風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用

石曉東

摘 ?要： 我國傳統(tǒng)的發(fā)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(shí)會對大氣層和環(huán)境等造成污染而日益被時(shí)代所拋棄。人們通過不斷的探索發(fā)現(xiàn)風(fēng)力可以發(fā)電，且安全無污染，經(jīng)濟(jì)成本也較低。該文就針對風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中電力電子技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī);電力電子;電力電子技術(shù)

中圖分類號： TM46 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 電力電子技術(shù)的具體內(nèi)涵

電力發(fā)展領(lǐng)域中涉及的電力技術(shù)在一定程度上都可以稱為電力電子技術(shù)。電路和多種電子元件組成了它， 而半導(dǎo)體材料所占電力電子元器件的比已經(jīng)超過一半。此外，由于電路對于電力電子技術(shù)的影響也很廣泛，所以電路 電子技術(shù)的基礎(chǔ)理論就是電子學(xué)。電力技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展為中國電力工業(yè)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。相關(guān)工作人員通過 更換交流變頻器，達(dá)到控制電能設(shè)備的目的，進(jìn)而確保在發(fā)電過程中電流的雙向交互作用以及電能的持久性并執(zhí)行發(fā)電工作，使發(fā)電工作的效率最大化。電力電子技術(shù)的應(yīng)用與風(fēng)力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展存在著千絲萬縷的聯(lián)系，在許多環(huán)節(jié)中都發(fā)揮著相對重要的作用。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)推進(jìn)了當(dāng)前新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，但是由于技術(shù)不夠成熟帶來的缺陷引起了許多問題，但是風(fēng)力發(fā)電業(yè)務(wù)不斷發(fā)展壯大，現(xiàn)在已成為可持續(xù)社會能源的主要來源之一。

2 電力電子技術(shù)應(yīng)用的意義

2.1 加快電氣行業(yè)的智能化發(fā)展

目前，電力電子技術(shù)的發(fā)展速度很快，電力電子技術(shù)通過不斷對技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，有效推動了當(dāng)前市場上電子設(shè)備的 智能化水平。通過將電力電子技術(shù)應(yīng)用于電氣行業(yè)，提高電氣行業(yè)的智能化已成為現(xiàn)實(shí)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用可以通過將各種自動化和智能理論轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)來加速電氣行業(yè)的智能發(fā)展[1]。

2.2 提高電氣行業(yè)的效率

電氣設(shè)備自動化進(jìn)程的加快離不開電力電子技術(shù)的幫助，同時(shí)對電力電子技術(shù)的運(yùn)用還能提高設(shè)備效率，降低 生產(chǎn)和加工成本，并最大限度地利用資源。此外，電力設(shè)備和電力系統(tǒng)的改善也能夠通過電力電子技術(shù)完成，并最終實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)的自動化和低能耗。

2.3 調(diào)整電氣行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)這一目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，電力電子技術(shù)還促進(jìn)了電力行業(yè)的快速發(fā)展。隨著電氣工業(yè)自動化和智能化的發(fā)展，機(jī)電一體化的發(fā)展也在不斷加速。電力電子技術(shù)在電氣工業(yè)中的地位和作用不斷提高，完成了電氣工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整目標(biāo)，同時(shí)也提高了工業(yè)和發(fā)展水平。

3 風(fēng)機(jī)發(fā)電的意義

電力能源消耗的速度逐年加快，這一現(xiàn)象不僅表現(xiàn)在中國甚至在全世界都呈現(xiàn)出了相同的趨勢，增長速度已經(jīng)高達(dá)2%/年。雖然到目前為止，發(fā)電的主要能源占比最大的還是化石燃料，但是新能源的發(fā)展已經(jīng)展現(xiàn)出了優(yōu)良的態(tài)勢，有望在未來得到大范圍的推廣使用。相關(guān)專業(yè)人員推斷，大約在40年之后可再生能源發(fā)電將占世界上電力能源消耗的1/2。早在16年就有報(bào)告指出：風(fēng)力發(fā)電將在未來全球新能源構(gòu)成比例中占據(jù)較大的比例，逐漸成為新型可再生發(fā)電能源的主力軍。報(bào)告指出，經(jīng)預(yù)測得出：風(fēng)機(jī)發(fā)電的發(fā)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(gè)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(jù)對風(fēng)機(jī)發(fā)電現(xiàn)狀的觀察，在不久的將來，風(fēng)機(jī)發(fā)電的市場將高達(dá)約900 GW;根據(jù)這個(gè)增長速率到了2030年風(fēng)機(jī)發(fā)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(shí)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(yīng)也隨之得到了極大的改善，由此我們不難看出，新能源發(fā)電對全球生態(tài)環(huán)境的改善起到了一定的積極作用。

風(fēng)力發(fā)電能得到這么快速有效的發(fā)展是有多方面的原因的，環(huán)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?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電和其他傳統(tǒng)發(fā)電能源相比具有多種優(yōu)勢。1）風(fēng)能在全球的資源豐富，以當(dāng)前的全球用電量來換算，這些風(fēng)能發(fā)出的電為當(dāng)前全球用電量的5倍。2）風(fēng)能發(fā)電除了無污染，對環(huán)境不會產(chǎn)生負(fù)面影響外，它還具有可再生的優(yōu)勢可供人們長期取用。3）操作簡便。風(fēng)力發(fā)電相關(guān)設(shè)施的安裝十分簡便快捷，安裝耗時(shí)少且能夠快速投入使用。舉個(gè)例子來說：10 MW的電場不到12個(gè)月就可以完成建設(shè)，且在建設(shè)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(zhì)等要求不高。例如一個(gè)1 km2公頃的地面，風(fēng)電場的相關(guān)設(shè)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(jìn)行畜牧養(yǎng)殖等。

4 電力電子技術(shù)在風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

4.1 電力電子技術(shù)在風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的改造

21世紀(jì)初，控制風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)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(fēng)力發(fā)電由于其自身具有來源廣泛、可循環(huán)的特點(diǎn)，有效緩解了當(dāng)前能源緊張、環(huán)境污染趨勢嚴(yán)峻的現(xiàn)狀。電力電子技術(shù)由于可以在風(fēng)力發(fā)電的過程中起到控制、輸送電流等作用，而成為了推廣風(fēng)力發(fā)電這一新型發(fā)電技術(shù)的重要技術(shù)保障。風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)最重要且最難得的一點(diǎn)是能夠保證輸出功率穩(wěn)定，而這2種控制方式由于難以保證這一點(diǎn)而在近年來逐漸淡出了應(yīng)用行列。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)涉及和運(yùn)用到的電力電子技術(shù)較多，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電力電子技術(shù)也產(chǎn)生了很大的進(jìn)步，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行模式也由此得到了優(yōu)化和改善。

圖1為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，首先，它能控制無功功率，并通過獨(dú)立控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流解耦有功功率和無功功率控制。其次，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)無需從電網(wǎng)勵(lì)磁，而從轉(zhuǎn)子電路中勵(lì)磁。最后，它還能產(chǎn)生無功功率，并可以通過電網(wǎng)側(cè)變流器傳送給定子。但是，電網(wǎng)側(cè)變流器正常工作在單位功率因數(shù)，并不包括風(fēng)力機(jī)與電網(wǎng)的無功功率交換。

4.2 電力電子技術(shù)在風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)儲能方面的改造

風(fēng)力發(fā)電最具有可循環(huán)、來源廣的優(yōu)勢，但是也正是因?yàn)檫@些優(yōu)勢產(chǎn)生了風(fēng)速和風(fēng)向不穩(wěn)定等問題。當(dāng)電壓較大，需要較強(qiáng)的風(fēng)速和風(fēng)能來提供能量的時(shí)候不能及時(shí)保證風(fēng)速和風(fēng)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(fēng)能儲存起來，需要的時(shí)候就將其拿出來用，保證風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)輸出電能的穩(wěn)定性[2]。到目前為止，電池具有安裝方便、儲能快等特點(diǎn)成為了國際通用且常用的風(fēng)力發(fā)電儲能系統(tǒng)的主要儲電方式。電池儲電這一儲能方式雖然優(yōu)點(diǎn)不少，但是存在一個(gè)最致命的缺點(diǎn)就是無法不間斷地提供電源。電池的電量是有限的，當(dāng)它自身的電量耗盡的時(shí)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(xù)供電的這段時(shí)間里，風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)都是處于斷電狀態(tài)的，這段時(shí)間雖然不算長，但是仍然給人們的生活和工作帶來了不便。考慮到這一問題，相關(guān)專業(yè)人員也嘗試過將電池儲電方式更換為超導(dǎo)線圈儲能方式，但是超導(dǎo)線圈儲能雖然解決了持續(xù)供電的問題，但是由于其相關(guān)技術(shù)不夠成熟而做不到將該方式普及全國?？紤]到風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，不間斷輸送電源的儲能方式也成為了相關(guān)技術(shù)人員在近期重點(diǎn)攻克的難題。不間斷地提供電源就是保證風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)在出現(xiàn)問題的情況下還能夠持續(xù)供電，考慮到不間斷電源的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合現(xiàn)代化的電力電子元件，能大幅度地提高風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的儲能能力。我國偏遠(yuǎn)地區(qū)由于地理?xiàng)l件和風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)不夠完善等問題常常出現(xiàn)供電不足的現(xiàn)象，不間斷電源的采用能夠?qū)Υ祟惖貐^(qū)的供電產(chǎn)生很大的積極影響。

4.3 電力電子技術(shù)在風(fēng)機(jī)發(fā)電輸電中的應(yīng)用

因?yàn)轱L(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)主要是依靠風(fēng)能發(fā)電，這也是為什么大部分發(fā)電機(jī)組都設(shè)置在偏遠(yuǎn)廣闊地區(qū)的原因。風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的組成是由發(fā)電機(jī)組、調(diào)度中心、用戶這3個(gè)元素組成的，距離遠(yuǎn)了信號的傳輸就會變?nèi)酰@三者之間的電力傳輸就會存在一定的問題?，F(xiàn)如今，電流的主要的運(yùn)輸方式是交流運(yùn)輸，存在的短板也較多尚不能順利應(yīng)對在電流運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的問題。

5 電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中的展望

風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)出的進(jìn)入電網(wǎng)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(fēng)電機(jī)發(fā)出的電流經(jīng)過永磁多極同步發(fā)電機(jī)對其發(fā)電頻率的改變變?yōu)榻涣麟姡偻ㄟ^整流器對其的整流變?yōu)橹绷麟?，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(yōu)勢是顯著且有效的，在有效避開并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的電流沖擊的同時(shí)發(fā)電系統(tǒng)也不會產(chǎn)生較大的波動，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)發(fā)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(fā)和利用了風(fēng)能，風(fēng)電機(jī)發(fā)出的電能質(zhì)量相較于以往來說也得到了質(zhì)的飛躍。

6 結(jié)語

風(fēng)能由于其自身所具有的循環(huán)可再生的特點(diǎn)使得風(fēng)力發(fā)電成為了當(dāng)前最熱門的發(fā)電方式之一。當(dāng)前，我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)雖然已經(jīng)取得的了較大的完善和進(jìn)步但是還具有非常廣闊的發(fā)展空間。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也會持續(xù)進(jìn)步。相關(guān)工作和科技人員也會不斷挑戰(zhàn)自我，致力于對風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)中電力電子技術(shù)應(yīng)用的探索。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 呂斌.淺析新形勢下電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用[J].工業(yè) ，2019（2）：285-287.

[3] 劉光啟.淺談電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J]. 工業(yè) ，2019（9）：245-260.