摘要：风力电子技术的成熟在很大程度上推动了我国风电行业的发展。在一些中大规模的风电场，像矩阵变换器、超导储能单元等电力电子设备，在风电系统中发挥的作用显著，且带来的效益也十分可观，例如优化了机组运行特性、降低了风电并网后对电网带来的负面影响等。本文首先介绍了几种常见的风力电子设备，随后就电力电子技术在风电系统中的具体应用，以及这一技术在未来一段时间的发展趋势进行了简要分析。
关键词：风力发电；矩阵变换器；超导储能单元；风电并网
引言：相比于传统的水电、火电等发电控制系统，由于风能本身的随机性、不可控性，决定了在风电系统中会使用到更多数量、更多种类的电力电子设备。例如使用矩阵变换器有利于捕获最大风能，使用绝缘栅双极型晶体管可以改善谐波因数等。结合风电场运行的实际需要，恰当选择电力电子设备和选用电力电子技术，无论是从改善风电系统自身的运行性能，还是从维护风电公司的综合效益来看，都是大有裨益的。
一、风力发电系统主要的电力电子设备
1、绝缘栅双极型晶体管
绝缘栅双极型晶体管是一种复合型元件，从结构组成上来看，可以将其分为两个部分，即双极型三极管和绝缘栅型场效应管。通过两种元件的组合，保证了具备高输入阻抗的同时，又能够兼具低导通压降的特点。在电路中，将绝缘栅双极型晶体管与电压源换流器进行串联连接。无论是电路中出现电压波动还是发生短路故障，都可以做到无源逆变。目前绝缘栅双极型晶体管在实际应用中面临的一个主要问题是：由于风速存在较大的波动变化，在机组运行过程中可能会导致该模块出现温度升高的情况。随着机组投入运行时间的延长，反复的升温、降温导致铜底片与基板之间产生周期性热效应。可以选择在绝缘栅双极型晶体管的前端接入逆变器，通过控制输出电流达到稳流、稳压的效果。
2、矩阵式变换器
矩阵式变换器的本质是一种交-交电源变换器。在风电系统中，该设备可以根据控制系统发出的相关指令，完成对电路系统中交流电相位、幅值、频率等具体参数的调整，从而保证了风电系统的稳定运行。从运作原理上来看，基于矩阵式变换器进行电流调制主要分为3种形式：第一种是直接变换。与斩波器连接后配合工作，可以对穿过矩阵式变换器的电压进行连续斩波，改善电流的波形；第二种是直流跟踪。将实测所得的输出电流信号，与额定电流信号进行对比。以对比结果作为参照，决定控制策略，有助于提高风电控制系统的响应速度；第三种是直接变换法，既可以改变输出、输入电流的波形，又能够调节输入功率因素。
3、交-直-交变频器
在变速恒频风力发电系统中，交-直-交变频器是不可或缺的重要元件，从实际应用效果来看，它不仅具备交-交变频器的部分优点，而且还能够克服诸如输入功率因数低、电压谐波多等缺点，在改善变速恒频风电系统的运行效率与提升整体性能方面优势显著。另外，交-直-交变频器还具有较广的适用范围，无论风电场规模大小，海域或陆域环境，以及变速恒频双馈电机或是无刷双馈电机等，均可以使用交-直-交变频器达到预期的控制效果。另外，针对风电系统面临的风速不稳定、风能不连续的问题，也能够借助于交-直-交变频器实现对机组的智能调速，在降低机组运行负荷、提高发电质量方面也有一定积极作用。
4、超导储能单元
风电技术的成熟使得大规模、大容量的风力发电场越来越多。这些大型风电场在并网之后，对电网产生的影响也十分明显。例如可能会造成电网电压波动，进而对电网中一些电气设备的运行工况、使用寿命等产生负面影响。
为了保证风电并网之后，对电网造成的不利影响降到最低，需要从风电场一侧采取必要的控制措施，这时超导储能单元就发挥了特殊优势。超导储能单元SMES由一个超导线圈，强制换流器，控制器组成。由风力发电机组输出的功率、电压、电流，在并网之间先通过超导储能单元进行存储，并进行换流、稳流，这样就保证了最终进入到电网的电压、电流相对稳定，对电网产生的波动影响降低。
二、风力发电中电力电子技术的运用
1、风电并网技术
随着我国风电事业的不断成熟，风电带来的环保效益、经济效益明显，实现风电的并网运行既可以解决能源紧缺的问题，同时又可以维护风电公司利益，促进风电行业发展。但是如果将风电场直接连入电网，除了会导致电网电压不稳定外，异步电机产生的瞬时高额电流，也极有可能导致电网中一些敏感的电气设备，因为过流而烧毁。因此，如何解决风电并网难的问题成为制约行业发展的一个重要现实问题。电力电子技术的运用，在支持风电并网方面也发挥了积极作用。例如安装软并网装置，可以对异步电机的冲击电流进行有效的控制，将其限定在一定范围之内，减少了风电并网的危害后果。
2、恒速恒频发电系统
该系统采用的普通异步发电机一般运行在超同步状态，他的转差率非正，且变化并不明显，可以看做恒速恒频。恒速恒频系统中使用到的电力电子设备相对较少，并且在系统的实际运行中，也发现了一些不足，例如当风速不稳的情况下，像风力发系统中的主轴等重要部件，容易发生磨损。在实际工程中，通常会采用静止无功补偿器进行必要的无功调节，一般采用TSC或SVC进行调节，简单来说就是采取软起动来的方式，有效减小启动时发电机的电流。
3、变速恒频发电系统
该系统采用的是电力电子变频器。由于转速是变化的，所以能够实现对最大功率的跟踪，使得只要达到可发电风速时，就能实现最佳的功率输出，极大提高了风力发电效率；风轮机可以跟着风速的变化而自行改变转速，从而大大减小了力矩的脉冲幅度，对风力机的机械应力减小；针对风能的不断变化，风轮机可以进行加速、减速进行缓冲，减小输出功率的波动；通过采取SVPWM等控制策略，对风电机组无功输出和有功输出进行解藕控制，进而实现对无功输出和有功输出的单独控制，具备控制电压的能力。
三、风力发电中电力电子技术的发展趋势
电力电子技术的广泛应用在提高风电系统整体协调性、运行稳定性等方面发挥了显著优势。在我国风电行业蓬勃发展的过程中，电力电子技术的研发工作也在不断推进。结合风电前沿技术的发展情况，未来电力电子技术的创新方向主要面向智能化。随着风电机组装机容量的增加，系统内部结构也会变得更加复杂，各类电气控制设备的数量、种类都会相应的增多。这种情况下就需要利用更加智能化的控制中心，结合5G技术、大数据技术，实现风电系统运行工况的采集与传输，然后利用AI系统做出决策，下达控制指令，让风电机组在稳定运行的基础上，让输出电能的“质”和“量”都得到提升。
结语：在风力发电中，电力电子元件不仅是风电系统的重要组成部分，而且通过配合控制系统，在捕获最大风能、提高发电效率以及减轻风电机组维护压力等诸多方面均体现出了强大的应用优势。近年来，风电市场的规模不断扩大，竞争压力也在持续增加，风电公司应当加强对电力电子技术的研发、引进和推广，将技术优势转化为竞争优势，实现自身竞争力的提升，也推动我国风电市场的健康发展。
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