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摘 要：风力发电作为现在最具有发展潜力的一种可再生能源，以其绿色清洁无污染，成本低，收益巨大吸引了很多电力公司的青睐，如何使风电系统提高效率成了电力公司需要解决的首要问题。大功率电力电子设备接入风电系统后，风电系统会得到大幅的改善，本文将详细说明大功率电力电子设备在风电系统中如何，并且应用后会有怎样的改善效果。
关键词：大功率电力电子设备 风电系统 改善
近30年以来，风力发电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源地位。全球風能理事会（GWEC）发布《全球风电统计数据2019年报告》显示，全球风电新增装机规模为60.4GWGW，较2018年增加19%，为史上次高。截至2019年底，全球风电累计装机容量已达651GW，预测2021年全球风电有望达到800GW。由此可见，发展风力发电已经成为未来经济低碳发展的主流方向，风能发电系统逐渐成为世界各国研究的一项重要课题。
风电系统经过几十年的发展，大型风力发电机组的制造水平和控制水平已经有了很大改善，而大功率电力电子设备更是成为了风电系统中不可或缺的部分，大功率电力电子技术无论是对风电组的控制，电能的转换还是电能质量的改善都起到了关键作用。本文重点介绍大功率电力电子技术对风电系统的改善应用及其起到的作用。
一.大功率电力电子技术在风电系统中的应用
风力发电系统的运行状态分为独立运行和并网运行两种情况，独立运行是风电系统与电网直接连接，这种情况比较简单，并网运行是通过电力电子器件组成的变换器与电网连接，这种情况比较复杂。
独立运行状态一般需要配备软并网装置，安装软并网装置的原因是风电系统直接与电网连接会产生危险，异步发电机在并网瞬间容易出现较大的冲击电流，软并网装置可以避免产生这样的危险。软并网装置是发电的一个过程，作用通过软并网控制电路完成，目前软并网可以做的很平稳，整个软启动的过程可以在十几个周波到几十个周波内完成。
并网运行通过电力电子器件组成的变换器与电网连接，需要注意风力发电机的类型，目前主流的风力发电机有变速双馈异步发电机和变速同步发电机，因为这两种发电机自身的技术和构造上的特点，这两种发电机与电网连接方式比较复杂，，与电网连接时都需要电力电子技术的支持，受限制的地方比较多，不如风电系统与电网直接连接简单方便。现在研究方向主要是电力电子器件组成的变换器，这方面需要研究的内容还有很多。
大功率电力电子技术在风电系统中的应用有很多方面，比如可以利用大功率电力电子技术让风电系统完全可控，现在的风电系统还依赖高压机械开关对线路设备进行控制，而加入一些大功率电力电子器件，由大功率电力电子器件控制风力系统的高压机械开关，那么就可以实现真正的灵活调节调控电力系统。利用大功率电力电子技术，还可以实现同步开断技术，要想实现同步开断技术，根本途径在于用电子开关取代机械开关，由于机械开关特性决定，现在的风电系统还无法做到准确的定向开断，设计人员也不敢贸然降低风电系统中电力设备的绝缘水平，因为一个操作不当很可能就会造成设备损坏。现在大功率电力电子技术融入风电系统后，由固态开关构成的电容器组的配电系统“软开关”就可以实现风电系统中的同步开断。
大功率电力电子技术对于风电系统运行性能的改善突出表现在很多个方面，下面这几个方面的改善幅度尤为明显。
风电系统运行中存在问题较大的几个方面：直接联网启动电流过大，异步发电机的工作效率低，风速起变化时无法保证电压稳定。大功率电力电子技术在这几个问题的解决上起到了举重若轻的作用。
2.1软并网装置和无功补偿设备
还是风电系统的两种情况分开来说，首先是风电系统直接与电网连接的情况，直接与电网连接的风电网中使用的是恒速风机，发电机通常为鼠笼型异步发电机。此外，因为直接联网的启动电流过大，所以会使用双向晶闸管进行软并网处理，当然这一步是选择使用，如果条件达不到可以选择不使用。软并网的作用是可以将启动电流限制到1.5倍额定电流以下，从而起到平缓的并网暂态过程，防止启动电流过大对风电系统产生威胁，也使继电保护装置不要产生误动作，总之最后的主要目的就是让风电发动机可以顺利的并网。在这里就不得不介绍一下软并网的步骤：在风电符合并网条件时，双向晶闸管的控制角就会由180°向0°逐渐打开，这一步骤双向晶闸管是同步进行的，与此同时，双向晶闸管的导通角会从0°到180°逐渐打开，但是注意，此时并网开关是不会有任何动作的，这时候将异步发电机平稳并入电网，随着发电机转速的逐渐提高，电机滑差率会逐渐趋于零，当滑差率变成零时，与晶闸管并联的触头就会自动发生动作，双向晶闸管自动被短接，到这里，双向晶闸管的软并网就完成了。
在异步发电机出入口接入无功补偿装置最主要的目的就是为了提高异步发电机的功率因数，首先无功补偿装置有固定电容器组常见、静止无功补偿器（也就是常说的svc）、静止无功发生器等等比较常见，这些无功补偿器各有特点，需要看实际情况选用。接下来我们将仔细说明这几种无功补偿器可以起到的不同的作用。
首先是固定电容器组，固定电容器组的作用是可以将未补偿前较低的功率因数提升为0.98左右，前提要求是固定电容器组需要在风电运行中按一定顺序分组投入或者切出，固定电容器组最大的优点就是价格便宜，还能满足基本的功能，一些准备资金不是很多的企业降低成本可以使用固定电容器组，总体来说固定电容器组的适用范围还是很广泛的同时固定电容器组的缺点也非常明显，那就是调节不连续，反应速度缓慢，很难满足一些风机无功功率随机高速变换的需要，因此如果对于风机无功率变换速度要求比较高的地方，固定电容器组很难满足要求。 静止无功补偿器是由多组可投切电容器、快速可调整容量的电抗器，以及各种次谐波滤波装置组成。先说静止无功补偿器的优点，第一响应速度快，可以快速跟踪负荷变化而无功的大小和方向，第二在一定程度上稳定波动电压，提高电能质量，可以说静止无功补偿器的功能作用非常全面，当然，并不是说静止无功补偿器没有缺点，静止无功补偿器最大的缺点就是在电压比较低时无法提供所需要的无功补偿，所以如果不能满足电压稳定，静止无功补偿器就不再是一个很好的选择了。
最后再来说一下静止无功发生器，复杂的静止无功发生器是基于电力电子技术和控制技术结合产生的一种产品，静止无功发生器的作用没有太明显的突出点，当然，这也是它的最大优点，就是各方面作用都很平均，这就归结于大功率电力电子技术的应用，综合了以上两种方法的优点，同时尽力避免了以上两者的缺点。静止无功发生器的工作原理是通过与系统进行无功功率交换来维持系统电压稳定，首先不受限于电压是一个优点，它的无功率输出可以保持恒定即使在电压波动很大的条件下，在低电压时也能提供稳定的无功输出，其次反应速度也很快，可以从感性到容性全范围内持续调节。可以说静止无功发生器是三种无功补偿器中最理想的一种，但是静止无功发生器高昂的价格阻止了它的大规模使用。在一些要求比较高，同时不是很在意价格的场合，适合使用静止无功发生器。
2.2电力电子发生器
可变速风力发电机的风力电场把电力电子转换器连接至电网时，用的拓扑结构往往是最经典的拓扑结构，其中变换器多采用双PWM控制的交-直-交变幻形式。电力电子转换器的工作原理是利用发电机转频信号，来自于安装于双馈感应发电机端的速度检测器，在此基础上通过该信号控制调控波的频率，与此同时利用PWM调控技术控制变流器开关器件的开启与关闭，从而控制变流器控制电压的幅值与相位。在电机轴速与电网频率之间安装一个软连接就是转频器。明白了这个原理之后，电力电子发生器的作用就很明显的可以看出来，就是可以单独对有功无功进行控制，而且可以在保证风速稳定变化的情况下，向电网输送高质量的电能，在成本和容量方面来说双馈电机变流器可以做到谐波含量只占整个系统的一小部分，风力发电系统的控制设备包含了非常有效的电机电磁转矩动态算法，在此过程中，由风波动引起的能量过量或者匮乏，可以通过另外的形式转存在风力发电机组的旋转质量中。这样就可以解决电力波动问题，也就是消除风力发电厂因为风力不稳定的问题导致能量质量好坏不均匀的情况，有利于维持电网连接点的电压质量。电力电子转换器消除了发电机与电网之间的直接障碍，有利于电网故障期间保持风场与电网连接，并且可以向电网持续提供能量，不但可以保证在极端情况下的能量提供，还可以不损害电机。
而且，经过有关人员研究发现，减轻由风速变化引起的电压波动和谐波问题，是经电力电子转换器接入电网的变速机在适当的控制系统作用转变的而且，这一研究还发现，越先进的转换器越可以帮助系统进行电压调节。一些用于风力发电的发电机，他们就需要电力电子转换器与电网相连接，尽管在细节上可能有些差别，也就是变换器类型或者接线方式不同的差别，但是他们在功能上与刚才所说的双馈风力发电系统并无实质上的区别。
2.3电力电子器件为核心的储能装置
电力电子器件为核心的储能装置，由于其核心是大功率电力电子器件，可以保证在风力出现波动的情况下灵活处理风电系统的能量问题，保证电压稳定，这种储能装置，可以在风压小的情况下放出储存的能量，使电能转换情况与平时差别不大，在风压大的情况下，可以将过多的電量及时储存，以免出现伤害电机的情况。运用电力电子器件为核心的储能装置，主要目的就是将不确定的外界风压状况，改变为可控制的状况。
三.结束语
从以上几点可以看出，大功率电力电子技术的快速发展给风电系统带来了很多改善应用，例如软并网装置和无功补偿器的应用以及电力电子发生器的应用等。加入大功率电力电子设备，可以给本来问题复杂解决困难的风电系统带来新的转机，让一些原本使用风电系统困难的地方，也可以接触到风电系统带来的便利。未来风电系统的便利应该还会大幅度增加，兴许还会进入真正的风电时代。
参考文献：
[1] 王伟. 同步风力发电机的稳态模型及其并网问题研究[D].北京：北京交通大学，2008
[2] 马威. 基于永磁同步发电机的直驱式风电系统建模与仿真[D].兰州：兰州理工大学，2010
[3] 沈旭珍. 永磁直驱风力发电系统的并网运行控制策略研究[D].保定：华北电力大学，2011
[4] 张凤岗. 双馈变速凸极同步电机及其控制研究[D].武汉：华中科技大学，2006
关键词：大功率电力电子设备 风电系统 改善
近30年以来，风力发电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源地位。全球風能理事会（GWEC）发布《全球风电统计数据2019年报告》显示，全球风电新增装机规模为60.4GWGW，较2018年增加19%，为史上次高。截至2019年底，全球风电累计装机容量已达651GW，预测2021年全球风电有望达到800GW。由此可见，发展风力发电已经成为未来经济低碳发展的主流方向，风能发电系统逐渐成为世界各国研究的一项重要课题。
风电系统经过几十年的发展，大型风力发电机组的制造水平和控制水平已经有了很大改善，而大功率电力电子设备更是成为了风电系统中不可或缺的部分，大功率电力电子技术无论是对风电组的控制，电能的转换还是电能质量的改善都起到了关键作用。本文重点介绍大功率电力电子技术对风电系统的改善应用及其起到的作用。
一.大功率电力电子技术在风电系统中的应用
风力发电系统的运行状态分为独立运行和并网运行两种情况，独立运行是风电系统与电网直接连接，这种情况比较简单，并网运行是通过电力电子器件组成的变换器与电网连接，这种情况比较复杂。
独立运行状态一般需要配备软并网装置，安装软并网装置的原因是风电系统直接与电网连接会产生危险，异步发电机在并网瞬间容易出现较大的冲击电流，软并网装置可以避免产生这样的危险。软并网装置是发电的一个过程，作用通过软并网控制电路完成，目前软并网可以做的很平稳，整个软启动的过程可以在十几个周波到几十个周波内完成。
并网运行通过电力电子器件组成的变换器与电网连接，需要注意风力发电机的类型，目前主流的风力发电机有变速双馈异步发电机和变速同步发电机，因为这两种发电机自身的技术和构造上的特点，这两种发电机与电网连接方式比较复杂，，与电网连接时都需要电力电子技术的支持，受限制的地方比较多，不如风电系统与电网直接连接简单方便。现在研究方向主要是电力电子器件组成的变换器，这方面需要研究的内容还有很多。
大功率电力电子技术在风电系统中的应用有很多方面，比如可以利用大功率电力电子技术让风电系统完全可控，现在的风电系统还依赖高压机械开关对线路设备进行控制，而加入一些大功率电力电子器件，由大功率电力电子器件控制风力系统的高压机械开关，那么就可以实现真正的灵活调节调控电力系统。利用大功率电力电子技术，还可以实现同步开断技术，要想实现同步开断技术，根本途径在于用电子开关取代机械开关，由于机械开关特性决定，现在的风电系统还无法做到准确的定向开断，设计人员也不敢贸然降低风电系统中电力设备的绝缘水平，因为一个操作不当很可能就会造成设备损坏。现在大功率电力电子技术融入风电系统后，由固态开关构成的电容器组的配电系统“软开关”就可以实现风电系统中的同步开断。
- 大功率电力电子技术对风电系统运行性能的改善
大功率电力电子技术对于风电系统运行性能的改善突出表现在很多个方面，下面这几个方面的改善幅度尤为明显。
风电系统运行中存在问题较大的几个方面：直接联网启动电流过大，异步发电机的工作效率低，风速起变化时无法保证电压稳定。大功率电力电子技术在这几个问题的解决上起到了举重若轻的作用。
2.1软并网装置和无功补偿设备
还是风电系统的两种情况分开来说，首先是风电系统直接与电网连接的情况，直接与电网连接的风电网中使用的是恒速风机，发电机通常为鼠笼型异步发电机。此外，因为直接联网的启动电流过大，所以会使用双向晶闸管进行软并网处理，当然这一步是选择使用，如果条件达不到可以选择不使用。软并网的作用是可以将启动电流限制到1.5倍额定电流以下，从而起到平缓的并网暂态过程，防止启动电流过大对风电系统产生威胁，也使继电保护装置不要产生误动作，总之最后的主要目的就是让风电发动机可以顺利的并网。在这里就不得不介绍一下软并网的步骤：在风电符合并网条件时，双向晶闸管的控制角就会由180°向0°逐渐打开，这一步骤双向晶闸管是同步进行的，与此同时，双向晶闸管的导通角会从0°到180°逐渐打开，但是注意，此时并网开关是不会有任何动作的，这时候将异步发电机平稳并入电网，随着发电机转速的逐渐提高，电机滑差率会逐渐趋于零，当滑差率变成零时，与晶闸管并联的触头就会自动发生动作，双向晶闸管自动被短接，到这里，双向晶闸管的软并网就完成了。
在异步发电机出入口接入无功补偿装置最主要的目的就是为了提高异步发电机的功率因数，首先无功补偿装置有固定电容器组常见、静止无功补偿器（也就是常说的svc）、静止无功发生器等等比较常见，这些无功补偿器各有特点，需要看实际情况选用。接下来我们将仔细说明这几种无功补偿器可以起到的不同的作用。
首先是固定电容器组，固定电容器组的作用是可以将未补偿前较低的功率因数提升为0.98左右，前提要求是固定电容器组需要在风电运行中按一定顺序分组投入或者切出，固定电容器组最大的优点就是价格便宜，还能满足基本的功能，一些准备资金不是很多的企业降低成本可以使用固定电容器组，总体来说固定电容器组的适用范围还是很广泛的同时固定电容器组的缺点也非常明显，那就是调节不连续，反应速度缓慢，很难满足一些风机无功功率随机高速变换的需要，因此如果对于风机无功率变换速度要求比较高的地方，固定电容器组很难满足要求。 静止无功补偿器是由多组可投切电容器、快速可调整容量的电抗器，以及各种次谐波滤波装置组成。先说静止无功补偿器的优点，第一响应速度快，可以快速跟踪负荷变化而无功的大小和方向，第二在一定程度上稳定波动电压，提高电能质量，可以说静止无功补偿器的功能作用非常全面，当然，并不是说静止无功补偿器没有缺点，静止无功补偿器最大的缺点就是在电压比较低时无法提供所需要的无功补偿，所以如果不能满足电压稳定，静止无功补偿器就不再是一个很好的选择了。
最后再来说一下静止无功发生器，复杂的静止无功发生器是基于电力电子技术和控制技术结合产生的一种产品，静止无功发生器的作用没有太明显的突出点，当然，这也是它的最大优点，就是各方面作用都很平均，这就归结于大功率电力电子技术的应用，综合了以上两种方法的优点，同时尽力避免了以上两者的缺点。静止无功发生器的工作原理是通过与系统进行无功功率交换来维持系统电压稳定，首先不受限于电压是一个优点，它的无功率输出可以保持恒定即使在电压波动很大的条件下，在低电压时也能提供稳定的无功输出，其次反应速度也很快，可以从感性到容性全范围内持续调节。可以说静止无功发生器是三种无功补偿器中最理想的一种，但是静止无功发生器高昂的价格阻止了它的大规模使用。在一些要求比较高，同时不是很在意价格的场合，适合使用静止无功发生器。
2.2电力电子发生器
可变速风力发电机的风力电场把电力电子转换器连接至电网时，用的拓扑结构往往是最经典的拓扑结构，其中变换器多采用双PWM控制的交-直-交变幻形式。电力电子转换器的工作原理是利用发电机转频信号，来自于安装于双馈感应发电机端的速度检测器，在此基础上通过该信号控制调控波的频率，与此同时利用PWM调控技术控制变流器开关器件的开启与关闭，从而控制变流器控制电压的幅值与相位。在电机轴速与电网频率之间安装一个软连接就是转频器。明白了这个原理之后，电力电子发生器的作用就很明显的可以看出来，就是可以单独对有功无功进行控制，而且可以在保证风速稳定变化的情况下，向电网输送高质量的电能，在成本和容量方面来说双馈电机变流器可以做到谐波含量只占整个系统的一小部分，风力发电系统的控制设备包含了非常有效的电机电磁转矩动态算法，在此过程中，由风波动引起的能量过量或者匮乏，可以通过另外的形式转存在风力发电机组的旋转质量中。这样就可以解决电力波动问题，也就是消除风力发电厂因为风力不稳定的问题导致能量质量好坏不均匀的情况，有利于维持电网连接点的电压质量。电力电子转换器消除了发电机与电网之间的直接障碍，有利于电网故障期间保持风场与电网连接，并且可以向电网持续提供能量，不但可以保证在极端情况下的能量提供，还可以不损害电机。
而且，经过有关人员研究发现，减轻由风速变化引起的电压波动和谐波问题，是经电力电子转换器接入电网的变速机在适当的控制系统作用转变的而且，这一研究还发现，越先进的转换器越可以帮助系统进行电压调节。一些用于风力发电的发电机，他们就需要电力电子转换器与电网相连接，尽管在细节上可能有些差别，也就是变换器类型或者接线方式不同的差别，但是他们在功能上与刚才所说的双馈风力发电系统并无实质上的区别。
2.3电力电子器件为核心的储能装置
电力电子器件为核心的储能装置，由于其核心是大功率电力电子器件，可以保证在风力出现波动的情况下灵活处理风电系统的能量问题，保证电压稳定，这种储能装置，可以在风压小的情况下放出储存的能量，使电能转换情况与平时差别不大，在风压大的情况下，可以将过多的電量及时储存，以免出现伤害电机的情况。运用电力电子器件为核心的储能装置，主要目的就是将不确定的外界风压状况，改变为可控制的状况。
三.结束语
从以上几点可以看出，大功率电力电子技术的快速发展给风电系统带来了很多改善应用，例如软并网装置和无功补偿器的应用以及电力电子发生器的应用等。加入大功率电力电子设备，可以给本来问题复杂解决困难的风电系统带来新的转机，让一些原本使用风电系统困难的地方，也可以接触到风电系统带来的便利。未来风电系统的便利应该还会大幅度增加，兴许还会进入真正的风电时代。
参考文献：
[1] 王伟. 同步风力发电机的稳态模型及其并网问题研究[D].北京：北京交通大学，2008
[2] 马威. 基于永磁同步发电机的直驱式风电系统建模与仿真[D].兰州：兰州理工大学，2010
[3] 沈旭珍. 永磁直驱风力发电系统的并网运行控制策略研究[D].保定：华北电力大学，2011
[4] 张凤岗. 双馈变速凸极同步电机及其控制研究[D].武汉：华中科技大学，2006