基于新能源时代探讨电力电子技术在风力发电中的实践

基于新能源时代探讨电力电子技术在风力发电中的实践

周华

（大唐包头亚能电力有限公司，内蒙古 包头 014200）

摘要：伴随着全球经济的快速发展和人们生活方式的变化，现代人电力需求愈发多元化，且这一需求呈上升趋势。同时，全球能源危机和环境污染问题愈发严重，节能环保新能源越来越重要。在全球进入新能源时代、发电模式转型的大背景下，风力发电表现出资源可再生、商业开发价值较大、技术相对成熟等应用特点，因此受到人们的普遍关注和高度重视。电子电力技术则在风力发电中发挥着重要作用。因此，加强电子电力技术在风力发电中的实践研究具有重要的战略意义，可以为风力发电系统提供强有力的技术支持，促进风力、电力资源的相互转换。

关键词：新能源时代；电力电子技术；风力发电；实践

引言：在新能源时代，风能已经成为人们重点开发应用的新能源，在满足现代人民电力需求、推动国家经济建设、改善自然环境等多方面都发挥着积极作用。电力电子技术在风能电力系统的建设和发展中起着支持和保障作用。电力电子技术的应用，则进一步提高了风力发电系统的可靠性，为风力发电系统带来了技术性飞跃，使电网更加自适应、响应和持久。

一、电力电子技术

电力电子技术是指通过电力电子设备变换和控制电能的技术，是一个综合概念，涵盖了多项电子技术。这一技术的关键材料是半导体材料。电力电子系统由电路、装置和相关器件构成， 在我国发电领域得到了广泛应用，推动了电力事业的改革进步。近年来，风力发电成为一项重点开发建设的发电技术，电力电子技术在风力发电系统中也有重要作用。这一技术在风力发电中的实践应用，成为电力领域的重点研究课题。

在新能源时代，电力电子技术的主要种类有逆变技术、无刷直流电机技术、可控硅技术、晶闸管技术等等。逆变技术是一种通过调整电压使电能转化为其他能量、并将能量有效传输到电力系统中的技术。在风力发电领域，逆变技术主要有两种，一是使用SPWM技术的逆变技术，二是采用PWM技术的逆变技术。无刷直流电机技术需要应用电机和控制器。这一技术具备结构稳定、运行效率高、设备简单、控制便利等应用优势。无刷直流电机分为永磁式和电子式两种，前者运行效率比后者低，而且在运行时消耗能量较多，后者主要应用电子传感技术，不管是运行效率、运行过程稳定性还是能量损耗都有优越表现，因此在风力发电系统中的应用前景十分广阔，在风力发电的发电机中得到重点应用。可控硅技术则是一种通过晶闸管管理风力发电机组，提高发电机稳定性和安全性、控制风力机输出功率的技术，可以有效降低谐波对发电机系统的影响。晶闸管技术可以控制风力发电机组的电流和电压，保障机组正常运行以及保护风力发电机组。在实际应用模式中，往往需要应用多个晶闸管模块，配合电动机和变频器，既要调控电动机转速，还要确保电动机能够正转和反转。

二、风力发电

风力发电是一种利用风力带动风车叶片旋转，通过增速设备提高叶片旋转速度，带动发动机发电的一项发电技术。风力发电模式和风能具有不可取代的应用优势。风能是一种广泛存在于陆地和近海的能源，在我国也有大量的风能资源，尤其在浙江、广东、内蒙古、新疆等地，风能资源较为丰富，开发潜力巨大。风能最典型的优势是取之不尽和用之不竭，只要全球存在压差和空气流动，就会持续产生风能。与传统能源相比，风能洁净环保，因为它是在空气对流压差下产生的，所以没有直接污染和次生污染问题。此外，风力发电设备相对简单，整个发电过程的能源消耗较少，资金消耗相对较低。

在我国，风力发电这种能源利用方式呈现出良好的发展态势，且部分风力发电技术在世界上处于领先地位。风能已经成为许多地区电能资源获取的重要手段，风力发电在我国能源结构调整、自然环境保护、节能减排工作中表现优越。第一，党和政府给予了高度重视，出台了一系列利好政策，为这一发电技术的创新发展提供了良好的政治环境。第二，我国风力发电产业持续升级，风力发电企业对相关技术的应用研究不断深入，对风力发电核心技术的掌握程度越来越高。第三，我国风电场运营管理水平持续提升，这对风力发电效率产生了重要影响。各种尖端电子电力技术和相关设备的引入，使风电厂的管理效率和精准度得到了有效提升。

三、风力发电系统中的电力电子器件

（一）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

IGBT是风力发电系统中重要功率器件，是一种合成器件。这一器件的主要功能是借助电压源换流器对电流进行有效切断，以及定位无交流电源的负荷点，利用直流输电方式送电。在风力发电系统中风速无法控制，因此风向和风力稳定性都会出现变化，这可能导致IGBT器件温度异常问题，而无论是温度过高或过低，都有可能导致器件内部周期性负荷过高，影响风力发电效率。为解决这一问题，可以将“H”型 SPWM 逆变器应用于风力发电系统中，通过控制开关波形来控制输出电流，改进畸变因素。此外，可以通过改善风力发电系统的功率因数来调整电力输出模式，保障电力输出系统稳定性。

（二）交直交变频器

交直交变频器主要应用在变速恒频风力发电系统中，这一器件可以通过频率变化传递电网能量，有效完成导体内电流的双向移动。此外，这一期间还可以应用到无刷双馈电机风力发电系统中。交直交变频器与传统交变频器不同，通过技术改造解决了交变频器功率元件应用量较大、输入功率因数较低等问题。在现阶段，交直交变频器应用在各种临海区域的大型风电厂中，通过控制风电机组，使其可以智能变速，有效提高风能的利用效率和风力发电系统的稳定性，还能降低机组和发电设备的机械噪音。

（三）矩阵式变换器（MC）

矩阵式变换器是一种新型交电源变换器，具有良好的应用前景，可以在运行过程中产生稳定的输入电流波形和输出电压波形，实现交流电相位、幅值等多种参数的变换和调控。这一器件可以有效捕获风能，最大化的实现有功功率与无功功率的解耦控制，提高整个风力发电系统的效率。

四、风力发电中电力电子技术的具体应用

（一）风力发电系统的改造

伴随着电力电子技术的快速发展和这一技术在风力发电系统中的实践应用，风力发电系统的发电机得到了更新优化。过去发电机的核心运行方式是主动失速和失速，这一方式导致发电系统的输出功率不稳定和效率低，因此，随着相关应用研究的不断深入，这一方式逐渐退出了风力发电系统的应用行列。电力电子技术和风力发电系统的有效结合，产生了变速恒频风力发电系统，可以提高整体输电质量和降低能源损耗。其中所运用的变速恒频变桨距调节系统包含了电力电子变换器和多级同步电机，进行变相变速调节时不再需要变速箱，整个发电机系统更加高效。

（二）风力发电系统储能的改造

风力发电虽然具备能源损耗低、节能环保无污染、产业发展前景广阔等显著优势，但也存在着重要问题，就是风速和风向受自然条件影响较大，不够稳定。电能使用和风能提供之间可能存在矛盾。在电能消耗较多的时间段，需要大范围的提升风能供应，促进风电转换，但是该时间段不一定有足够风量。因此，需要通过一定技术，将风量较大时产生的风能储存下来，提高发电系统的稳定性和利用效率。目前风力发电行业应用的储电系统有蓄电池、超导线圈等方式，前者便于安装，储能效率较快，后者虽然不够成熟，但是储能效率较高，也成了重点发展的一项技术。此外，不间断电源方式也成了一项重点考虑的技术。不间断电源方式需要应用组合脉宽调制技术、绝缘栅双极型晶体管等电力电子器件。这项技术的优势在于系统断电条件下持续提供稳定电力，尤其是针对那些地处偏远地带、严重依赖风力发电系统的区域，这一储能方式将会发挥极其重要的作用。

（三）风力发电滤波、补偿的应用

在风力发电系统机组运行过程中，容易产生配电网络谐波污染，以及出现电源波动、闪电等现象。为了有效处理上述问题需要进行滤波和补偿处理。目前来看，在风力发电系统中广泛应用的滤波补偿技术有两种，一是静止无功补偿器（SVF），二是有源电力滤波器 （APF）。静止无功补偿器主要是应用自身器件所具备的高频开关来进行补偿，主要适用于中高压的电力系统中。其显著优势是可以快速跟踪系统负荷变化情况，解决电压波动问题，既能保障系统稳定，还能提高电能质量。有源电力滤波器是借助自身器件中的可关断设备完成无功控制，补偿电流电压，这一技术会改变复合所需的电源方式，对电力进行控制。APF技术可以快速响应，补偿效率较高。

（四）风力发电输电的应用

就风力发电系统的应用现状来看，许多风力发电机组的位置处在偏远地区。风力发电资源要想得到有效利用，需要发电机组、调度中心和用户之间进行有效协调配合，但是这三者之间的电力传输存在一定问题。目前，风力发电系统的主要输电方式是交流输送，可以满足当下的输电需要，但是依然存在诸多不足，因此风力发电行业加强了高压直流输电技术的研发，希望优化发电机组、调度中心和用户之间的输电结构，降低输电系统对外在环境的要求，提高发电产量与成本投入的性价比。与交流输送方式相比，高压直流输电技术所应用的电力电子技术更多更广。例如，T 晶体管和 GTO 可关断晶闸管在这一新型模式中发挥着重要作用，可以有效控制风力发电系统。PWM 电子技术提高了风力发电质量，并且促进了风力发电系统的普及推广。HVDC Light 轻型直流输电技术可以提高交流网络与主力网络的同步性，减少风险事故发生概率。FACTS技术提高了电力系统的灵活性，还结合了现代控制技术，可以有效调控灵活交流输电系统的各项参数，保证输电系统稳定性。

五、结束语

在新能源时代，大力开发风能和建设风力发电系统已经成为世界共识。作为风力发电系统中的核心技术，电力电子技术在优化能源结构、保护生态环境和提供安全保障等多方面都有优越表现。电力电子技术的应用情况直接决定着风力发电系统的建设质量，影响整个系统的发电风力发电效率，因此，电力电子技术在风力发电领域的应用研究迫在眉睫。随着电力电子技术的发展创新，未来的风力发电系统将会更加高效、环保和智能。

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作者简介：周华（1996.05-），男，汉，山西大同，本科，学士，助理工程师，主要研究方向：风力发电。