風機發電機中電力電子技術的應用

石曉東

摘 ?要： 我國傳統的發電方式一般就是通過煤炭、石油等不可再生能源的燃燒來完成。但是由于近年來這類不可 再生能源日益減少，且燃燒時會對大氣層和環境等造成污染而日益被時代所拋棄。人們通過不斷的探索發現風力可以發電，且安全無污染，經濟成本也較低。該文就針對風機發電機中電力電子技術應用進行研究。

關鍵詞： 風機發電機;電力電子;電力電子技術

中圖分類號： TM46 ? 文獻標志碼：A

1 電力電子技術的具體內涵

電力發展領域中涉及的電力技術在一定程度上都可以稱為電力電子技術。電路和多種電子元件組成了它， 而半導體材料所占電力電子元器件的比已經超過一半。此外，由于電路對于電力電子技術的影響也很廣泛，所以電路 電子技術的基礎理論就是電子學。電力技術的穩定發展為中國電力工業的發展提供了基礎條件。相關工作人員通過 更換交流變頻器，達到控制電能設備的目的，進而確保在發電過程中電流的雙向交互作用以及電能的持久性并執行發電工作，使發電工作的效率最大化。電力電子技術的應用與風力發電和風力發電技術的發展存在著千絲萬縷的聯系，在許多環節中都發揮著相對重要的作用。風力發電技術推進了當前新能源技術的不斷發展，但是由于技術不夠成熟帶來的缺陷引起了許多問題，但是風力發電業務不斷發展壯大，現在已成為可持續社會能源的主要來源之一。

2 電力電子技術應用的意義

2.1 加快電氣行業的智能化發展

目前，電力電子技術的發展速度很快，電力電子技術通過不斷對技術進行創新，有效推動了當前市場上電子設備的 智能化水平。通過將電力電子技術應用于電氣行業，提高電氣行業的智能化已成為現實。電力電子技術的應用可以通過將各種自動化和智能理論轉化為現實來加速電氣行業的智能發展[1]。

2.2 提高電氣行業的效率

電氣設備自動化進程的加快離不開電力電子技術的幫助，同時對電力電子技術的運用還能提高設備效率，降低 生產和加工成本，并最大限度地利用資源。此外，電力設備和電力系統的改善也能夠通過電力電子技術完成，并最終實現電力行業的自動化和低能耗。

2.3 調整電氣行業產業結構

隨著電力電子技術應用于電力行業這一目標的順利實現，電力電子技術還促進了電力行業的快速發展。隨著電氣工業自動化和智能化的發展，機電一體化的發展也在不斷加速。電力電子技術在電氣工業中的地位和作用不斷提高，完成了電氣工業的結構調整目標，同時也提高了工業和發展水平。

3 風機發電的意義

電力能源消耗的速度逐年加快，這一現象不僅表現在中國甚至在全世界都呈現出了相同的趨勢，增長速度已經高達2%/年。雖然到目前為止，發電的主要能源占比最大的還是化石燃料，但是新能源的發展已經展現出了優良的態勢，有望在未來得到大范圍的推廣使用。相關專業人員推斷，大約在40年之后可再生能源發電將占世界上電力能源消耗的1/2。早在16年就有報告指出：風力發電將在未來全球新能源構成比例中占據較大的比例，逐漸成為新型可再生發電能源的主力軍。報告指出，經預測得出：風機發電的發展勢頭良好，甚至在幾年之后全球30%的電能將由可再生能源提供。此外，由于全球變暖步伐的加快，各個國家都在能源消耗方面下了精力來盡力阻止全球變暖局勢的加重。根據對風機發電現狀的觀察，在不久的將來，風機發電的市場將高達約900 GW;根據這個增長速率到了2030年風機發電市場將超過2 000 GW，小部分的全球供電都將由可再生新能源提供。同時可再生新能源的使用有效減少了全球CO2的排放量，全球變暖效應也隨之得到了極大的改善，由此我們不難看出，新能源發電對全球生態環境的改善起到了一定的積極作用。

風力發電能得到這么快速有效的發展是有多方面的原因的，環境壓力大和能源需求的壓力增大只是部分原因，主要原因還是因為風力發電和其他傳統發電能源相比具有多種優勢。1）風能在全球的資源豐富，以當前的全球用電量來換算，這些風能發出的電為當前全球用電量的5倍。2）風能發電除了無污染，對環境不會產生負面影響外，它還具有可再生的優勢可供人們長期取用。3）操作簡便。風力發電相關設施的安裝十分簡便快捷，安裝耗時少且能夠快速投入使用。舉個例子來說：10 MW的電場不到12個月就可以完成建設，且在建設完畢后立刻就能夠投入使用。4）占地面積少且對地勢和地質等要求不高。例如一個1 km2公頃的地面，風電場的相關設備所需要的占地面積大約只有0.01 km2，剩下的0.99 km2土地仍能夠讓人們進行畜牧養殖等。

4 電力電子技術在風機發電機中的應用

4.1 電力電子技術在風機發電機系統中的改造

21世紀初，控制風機發電機的發電機系統進行運行的方式有很多，但失速或者主動失速這2種控制方式較為普 遍和常見。風力發電由于其自身具有來源廣泛、可循環的特點，有效緩解了當前能源緊張、環境污染趨勢嚴峻的現狀。電力電子技術由于可以在風力發電的過程中起到控制、輸送電流等作用，而成為了推廣風力發電這一新型發電技術的重要技術保障。風機發電機的發電系統最重要且最難得的一點是能夠保證輸出功率穩定，而這2種控制方式由于難以保證這一點而在近年來逐漸淡出了應用行列。發電機系統涉及和運用到的電力電子技術較多，隨著科學技術的進步，電力電子技術也產生了很大的進步，發電機系統的運行模式也由此得到了優化和改善。

圖1為雙饋風力發電機系統，首先，它能控制無功功率，并通過獨立控制轉子勵磁電流解耦有功功率和無功功率控制。其次，雙饋感應發電機無需從電網勵磁，而從轉子電路中勵磁。最后，它還能產生無功功率，并可以通過電網側變流器傳送給定子。但是，電網側變流器正常工作在單位功率因數，并不包括風力機與電網的無功功率交換。

4.2 電力電子技術在風機發電系統儲能方面的改造

風力發電最具有可循環、來源廣的優勢，但是也正是因為這些優勢產生了風速和風向不穩定等問題。當電壓較大，需要較強的風速和風能來提供能量的時候不能及時保證風速和風向全部符合要求。解決這一問題的有效方式就是像儲存水源一樣將風能儲存起來，需要的時候就將其拿出來用，保證風機發電機輸出電能的穩定性[2]。到目前為止，電池具有安裝方便、儲能快等特點成為了國際通用且常用的風力發電儲能系統的主要儲電方式。電池儲電這一儲能方式雖然優點不少，但是存在一個最致命的缺點就是無法不間斷地提供電源。電池的電量是有限的，當它自身的電量耗盡的時候就需要更換電池，但是從電池將自身的電能耗光到更換上新的電池繼續供電的這段時間里，風機發電系統都是處于斷電狀態的，這段時間雖然不算長，但是仍然給人們的生活和工作帶來了不便?？紤]到這一問題，相關專業人員也嘗試過將電池儲電方式更換為超導線圈儲能方式，但是超導線圈儲能雖然解決了持續供電的問題，但是由于其相關技術不夠成熟而做不到將該方式普及全國?？紤]到風力發電的不穩定性，不間斷輸送電源的儲能方式也成為了相關技術人員在近期重點攻克的難題。不間斷地提供電源就是保證風機發電系統在出現問題的情況下還能夠持續供電，考慮到不間斷電源的結構，并結合現代化的電力電子元件，能大幅度地提高風機發電系統的儲能能力。我國偏遠地區由于地理條件和風機發電系統不夠完善等問題常常出現供電不足的現象，不間斷電源的采用能夠對此類地區的供電產生很大的積極影響。

4.3 電力電子技術在風機發電輸電中的應用

因為風機發電系統主要是依靠風能發電，這也是為什么大部分發電機組都設置在偏遠廣闊地區的原因。風機發電系統的組成是由發電機組、調度中心、用戶這3個元素組成的，距離遠了信號的傳輸就會變弱，這三者之間的電力傳輸就會存在一定的問題?，F如今，電流的主要的運輸方式是交流運輸，存在的短板也較多尚不能順利應對在電流運輸過程中產生的問題。

5 電力電子技術在風力發電應用中的展望

風機發電機發出的進入電網的電流的變化是：交流電→直流電→交流電。具體的變化方式途徑為：風電機發出的電流經過永磁多極同步發電機對其發電頻率的改變變為交流電，再通過整流器對其的整流變為直流電，最后通過對逆變器的使用將電流不同的頻率改為相同的，最終成為頻率恒定的交流電[3]。這一系列的操作帶來的優勢是顯著且有效的，在有效避開并網時產生的電流沖擊的同時發電系統也不會產生較大的波動，調節發電機發出的無功功率的步驟也更為簡便快捷、副作用少。這樣一來不但最大限度地開發和利用了風能，風電機發出的電能質量相較于以往來說也得到了質的飛躍。

6 結語

風能由于其自身所具有的循環可再生的特點使得風力發電成為了當前最熱門的發電方式之一。當前，我國的風力發電技術雖然已經取得的了較大的完善和進步但是還具有非常廣闊的發展空間。隨著電力電子技術的不斷發展和完善，風力發電技術也會持續進步。相關工作和科技人員也會不斷挑戰自我，致力于對風機發電機中電力電子技術應用的探索。

參考文獻

[1] 張勇，陳宇良.風力發電中的電力電子技術和控制技術[J].工程技術： 全文版，2018（10）：319.

[2] 呂斌.淺析新形勢下電力電子技術在風力發電中的應用[J].工業 ，2019（2）：285-287.

[3] 劉光啟.淺談電力電子技術在可再生能源發電系統中的應用 [J]. 工業 ，2019（9）：245-260.