新能源时代电力电子技术在风力发电中的应用分析

杨 威

(仙游国电风力发电有限公司)

0 引言

近年来, 我国能源需求量不断增长, 而传统能源无法满足当前需求, 为此需要寻求新的能源。风能作为一种清洁的可再生能源, 具有独特的优点, 可实现对环境污染的有效控制, 在当前清洁能源体系中占据重要地位[1]。风力发电作为一种绿色可再生能源, 为促进我国经济可持续发展发挥了重要作用。在风力发电中应用电力电子技术, 不仅可以实现对风力发电效率的有效提高, 还可以促进风力发电产业的稳定发展。在此背景下, 加强对电力电子技术在风力发电中应用分析具有重要意义。

1 新能源时代的电力电子技术的主要分类

1.1 逆变技术

逆变技术的主要目的是通过变换电压, 使电能转变成其他形式的能量, 并将其输送到电网中。在风力发电领域中, 逆变技术主要有以下两种: 第一, 采用SPWM 技术的逆变技术。SPWM 技术是一种逆变控制的关键技术, 通过对逆变模块中开关器件的控制, 使其产生SPWM 波形, 再通过功率模块对其进行控制,从而输出相应频率的正弦波[2]。第二, 采用PWM 技术的逆变技术。PWM 技术是一种能够将直流电压变换为交流电压的控制技术, 通过对逆变器输出波形进行调节, 使其符合电网电压标准, 并且能够实现对电网电压的无失真控制, 同时可以将直流电转换成交流电。

1.2 无刷直流电机技术

无刷直流电机技术是现代科技的一大进步, 其主要由电机和控制器两部分组成。无刷直流电机具有结构简单、运行平稳、控制方便等特点, 可以广泛地应用于风力发电中, 尤其是在风力发电的系统中, 其能将风能转化为电能。在实际应用中, 无刷直流电机分为永磁式和电子式两种, 永磁式的无刷直流电机在运行时需要消耗大量的能量, 因而其运行效率要比电子式低一些。电子式无刷直流电机技术通过应用电子技术和传感技术, 可以提高无刷直流电机的运行效率和行可靠性, 并且能够在一定程度上减少能量损耗, 因此在风力发电系统中得到了广泛的应用, 尤其是在风力发电的发电机中。

1.3 可控硅技术

可控硅技术是风力发电中应用较多的一种电力电子技术, 主要应用于交流异步电机上[3]。可控硅技术在风力发电中的应用主要是通过晶闸管来实现对风力发电机组的控制, 从而达到降低风力机输出功率和提高风力机运行稳定性与安全性的目的。为了提升风力发电机组运行稳定性与安全性, 需要通过可控硅技术来控制风力发电机组输出功率。在使用可控硅技术来控制风力发电机组时, 可以通过控制晶闸管实现对风力发电机输出功率的控制。在风力机运行过程中, 会产生各种不同类型的谐波。在风力发电机组中采用可控硅技术可以有效降低谐波对发电机输出功率与运行稳定性带来的不利影响, 从而提高风力发电机运行稳定性和安全性。

1.4 晶闸管技术

晶闸管技术作为一种新型电力电子技术, 在风力发电中的应用主要是通过对晶闸管控制模块的控制,使其能够实现对电流与电压的控制。在风力发电机组中应用晶闸管技术, 能够使风力发电机组正常运行,同时也可以对风力发电机组进行保护。在实际应用过程中, 需要采用多个晶闸管模块与电动机结合, 使电动机能够实现正转和反转[4]。为使电动机能够实现稳定运行, 需要通过变频器对电动机转速进行调节。在风力发电机中应用晶闸管技术后, 可以有效减少机械结构的使用, 提高设备的使用效率。晶闸管技术在风力发电机组中的应用主要是通过对风力发电机组电压、电流进行控制, 使其能够满足风力发电机运行需求。同时也可以实现对风机转速的调节与控制, 进而达到对风力发电机组进行保护的目的。

表1 新能源时代的电力电子技术的主要分类

2 新能源时代使用的电力电子元件设备

2.1 电力电子器件

在风力发电中, 电力电子器件主要指的是电力半导体器件, 其主要功能是对电流、电压、温度等进行有效控制。如图1 所示。风力发电机组在运行过程中, 对功率输出会产生一定影响, 进而影响风力发电机组整体性能[5]。因此, 在新能源时代背景下, 可将电力电子器件应用到风力发电中, 对其功率输出进行有效控制。但在实际应用过程中需对电力电子器件进行合理选择。为保障电力电子器件有效应用, 需结合风力发电实际情况进行选择。但由于风速受多种因素影响, 导致该风电场风能利用率不高。因此, 为了保证风电场风电利用率能达到较高水平, 可将电力电子器件应用到该风电场中。

图1 电力电子器件

2.2 变流器

由于风力发电存在不稳定性, 因此需要利用变流器来实现对风电系统的有效控制。变流器主要分为两种类型: 一是晶闸管型变流器; 二是功率晶体管型变流器。在风电系统运行中, 使用功率晶体管型变流器, 可通过对风力发电机组进行有效控制, 确保风力发电机组处于正常运行状态, 进而促进风电系统稳定运行。同时, 将功率晶体管型变流器应用于风电系统中, 可通过对风力发电机组进行有效控制, 进而实现对风力发电机组的有效控制。此外, 在风电系统中使用功率晶体管型变流器还存在一些不足之处: 由于电力电子器件的非线性特性导致其难以控制; 若变频器产生故障时会导致风电系统运行不稳定[6-7]。因此,为保证风电系统的稳定运行, 应积极探索新的变流器设备。

2.3 电力系统自动化设备

电力系统自动化设备是电力系统运行的重要基础, 对电力系统稳定运行具有重要作用。因此, 为保障电力系统正常运转, 应有效利用电力电子技术, 对电力系统自动化设备进行有效应用。在电力系统自动化设备中应用电力电子技术, 能使风力发电设备的运行状态得到有效监控。为保障风电设备的正常运转,需对风力发电设备的运行状态进行有效监控。通过应用电力电子技术, 可有效提高风电设备运行稳定性。通过对电网电压进行有效控制, 可提高风力发电效率。通过对风电机组故障信息进行及时处理, 可避免故障发生, 为风力发电系统提供保障。

2.4 变桨控制器

风机变桨控制系统是通过变桨减速机驱动变桨轴承转动, 改变叶片的翼型攻角来使得升力变化, 以捕获希望得到的风功率。变桨系统包含轮毂、变桨轴承、变桨减速器、变桨编码器、变桨控制器、蓄电池等。变桨控制系统内部由电力电子部件电源管理模块PMM、变桨系统控制器PMC 等电子元器件组成, 主要用于将顺桨刹车做为简单有效的风轮制动方式, 启动性能好, 额定功率点之前的输出功率饱满, 之后的输出功率平滑。通过变桨控制器对风机叶片进行实时变桨, 当风机发生故障时紧急顺桨。当风机运行时,能根据现场风速情况, 自动控制桨叶角度, 使风机可利用率达到最大化, 使风电场利用小时数达到最高。

3 风力发电中电力电子技术的具体应用

3.1 有功功率分配

在风力发电中, 风电机组的有功功率主要由发电机输出功率决定, 其通过对风力发电系统进行控制,实现对风机有功功率的有效分配。在控制过程中, 需要综合考虑风力发电系统各方面因素, 以满足风电场发电需求。电力电子技术在风力发电中的应用, 可实现对发电机有功功率的有效控制, 使风电机组处于最优运行状态。首先, 电力电子技术可实现对发电机有功功率的控制; 其次, 通过对风机位置的检测, 可实现对风力发电机组运行状态的控制。在风机运行过程中, 当风力发电机组发生故障时, 可通过电力电子技术实现对发电机组有功功率的有效分配。

3.2 定子侧变流器控制

定子侧变流器控制主要是将定子绕组产生的交流电经过整流器后, 成为与电网电压同频、同相位的直流电。在风电系统运行过程中, 需要对定子侧变流器控制进行优化, 以提高机组运行的稳定性。在定子侧变流器控制过程中, 需要根据发电机的输出功率进行控制, 并使定子电流始终保持正弦状态。在风力发电过程中, 为了确保定子电流保持正弦状态, 需要对其进行有效调节。因此, 需要对风力发电机的输出功率进行有效控制, 以提高机组运行的稳定性。

3.3 直流输电系统

直流输电系统的结构, 在风电场中直流输电系统主要由换流器、换流站以及换流器控制装置组成, 在风电场中, 为了能够提高风力发电机组的输出功率,需要将多个风力发电机组进行串联, 然后利用直流输电技术, 实现对风力发电机组的并网运行。交流输电技术和直流输电技术在风电场中都有应用, 交流输电技术主要是将交流电压和电流进行放大, 然后将其转换成直流电压和直流电流, 然后通过电网将其传输到用户端; 而直流输电技术则是将交流电压和电流转换成直流电压和直流电流。通过对风电场中交流和直流输电系统的研究, 能够了解到风电场中采用直流输电技术可以实现对多个风力发电机组的并网发电, 通过对风电场中风力发电机组的控制, 能够将风电机组输出的电能输送到用户端, 从而提高了风能的利用率。

3.4 风电并网技术

电力电子技术的应用, 使风力发电实现了并网运行。当风力发电机组在并网运行时, 需要对风机进行控制, 否则, 就会影响到电网的安全稳定运行。目前, 常用的风电并网技术主要是应用在双馈感应发电机。这种电机在运行时, 其内部会产生谐波和谐波含量, 为了确保风电机组能够正常运行, 应该对其进行控制。双馈感应发电机结构简单、控制方式灵活, 能有效对电网电压进行调节。该技术的应用, 能提高电网电压质量, 也能对风力发电机组进行有效控制。根据不同的风力资源, 在控制上也应该有所差异: 若风力资源比较丰富, 则应该使用最大功率跟踪控制技术; 若风力资源比较匮乏, 则应该使用恒功率跟踪控制技术。同时, 还应该对功率反馈进行适当的调整,这样才能使风力发电的效率得到有效提升。

表2 风力发电中电力电子技术的具体应用

4 结束语

通过电力电子技术, 可将风力发电的相关参数进行实时监测, 有效解决传统风力发电过程中存在的问题。基于此, 文章从电力电子技术在风力发电中的重要性、电力电子技术在风力发电中的具体应用等方面展开分析, 从理论层面分析了电力电子技术在风力发电中的应用优势, 并对其在风力发电中的具体应用进行了详细分析。新能源时代背景下,应积极探索和研究电力电子技术在风力发电中的应用, 促进我国风电产业的稳定发展, 提升我国风电产业竞争力。