电力电子技术在风力发电系统中的应用分析

杨涛

摘要：现如今随着社会经济的不断发展，环境问题得到了人们的广泛关注，传统模式下采用火力发电技术，因为对周围环境造成污染严重，具有不可再生的特点，难以提高社会效益，不符合可持续发展战略。风力发电具有低碳的特性，具有广阔的应用前景，得到了广泛应用。在风力发电系统中采用电力电子技术有助于改善系统性能，提高系统运行效率，具有极高的应用价值。基于此，本文对电力电子技术在风力发电系统中的应用展开分析。

关键词：风力发电;电力电子;风能控制;储能

风能与其他能源类型存在不同，具有低污染、可再生性等特点，风能的利用与开发有助于缓解能源紧张问题，对于改善缓解污染现状具有重要的意义。因此风力发电系统得到了诸多领域的广泛应用，但是系统对输电、控制等性能具有较高的要求，传统的电子器件无法满足系统运行需求，导致系统整体运行效能不佳。同传统技术相比，电力电子技术具备明显的优势，有助于改善系统性能，提高其运行质量，对于推动风力发电的发展具有重要意义。

1. 电力电子技术概述

电力电子技术是电力行业中一系列电子技术的统称，对其进行具体分析，主要指采用电子相关装置实现对电力系统进行控制的一项先进技术。首个品闸管的成功研发标志该项技术的诞生。对电力电子技术的核心内容进行分析，主要包括电路、装置以及相关器件，其材料主要由半导体构成，理论基础为电子学，电力电子系统主要由电路和相关元器件组成。随着我国工业化进程的加快，电力电子技术得到了诸多领域的广泛应用，尤其是电力行业，对于电力行业的稳定发展发挥了重要的作用。

2. 风力发电系统常用的电力电子器件

2.1 IGBT

IGBT是系统的关键器件，其作用在于控制系统功率，属于功率器件的一种，不但可以有效切断电流，同时可以通过PWM技术实现无源逆变，可以直接通过直流输电将电力输送至无交流电源的主要负荷点。但是因为风力发电系统的稳定性不佳，因此IGBT在实际运行过程中存在一定的波动，导致铜片和基板、铜片与芯片进行焊接的过程中需要承载较大的热量-机械应力。因为IGBT具备这一特性，所以其SPWN逆变器得到了广泛应用。在具体运行阶段，通过开关波形进行有效控制，能够有效提高电力传输的有效性与稳定性。除此之外，能够对初次应用的角度进行改变，将功率因数转化为1，有助于改善系统的功率。

2.2 交直交变频器

风力发电系统的主要特点为便利恒频，通过采用变频装置实现向电能的转化，为电网能量的有效传输提供巨大的便利，但是系统多存在侧功率低、电压谐波较多等问题。所以为了能够为了解决相关问题，需要合理利用交直交变频器，实现对系统的优化和控制，确保交流的双向性，尤其要注重对无刷双馈电机和变速恒频系统的合理应用[1]。

2.3 矩阵变换器

随着对电力电子技术研究的不断深入，矩阵变换器得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。该装置属于电源变换器的一种，十分先进，能够实现交流电相关参数的高效转化。除此之外，将其应用于风力发电系统中，能够提高电压以及调节频率的控制水平，进而达到变频恒频的控制目的，实现对风能的有效控制，具有极高的应用价值。

3. 电力电子技术在风力发电系统中的应用

3.1 在系统改造中的应用

过往风力发电系统在实际运行的过程中，系统发电机的主要运行方式为主动失速或者失速，该模式下的输出功率稳定性不佳，难以满足系统运行要求。随着应用方式的发展和变化，这一方式已经被其他方式取代。近些年来电力电子技术发展迅速，发电机系统也在不断更新与完善，同时其运行方式和原理也得到了一定的优化。其中变速恒频风力发电机系统便是电力电子技术不断发展的产物，采用变速恒频变桨距调节系统，在内部配备双馈感应电机，不但能够有效提高输电质量，同时有助于减少能耗，效果确切[2]。

3.2 在系统储能改造中的应用

目前风力发电系统的主要问题体现在风向、风速的稳定性较。随着风能应用范围的不断提升，难以确保风量。在这一形势下，需要对相关技术进行不断创新和优化，提高风能的储存效果，为发电、供电的稳定性提供保障。目前蓄电池得到了风力发电储能系统的广泛应用，优势明显，具有非常快的储能速率，同时安装操作十分便捷;另外，对系统风能的储存来说，超导线圈储能也是一种高效的储能途径，但是该项技术尚未发展成熟，未得到广泛应用于推广，仍需進一步完善。另外，不间断电源因为在输入电流过程中具备持续供电的特点，符合风力发电系统特点，得到了广泛重视，使用电力电子技术的过程中，不间断电源结构多使用脉宽调制技术、IGBT等器件，具有极高的应用效率，将其应用于偏远的发电站仍然具备良好的应用效果。

3.3 在风力发电输电中的应用

对风力发电系统的发电来说，其动能的主要来源为风力资源，对发电机组进行配置的过程中，多位于偏远区域，因此导致用户、发电机组以及调度中心等存在明显的不足。交流输送是主要输送方式，但是存在诸多问题。未来发展阶段需要积极利用高压直流输电技术，该项技术具备异步联网的特点，结构完善，对于环境具有极强的适应性。其可关断器件主要使用GTO、IGBT等。PWM技术也是一种应用广泛的电力电子技术，能够有效改善直流输电效果，具有非常高的质量。另外，以电力电子技术为基础的轻型直流输电应用于风力发电系统中也具有理想的效果，能够实现海上风电场交流网络和电网的同步运行，具有极强的抗故障性能[3]。未来发展阶段，需要加强对灵活交流输电系统的应用，该系统实现了现代控制技术和电力电子技术的有效融合，能够实现对系统参数、相位角等的有效控制，有助于提高输电能力，强化系统的稳定性。

3.4 在风力发电的滤波、补偿中的应用

风力发电机组位于供电网络末端位置，极易导致谐波干扰配电网，引发闪变、电源波动等故障问题。因此风力发电系统需要加强对滤波及补偿装置的应用，目前常用的技术主要为静止无功补偿器以及有源电力滤波器。

静止同步务工补偿器并未使用容量较大的电容器产生无功功率，主要采用电子器件的高频开关提高无功补偿技术水平，在中高压电力系统的动态无功补偿具有良好的应用效果。同时该项技术能够有效追踪负荷变化情况，进行务工补偿。有助于改善风力发电系统中电压波动较大的情况，提高其稳定性，改善电能质量。将其设置在风电机侧安，能够增加阻尼，提高电压的动态化控制水平[4]。

有源电力滤波器能够通过可关断电子器件，以坐标变换原理中的瞬时无功理论为基础，对补偿对象的电流、电压进行检测，通过电力控制器完全取代系统电源向负荷提供的畸变电流，确保系统能够得到期望电流。该装置具有极快的响应速度，对于电压波动、闪变补偿率的控制效果理想，同时能够高效滤除高次谐波，具有极高的应用价值。

结语

综上所述，风力发电具有良好的发展前景，将电子电力技术应用于风力发电系统中，能够有效提高系统运行效率，改善电能变换质量，降低发电成本，未来发展阶段需要加大的研发力度，充分发挥风力发电系统的作用。

参考文献：

[1] 潘特. 电力电子技术在风力发电中的实践运行探讨[J]. 百科论坛电子杂志，2019（2）：516-517.

[2] 姜传彦，王利军. 关于风力发电与电力电子技术对新能源的开拓探讨[J]. 科学与信息化，2019（1）：89-90.

[3] 李雅倩，茹意，何瑶. 风力发电中电力电子技术的应用[J]. 科技风，2018（17）：202，211.

[4] 张俊莲，杨传燕. 电力电子技术在风力发电中的实践运用探讨[J]. 商品与质量，2018（12）：217.

项目支持：云南省教育厅科学基金项目（2021J1073）