电力电子技术在大型风力发电机领域的应用分析

张细先

摘要：在全球应对气候变化背景下，可再生能源在各国制定的减缓目标中将起到越来越重要的作用。面对能源短缺的局面，走能源可持续发展道路成为历史的必然，风能作为最有开发利用前景和技术最成熟的一种新型可再生能源，在解决全球气候变暖的问题、促进低碳产业经济发展、提高国家能源安全等方面具有重要的战略意义。在我国，风力发电有效减缓了我国煤电能源不足的状况，能够有效弥补可能出现的能源供应缺口。由于科技的进步和发展以及人们对电能需求量的增加，现阶段我国电力电子技术在风力发电领域得到了广泛的应用，保证电力系统能够安全、有效的运转起来，不断满足人们对电能的使用需求。

关键词：电力电子;技术;风力发电机;应用

1 风力发电机概述

风力发电机的运行原理就是将风能转化为机械能，然后机械能会带动风力发电机的转子旋转，从而得到电能。风力发电机类型有很多，可以分为异步型、同步型、水平轴型以及垂直型四个类型。

2电力电子器件在风力发电领域中的应用介绍

2.1 IGBT

作为风力发电中最为重要的功率器件之一，IGBC 的电压源流器具备着关断电流的主要作用，通过采用PWM技术来实现无源逆变，这对于直流输电向无交流电源的负荷点送电具有重要作用，但是由于风力发电过程中风速并不稳定，因此在风力发电的过程中 IGBT 模块的温度始终无法得到一个统一的调控，过高或过低的温度都会导致芯片与铜底片之间或者铜底片与基板之间焊接部分所承受的周期性负荷过高。

针对这些问题，目前大力推广IGBC的“H”型 SPWM 逆变器应用于风力发电中，其原理是通过控制其开关波形，对输出的电流进行控制，并且改变初始角度来促使逆变器以功率因素为一的方式对电网输送能源，这对于畸变因素有着良好的改进作用。

2.2 交直交变频器

变频装置系统主要作用在于变频恒频风力发电系统中起到一个能量传递的作用，其中交直交变频器能有有效克制交变频器的输出电压谐波多问题，针对输入测功率因数低以及功率元件数量过多等问题，起到一个控制策略的实现作用，其主要适用于变速恒频双馈电机风力发电系统以及无刷双馈电机风力发电系统。并且在海上风电场采用电力电子变频器还可以针对有功与无功的控制实现一个稳定维持，使其以最低的机械应力与噪音获取最高的风能。

2.3 矩阵变换器

矩阵变换器一直是电力电子技术研究的热门之一，在整个风力发电系统中有着较为开阔的发展前景，并且作为新型的交电源编花器，其对于交流电主参数的变换可以实现系统发方面的多角度实现，并且相对于风力发电系统中以往的变换器，其功能更加强大，可以通过调节输出频率，电流以及电压等对变速恒频实现控制，并且可以最大化的实现风能捕获，与有功功率与无功功率的解耦控制。

3 电力电子技术在风力发电中的应用研究

3.1风电并网技术应用

风电并网技术具备着良好的稳定性与可靠性，是目前电子电力技术在风力发电研究中主趋势之一，风电并网的运行与电力电子应用技术的研究有着十分紧密的联系，主要有以下两种方式：方式一，直接与电网相连;方式二，借助电力电子器件所组成的变换器实现与电网相连。首先，直接与电网相连接，可以在消耗与克制异步发电机并网瞬间所产生的强大冲击流，在配有软并网装置的发电装置上，通过在异步发电机定子与电网之间所嵌入的双向晶闸管，实现并网后由一个接触器来操作动合触头实现短接。目前我国采用最多的就是变速双馈异步发电机与变速同步发电机进行风力发电研究，由于其结构特征与技术要求都十分高，势必需要电力电子技术的支撑与改进。

3.2变速恒频发电系统在风力发电中的应用

风力发电最大劣势就是不稳定，其稳定效果较差，目前我国风电并网较为常用的是异步店里发电机组运行模式，该运行模式主要應用的是风电并网技术，而风电并网技术最大的劣势就是不稳定性，并且不易被控制，因此风力变化属于自然因素，其自然因素具有不可抗力，风速与风向都无法实现人为控制，即使在未来科学技术发展到一定程度风速与风向可以实现人为操作，但是成本也会务必巨大，因此，在短时间内要想即采用风力发电还要改善这一不稳定因素所导致的种种问题，那么采用变速恒频发电系统这一技术就十分重要，即使在风速与风力都不可逆的时候，风力与风速发生了巨大的变化，采用这一技术也可以稳定输出功率的频率，减少不必要的损失。

但是就目前的研究技术而言，还存在很多难题亟待攻克，像是并网问题以及风机控制等方面的系统操作都对风力发电的未来发展有着一定的阻碍，要想更进一步的实现风力发电的最大值效益化，那么采用更加先进的电力电子技术与风力发电系统的融合十分重要。

4 并网风力发电技术的发展趋势

由于国际上对新能源的开发和利用广泛关注，以及随着经济的发展，对能源需求量也在不断上升，风力发电技术受到了广泛关注，目前并网风力发电技术呈现的发展趋势如下所述。

4.1海上风电场技术

众所周知，海上风力资源比起内陆风力资源较为丰富，具有稳定的主导风向，且风电技术受环境的影响较小，能够有效促进海上风电发展，但不可避免存在的一些技术性难题还有待解决，如风电系统保护和维保技术、海上风电场运输技术以及海上风电场的协调控制技术等，若能够得到有效解决，对并网型风力发电技术的稳定发展具有重要意义。

4.2 并网技术和最大风能捕获技术的研究

针对并网型风力发电系统的研究，重点应当放在并网技术后发电的转速控制能否达到最优，为进一步提高风电系统的可靠性，要不断对并网开关的闭合进行有效调控。实现最大风能捕获主要依赖于不断调节发电机扭转功率和桨距来实现的，能够有效促进风电风电并网技术的快速发展。

4.3 大容量风电系统的研发

针对能源需求量的逐渐增加，兆瓦级大容量机组已成为发展趋势，能够有效提高发电设备的利用率，有效减少资源浪费，实现风电产业的经济利益最大化。但目前针对大容量机组的研究存在许多困难，容量的增加，意味着要对风力发电机设备、材料以及相应的控制技术提出改进，加大了工作难度。现阶段直驱式永磁风力发电机和多极永磁发电机的设计时目前作为参考的主要对象，对未来大容量机组的设计提供了重要指导。

5 电力电子技术在风力发电中的应用展望

首先风力发电的发展一直备受全球关注，并且作为全球可循环清洁环保资源其技术研究也在不断加强，而要想风力发电发挥更大的效益与作用，那么结合现代科学的电力电子技术势在必行，首先要解决目前所存在的问题，例如并网过程中由于风速与风力不稳定所导致的电流过大对发电装置造成的磨损问题等，针对这些问题制作有效的应急方案跟处置方案，其次，风电机组如何实现固定风速运转也是一直在攻克的难题之一，采用永磁多极同步发电机组所产生的交流电通过整流器转变为直流电，虽然经过一定的技术改造进入了电网，减少了并网过程中的大量电流冲击，但是系统稳定性还需要进一步加强。如何进一步提高我国电力电子技术在风电发电系统中的应用还有很长的一段路要走。

结语：本文主要针对风力发电中的主要电力电子器件进行一个简单的介绍，随后针对电力电子技术在风力发电领域中的应用进行分析，本文还存在许多不足之处以及有待于进一步提高之处，还需要更多的技术支持。目前，风力发电系统中的控制算法已经大量应用于风力发电电力技术当中，其变桨距控制以及最优功率控制策略等已经逐渐成为目前电力电子技术的研究主方向之一。

参考文献

[1]双馈风力发电机组柔性并网及低电压穿越技术研究[D].重庆理工大学，2018.

[2]佚名.大功率电力电子技术在我国直流输配电领域的应用[J].智慧电力，2017（8）.

[3]焦蔚然.浅述电力电子技术在电力系统中的应用[J].中国新通信，2018，20（10）：218.