電力電子技術(shù)在風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的應用

孫翠芬　孫磊

摘 要：文章首先介紹了風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)研究的重要性，進而引出電力電子技術(shù)在風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中應用的重要性。其次從電力電子技術(shù)的應用情況、電力電子技術(shù)在風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)具體環(huán)節(jié)中的應用等幾個方面進行了探討分析，最后總結(jié)出電力電子技術(shù)的進一步發(fā)展成為解決我國環(huán)境和能源問題的一項關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：風電；電力電子；并網(wǎng)逆變；控制環(huán)節(jié)

一次能源的日益枯竭，加之人們環(huán)保意識的提高，人們越來越重視可再生資源的開發(fā)利用，因此在風能豐富的地區(qū)出現(xiàn)了大量風力發(fā)電。由于我國風能地區(qū)分布不均衡，出現(xiàn)局部風電過剩的情況，若不合理利用，將出現(xiàn)大量的棄風現(xiàn)象，因此利用風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)讓這些分布式發(fā)電產(chǎn)生的電能合理并網(wǎng)是當前的舉措，是風電利用的一項關(guān)鍵技術(shù)。

風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)是一個以功率半導體器件、電路技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐的技術(shù)平臺[1]。并網(wǎng)逆變技術(shù)屬于變流技術(shù)的范疇，而變流技術(shù)是電力電子技術(shù)的分支之一。風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)是利用發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)換成交流電，經(jīng)過整流轉(zhuǎn)換成直流電，然后經(jīng)逆變轉(zhuǎn)換為標準交流電并入電網(wǎng)等一系列的電能變換過程，因此電力電子技術(shù)在風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中占有極其重要的作用。

1 電力電子技術(shù)的應用情況

電力電子技術(shù)是一門20世紀50年代興起的應用于電力領域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術(shù)，電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率從數(shù)W到GW不等。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，電力電子技術(shù)大大服務了我們的生活，在新能源開發(fā)利用、電能質(zhì)量控制、日常生活等方面發(fā)揮了極其重要的作用，電力電子技術(shù)主要還是用于電力變換。利用電力電子器件實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模電能變換的技術(shù)，有時也稱為功率電子技術(shù)。

據(jù)發(fā)達國家預測，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術(shù)處理后再使用。從工程中電力系統(tǒng)的發(fā)電、變電、輸電和配電等環(huán)節(jié)到日常生活中的直流電源、電路都離不開電力電子技術(shù)，一些新型產(chǎn)品的誕生也離不開電力電子技術(shù)的開發(fā)利用。隨著電力電子技術(shù)及風電技術(shù)的發(fā)展，電力電子設備已進入風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)并為解決電能質(zhì)量控制提供了先進的技術(shù)手段。

2 風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)介紹

由于風能的不確定性，風力發(fā)電機發(fā)出的電能的電壓、頻率也是時刻變化的。為了不對電網(wǎng)造成污染，風電并入電網(wǎng)必須滿足并網(wǎng)條件，以電網(wǎng)電壓同步信號作為系統(tǒng)輸出電流的跟蹤信號，使輸出電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓[2]。為了滿足此并網(wǎng)要求，風力發(fā)電機發(fā)出的電能需要經(jīng)過交流-直流-交流的變換并入電網(wǎng)，并網(wǎng)逆變系統(tǒng)通常包括整流、逆變、濾波、輸電等環(huán)節(jié)。

3 電力電子技術(shù)在風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的應用

3.1 在發(fā)電機組及其整流環(huán)節(jié)的應用

早期的交-直-交并網(wǎng)逆變系統(tǒng)采用晶閘管相控整流器[2]，這種系統(tǒng)需要增加無功補償電路，電力電子技術(shù)的發(fā)展使得PWM整流逐步取代了相控整流，PWM整流器逐步成熟，改善了發(fā)電機的功率因數(shù)。

當前的風電機組已經(jīng)成為結(jié)合了先進的空氣動力學、機械制造、電子技術(shù)、微機控制技術(shù)的高科技產(chǎn)品，因此風力發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分就是高科技的電力電子技術(shù)[3]。風力發(fā)電的有效功率與風速之間是三次方正比的關(guān)系，對機組進行變速運行，可使風力發(fā)電獲得最大有效功率，電力電子技術(shù)在發(fā)電機組的應用，改善了發(fā)電環(huán)節(jié)中發(fā)電機的運行特性。此外，對轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率進行調(diào)整，可確保輸出頻率恒定，風力發(fā)電機的變速恒頻勵磁技術(shù)的核心在于變頻電源[4]。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展所研制出的開關(guān)磁阻發(fā)電機應用于風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，不再需要增速裝置，而是直接驅(qū)動。提高了可靠性，降低了維護量及其費用，減少了組件，集成度也變得越來越高。

3.2 在并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)的應用

電力電子技術(shù)中的大功率開關(guān)管、功率器件等的使用促進了并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中DSP周圍硬件電路的進一步發(fā)展，實現(xiàn)了功率器件驅(qū)動電路對IGBT導通和關(guān)斷；采用基于DSP的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了信號檢測、鎖相跟蹤、PI調(diào)節(jié)、SPWM形成等各功能模塊的軟硬件實現(xiàn)，不但滿足了控制電路的要求，還能夠完成并網(wǎng)安全控制和故障保護等實時性、快速性要求很高的控制功能，提高了控制電路的可靠性。特別是一些新技術(shù)的開發(fā)，讓風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)體積變得越來越小，自動控制能力越來越完善。

3.3 在風電輸送及節(jié)能方面的應用

我國風能資源豐富，但能源分配不均衡，解決辦法通常是建立電力外送大通道。由于長距離高壓輸電的線路造價低、電能損耗小等特點，通常采用高壓輸電，電力電子技術(shù)在高壓輸電方面的的應用不僅降低了設備的資金投入，而且解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題。此外，電力電子技術(shù)在輸電系統(tǒng)的主要應用是柔性交流輸電技術(shù)[5]，這項技術(shù)實現(xiàn)了對輸送功率的快速控制，增強了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，降低了電力傳輸?shù)某杀荆诤艽蟪潭壬细纳屏讼到y(tǒng)的輸電能力。

4 結(jié)束語

電力電子技術(shù)在風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中得到了廣泛應用，為風能的進一步開發(fā)利用提供了技術(shù)支持，在風電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。文章從其在發(fā)電機組及其整流環(huán)節(jié)的應用、在并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)的應用、在風電輸送及節(jié)能方面的應用等幾個方面進行了探討和分析。電力電子技術(shù)的進一步發(fā)展成為解決我國環(huán)境和能源問題的一項關(guān)鍵技術(shù)。

參考文獻

[1]李春燕.電子電工技術(shù)在電力系統(tǒng)的應用探析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014，8.

[2]李友紅，黃守道.風力發(fā)電系統(tǒng)中PWM并網(wǎng)逆變器的研究[J].電氣應用，2006，25（10）：63-65.

[3]劉增金.電力電子技術(shù)的發(fā)展及應用探究[J].電子世界，2011，9.

[4]黃宗建.電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用探討[J].電子測試，2014，13.

[5]朱曉群.電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用分析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014，15.

作者簡介：孫翠芬（1980-），女，漢族，講師，研究方向：風力發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)。