電力電子技術在風電并網逆變系統中的應用

孫翠芬　孫磊

摘 要：文章首先介紹了風電并網逆變系統研究的重要性，進而引出電力電子技術在風電并網逆變系統中應用的重要性。其次從電力電子技術的應用情況、電力電子技術在風電并網逆變系統具體環節中的應用等幾個方面進行了探討分析，最后總結出電力電子技術的進一步發展成為解決我國環境和能源問題的一項關鍵技術。

關鍵詞：風電；電力電子；并網逆變；控制環節

一次能源的日益枯竭，加之人們環保意識的提高，人們越來越重視可再生資源的開發利用，因此在風能豐富的地區出現了大量風力發電。由于我國風能地區分布不均衡，出現局部風電過剩的情況，若不合理利用，將出現大量的棄風現象，因此利用風電并網逆變系統讓這些分布式發電產生的電能合理并網是當前的舉措，是風電利用的一項關鍵技術。

風電并網逆變系統是一個以功率半導體器件、電路技術、計算機技術和現代控制技術為支撐的技術平臺[1]。并網逆變技術屬于變流技術的范疇，而變流技術是電力電子技術的分支之一。風電并網逆變系統是利用發電機將風能轉換成交流電，經過整流轉換成直流電，然后經逆變轉換為標準交流電并入電網等一系列的電能變換過程，因此電力電子技術在風電并網逆變系統中占有極其重要的作用。

1 電力電子技術的應用情況

電力電子技術是一門20世紀50年代興起的應用于電力領域的電子技術，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，電力電子技術所變換的“電力”功率從數W到GW不等。經過半個多世紀的發展，電力電子技術大大服務了我們的生活，在新能源開發利用、電能質量控制、日常生活等方面發揮了極其重要的作用，電力電子技術主要還是用于電力變換。利用電力電子器件實現工業規模電能變換的技術，有時也稱為功率電子技術。

據發達國家預測，今后將有95%的電能要經電力電子技術處理后再使用。從工程中電力系統的發電、變電、輸電和配電等環節到日常生活中的直流電源、電路都離不開電力電子技術，一些新型產品的誕生也離不開電力電子技術的開發利用。隨著電力電子技術及風電技術的發展，電力電子設備已進入風電并網逆變系統并為解決電能質量控制提供了先進的技術手段。

2 風電并網逆變系統介紹

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

3 電力電子技術在風電并網逆變系統中的應用

3.1 在發電機組及其整流環節的應用

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

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

隨著電力電子技術的發展所研制出的開關磁阻發電機應用于風電并網逆變系統中，不再需要增速裝置，而是直接驅動。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 在并網逆變系統控制環節的應用

電力電子技術中的大功率開關管、功率器件等的使用促進了并網逆變系統中DSP周圍硬件電路的進一步發展，實現了功率器件驅動電路對IGBT導通和關斷；采用基于DSP的控制系統，實現了信號檢測、鎖相跟蹤、PI調節、SPWM形成等各功能模塊的軟硬件實現，不但滿足了控制電路的要求，還能夠完成并網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。特別是一些新技術的開發，讓風電并網逆變系統體積變得越來越小，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，而且解決了系統穩定性差的問題。此外，電力電子技術在輸電系統的主要應用是柔性交流輸電技術[5]，這項技術實現了對輸送功率的快速控制，增強了電網的穩定性，降低了電力傳輸的成本，在很大程度上改善了系統的輸電能力。

4 結束語

電力電子技術在風電并網逆變系統中得到了廣泛應用，為風能的進一步開發利用提供了技術支持，在風電并網逆變系統中發揮著重要的作用。文章從其在發電機組及其整流環節的應用、在并網逆變系統控制環節的應用、在風電輸送及節能方面的應用等幾個方面進行了探討和分析。電力電子技術的進一步發展成為解決我國環境和能源問題的一項關鍵技術。

參考文獻

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

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

[3]劉增金.電力電子技術的發展及應用探究[J].電子世界，2011，9.

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

[5]朱曉群.電力電子技術在電力系統中的應用分析[J].電子技術與軟件工程，2014，15.

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