為參考的主要對(duì)象，對(duì)未來大容量機(jī)組的設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)。

5 電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用展望

首先風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展一直備受全球關(guān)注，并且作為全球可循環(huán)清潔環(huán)保資源其技術(shù)研究也在不斷加強(qiáng)，而要想風(fēng)力發(fā)電發(fā)揮更大的效益與作用，那么結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)的電力電子技術(shù)勢(shì)在必行，首先要解決目前所存在的問題，例如并網(wǎng)過程中由于風(fēng)速與風(fēng)力不穩(wěn)定所導(dǎo)致的電流過大對(duì)發(fā)電裝置造成的磨損問題等，針對(duì)這些問題制作有效的應(yīng)急方案跟處置方案，其次，風(fēng)電機(jī)組如何實(shí)現(xiàn)固定風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)也是一直在攻克的難題之一，采用永磁多極同步發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的交流電通過整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡m然經(jīng)過一定的技術(shù)改造進(jìn)入了電網(wǎng)，減少了并網(wǎng)過程中的大量電流沖擊，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。如何進(jìn)一步提高我國電力電子技術(shù)在風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走。

結(jié)語：本文主要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電中的主要電力電子器件進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，隨后針對(duì)電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行分析，本文還存在許多不足之處以及有待于進(jìn)一步提高之處，還需要更多的技術(shù)支持。目前，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的控制算法已經(jīng)大量應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電電力技術(shù)當(dāng)中，其變槳距控制以及最優(yōu)功率控制策略等已經(jīng)逐漸成為目前電力電子技術(shù)的研究主方向之一。

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