风机发电机中电力电子技术的应用

石晓东

摘  要： 我国传统的发电方式一般就是通过煤炭、石油等不可再生能源的燃烧来完成。但是由于近年来这类不可 再生能源日益减少，且燃烧时会对大气层和环境等造成污染而日益被时代所抛弃。人们通过不断的探索发现风力可以发电，且安全无污染，经济成本也较低。该文就针对风机发电机中电力电子技术应用进行研究。

关键词： 风机发电机;电力电子;电力电子技术

中图分类号： TM46   文献标志码：A

1 电力电子技术的具体内涵

电力发展领域中涉及的电力技术在一定程度上都可以称为电力电子技术。电路和多种电子元件组成了它， 而半导体材料所占电力电子元器件的比已经超过一半。此外，由于电路对于电力电子技术的影响也很广泛，所以电路 电子技术的基础理论就是电子学。电力技术的稳定发展为中国电力工业的发展提供了基础条件。相关工作人员通过 更换交流变频器，达到控制电能设备的目的，进而确保在发电过程中电流的双向交互作用以及电能的持久性并执行发电工作，使发电工作的效率最大化。电力电子技术的应用与风力发电和风力发电技术的发展存在着千丝万缕的联系，在许多环节中都发挥着相对重要的作用。风力发电技术推进了当前新能源技术的不断发展，但是由于技术不够成熟带来的缺陷引起了许多问题，但是风力发电业务不断发展壮大，现在已成为可持续社会能源的主要来源之一。

2 电力电子技术应用的意义

2.1 加快电气行业的智能化发展

目前，电力电子技术的发展速度很快，电力电子技术通过不断对技术进行创新，有效推动了当前市场上电子设备的 智能化水平。通过将电力电子技术应用于电气行业，提高电气行业的智能化已成为现实。电力电子技术的应用可以通过将各种自动化和智能理论转化为现实来加速电气行业的智能发展[1]。

2.2 提高电气行业的效率

电气设备自动化进程的加快离不开电力电子技术的帮助，同时对电力电子技术的运用还能提高设备效率，降低 生产和加工成本，并最大限度地利用资源。此外，电力设备和电力系统的改善也能够通过电力电子技术完成，并最终实现电力行业的自动化和低能耗。

2.3 调整电气行业产业结构

随着电力电子技术应用于电力行业这一目标的顺利实现，电力电子技术还促进了电力行业的快速发展。随着电气工业自动化和智能化的发展，机电一体化的发展也在不断加速。电力电子技术在电气工业中的地位和作用不断提高，完成了电气工业的结构调整目标，同时也提高了工业和发展水平。

3 风机发电的意义

电力能源消耗的速度逐年加快，这一现象不仅表现在中国甚至在全世界都呈现出了相同的趋势，增长速度已经高达2%/年。虽然到目前为止，发电的主要能源占比最大的还是化石燃料，但是新能源的发展已经展现出了优良的态势，有望在未来得到大范围的推广使用。相关专业人员推断，大约在40年之后可再生能源发电将占世界上电力能源消耗的1/2。早在16年就有报告指出：风力发电将在未来全球新能源构成比例中占据较大的比例，逐渐成为新型可再生发电能源的主力军。报告指出，经预测得出：风机发电的发展势头良好，甚至在几年之后全球30%的电能将由可再生能源提供。此外，由于全球变暖步伐的加快，各个国家都在能源消耗方面下了精力来尽力阻止全球变暖局势的加重。根据对风机发电现状的观察，在不久的将来，风机发电的市场将高达约900 GW;根据这个增长速率到了2030年风机发电市场将超过2 000 GW，小部分的全球供电都将由可再生新能源提供。同时可再生新能源的使用有效减少了全球CO2的排放量，全球变暖效应也随之得到了极大的改善，由此我们不难看出，新能源发电对全球生态环境的改善起到了一定的积极作用。

风力发电能得到这么快速有效的发展是有多方面的原因的，环境压力大和能源需求的压力增大只是部分原因，主要原因还是因为风力发电和其他传统发电能源相比具有多种优势。1）风能在全球的资源丰富，以当前的全球用电量来换算，这些风能发出的电为当前全球用电量的5倍。2）风能发电除了无污染，对环境不会产生负面影响外，它还具有可再生的优势可供人们长期取用。3）操作简便。风力发电相关设施的安装十分简便快捷，安装耗时少且能够快速投入使用。举个例子来说：10 MW的电场不到12个月就可以完成建设，且在建设完毕后立刻就能够投入使用。4）占地面积少且对地势和地质等要求不高。例如一个1 km2公顷的地面，风电场的相关设备所需要的占地面积大约只有0.01 km2，剩下的0.99 km2土地仍能够让人们进行畜牧养殖等。

4 电力电子技术在风机发电机中的应用

4.1 电力电子技术在风机发电机系统中的改造

21世纪初，控制风机发电机的发电机系统进行运行的方式有很多，但失速或者主动失速这2种控制方式较为普 遍和常见。风力发电由于其自身具有来源广泛、可循环的特点，有效缓解了当前能源紧张、环境污染趋势严峻的现状。电力电子技术由于可以在风力发电的过程中起到控制、输送电流等作用，而成为了推广风力发电这一新型發电技术的重要技术保障。风机发电机的发电系统最重要且最难得的一点是能够保证输出功率稳定，而这2种控制方式由于难以保证这一点而在近年来逐渐淡出了应用行列。发电机系统涉及和运用到的电力电子技术较多，随着科学技术的进步，电力电子技术也产生了很大的进步，发电机系统的运行模式也由此得到了优化和改善。

图1为双馈风力发电机系统，首先，它能控制无功功率，并通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制。其次，双馈感应发电机无需从电网励磁，而从转子电路中励磁。最后，它还能产生无功功率，并可以通过电网侧变流器传送给定子。但是，电网侧变流器正常工作在单位功率因数，并不包括风力机与电网的无功功率交换。

4.2 电力电子技术在风机发电系统储能方面的改造

风力发电最具有可循环、来源广的优势，但是也正是因为这些优势产生了风速和风向不稳定等问题。当电压较大，需要较强的风速和风能来提供能量的时候不能及时保证风速和风向全部符合要求。解决这一问题的有效方式就是像储存水源一样将风能储存起来，需要的时候就将其拿出来用，保证风机发电机输出电能的稳定性[2]。到目前为止，电池具有安装方便、储能快等特点成为了国际通用且常用的风力发电储能系统的主要储电方式。电池储电这一储能方式虽然优点不少，但是存在一个最致命的缺点就是无法不间断地提供电源。电池的电量是有限的，当它自身的电量耗尽的时候就需要更换电池，但是从电池将自身的电能耗光到更换上新的电池继续供电的这段时间里，风机发电系统都是处于断电状态的，这段时间虽然不算长，但是仍然给人们的生活和工作带来了不便。考虑到这一问题，相关专业人员也尝试过将电池储电方式更换为超导线圈储能方式，但是超导线圈储能虽然解决了持续供电的问题，但是由于其相关技术不够成熟而做不到将该方式普及全国。考虑到风力发电的不稳定性，不间断输送电源的储能方式也成为了相关技术人员在近期重点攻克的难题。不间断地提供电源就是保证风机发电系统在出现问题的情况下还能够持续供电，考虑到不间断电源的结构，并结合现代化的电力电子元件，能大幅度地提高风机发电系统的储能能力。我国偏远地区由于地理条件和风机发电系统不够完善等问题常常出现供电不足的现象，不间断电源的采用能够对此类地区的供电产生很大的积极影响。

4.3 电力电子技术在风机发电输电中的应用

因为风机发电系统主要是依靠风能发电，这也是为什么大部分发电机组都设置在偏远广阔地区的原因。风机发电系统的组成是由发电机组、调度中心、用户这3个元素组成的，距离远了信号的传输就会变弱，这三者之间的电力传输就会存在一定的问题。现如今，电流的主要的运输方式是交流运输，存在的短板也较多尚不能顺利应对在电流运输过程中产生的问题。

5 电力电子技术在风力发电应用中的展望

风机发电机发出的进入电网的电流的变化是：交流电→直流电→交流电。具体的变化方式途径为：风电机发出的电流经过永磁多极同步发电机对其发电频率的改变变为交流电，再通过整流器对其的整流变为直流电，最后通过对逆变器的使用将电流不同的频率改为相同的，最终成为频率恒定的交流电[3]。这一系列的操作带来的优势是显著且有效的，在有效避开并网时产生的电流冲击的同时发电系统也不会产生较大的波动，调节发电机发出的无功功率的步骤也更为简便快捷、副作用少。这样一来不但最大限度地开发和利用了风能，风电机发出的电能质量相较于以往来说也得到了质的飞跃。

6 结语

风能由于其自身所具有的循环可再生的特点使得风力发电成为了当前最热门的发电方式之一。当前，我国的风力发电技术虽然已经取得的了较大的完善和进步但是还具有非常广阔的发展空间。随着电力电子技术的不断发展和完善，风力发电技术也会持续进步。相关工作和科技人员也会不断挑战自我，致力于对风机发电机中电力电子技术应用的探索。

參考文献

[1] 张勇，陈宇良.风力发电中的电力电子技术和控制技术[J].工程技术： 全文版，2018（10）：319.

[2] 吕斌.浅析新形势下电力电子技术在风力发电中的应用[J].工业 ，2019（2）：285-287.

[3] 刘光启.浅谈电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用 [J]. 工业 ，2019（9）：245-260.