國華能源投資有限公司遼寧分公司 王 剛

近年來，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、可持續(xù)的能源形式獲得了廣泛關(guān)注。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)作為關(guān)鍵設(shè)備，其電氣系統(tǒng)的性能和效率對整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和發(fā)電效率起著至關(guān)重要的作用。為了提高風(fēng)機(jī)的運行效率，有效地降低能源損耗，變頻技術(shù)逐漸成為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點。本文首先介紹了高壓變頻技術(shù)的基本原理，包括高壓變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)及其原理、變頻器功率單元結(jié)構(gòu)等。其次，詳細(xì)討論了風(fēng)機(jī)變頻控制應(yīng)用的設(shè)計，包括變頻器控制電源設(shè)計和設(shè)備選型的方法和原則。再次，分析了風(fēng)機(jī)能源損耗的現(xiàn)狀，探討了變頻技術(shù)在節(jié)能方面的運作原理。最后，通過數(shù)據(jù)分析和實驗驗證評估了變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，并提出了未來研究的展望。

1 高壓變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用設(shè)計

1.1 高壓變頻技術(shù)基本原理

高壓變頻技術(shù)作為一種重要的能源節(jié)約技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)計通常會設(shè)置一定的驅(qū)動力富余量以確保生產(chǎn)的可靠性，但這將導(dǎo)致設(shè)備在正常運行中承擔(dān)不必要的負(fù)荷，造成能源浪費。而高壓變頻技術(shù)的提出旨在通過調(diào)節(jié)設(shè)備的運行頻率來減少能源損耗，提高能效。

以風(fēng)機(jī)為例，通常在滿負(fù)荷下工作，但實際上在大部分時間內(nèi)并未充分利用其效益。通過應(yīng)用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，可以將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在額定轉(zhuǎn)速的80%左右，這理論上可以節(jié)約51.2%的功耗。除了節(jié)能的效果，滿負(fù)荷操作還會對風(fēng)機(jī)的壽命造成不利影響，縮短軸承和電機(jī)繞組的使用壽命，并增加故障的可能性。變頻調(diào)節(jié)技術(shù)通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。

基于以上分析，高壓變頻技術(shù)作為一種重要的能源節(jié)約方案，可以實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，從而提高能效和降低能耗。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用將極大地推廣可再生能源的利用。

1.1.1 高壓變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)及其原理

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是將交流電變換為直流電，再通過逆變器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的裝置。其主要由控制電源、變壓器、逆變器，以及保護(hù)電路等構(gòu)成。其中，變壓器對輸入電流進(jìn)行升壓，從而提高輸出電壓；逆變器則負(fù)責(zé)將高壓直流信號轉(zhuǎn)換回低壓交流信號，并經(jīng)過功率電子器件進(jìn)行整流。而高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)使用不同等級電壓的變頻器結(jié)構(gòu)不同，以6kV 和10kV 為例[1]。其變頻器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為變頻器典型外形圖。

圖1 6kV、10kV 系列變頻器的典型結(jié)構(gòu)圖

圖2 變頻器典型外形圖

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種將多級串聯(lián)的功率單元的PWM（脈寬調(diào)制）信號進(jìn)行移相和疊加的技術(shù)，以解決電子器件在高壓環(huán)境下的耐壓問題。在傳統(tǒng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，由于電力電子器件的電壓等級受限，難以滿足高壓環(huán)境下的要求。而高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)通過創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理，克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的限制，實現(xiàn)了在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的多級串聯(lián)功率單元可以將PWM 信號進(jìn)行移相和疊加，實現(xiàn)對電壓和頻率的精確控制。移相和疊加技術(shù)是多級串聯(lián)功率單元實現(xiàn)高壓變頻調(diào)速的核心。通過適當(dāng)?shù)匾葡嗪童B加，可以保證每個功率單元在同一時刻都處于合適的工作狀態(tài)，從而充分利用各個功率單元的能力，并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這種設(shè)計方案使高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠同時滿足高電壓環(huán)境下的要求和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變頻調(diào)速需求，提高了系統(tǒng)的運行效率和性能。

高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)中加強(qiáng)對其的精確控制，提高了運行效率和能源利用率。通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，能夠適應(yīng)不同的工況需求，從而達(dá)到了節(jié)能減排的目的。隨著對高壓變頻調(diào)速技術(shù)的不斷研究和改進(jìn)，其在工業(yè)生產(chǎn)和能源部門中的應(yīng)用前景將更加廣闊，推動能源的可持續(xù)發(fā)展。

1.1.2 變頻器功率單元結(jié)構(gòu)

頻器作為一種高效率的電力電子器件，其主要功能是將交流電源電壓轉(zhuǎn)換為直流輸出。其中，變頻器的主要組成部分就是功率模塊和控制電路。功率模塊是指由多個開關(guān)管組成的電流互感器串聯(lián)而成的電容—電阻網(wǎng)絡(luò)，其能夠通過改變開關(guān)管的工作狀態(tài)來實現(xiàn)對輸入信號的變換。而控制電路則是指由一些數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的芯片，用于控制開關(guān)管的工作狀態(tài)及信號處理。其變頻器工作原理如圖3所示。

圖3 變頻器工作原理

1.2 風(fēng)機(jī)變頻控制應(yīng)用設(shè)計

1.2.1 變頻器控制電源設(shè)計

變頻器是風(fēng)電機(jī)組的控制核心，其控制電源的設(shè)計直接影響著變頻器的工作性能和可靠性。因此，選擇合適的控制電源是非常重要的。目前常用的變頻器控制電源主要有直流電壓源、交流電壓源，以及混合型電壓源等。其中，直流電壓源是最常見的一種，其具有穩(wěn)定性好、功率密度高、體積小等優(yōu)點，適用于較小容量的變頻器。而對于較大容量的變頻器，由于需要承受較大的電流和電壓波動，所以采用交流電壓源更為合適。此外，混合型電壓源也是一種不錯的選擇，它可以同時提供直流和交流兩種類型的電壓，能夠滿足不同場合的需求。在實際工程中，為了保證變頻器穩(wěn)定運行，還需要考慮一些其他的因素，如供電線路的選擇、負(fù)載匹配等。例如，在安裝變頻器時，應(yīng)該選用符合標(biāo)準(zhǔn)的電纜線，并確保電纜長度不超過規(guī)定的限制值；同時還要對負(fù)載進(jìn)行合理匹配，以避免過大或過小的負(fù)載對變頻器的影響[2]。

1.2.2 變頻器設(shè)備選型

變頻器是一種能夠?qū)⒔涣麟娫醋儞Q成直流電或改變頻率輸出的電子器件。目前，變頻器主要分為三類：整流變頻器、半導(dǎo)體變頻器和晶閘管變頻器。其中，半導(dǎo)體變頻器是最常用的一種，具有體積小、功率大、效率高的特點。此外，半導(dǎo)體變頻器還具有可調(diào)節(jié)特性，可以對電壓和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，本文主要選擇了半導(dǎo)體變頻器作為變頻器設(shè)備。

2 風(fēng)機(jī)的能源損耗現(xiàn)狀

從目前我國機(jī)械設(shè)備的使用情況來看，風(fēng)機(jī)作為主要動力設(shè)備之一，其對電能的消耗約占全國發(fā)電總量的三分之一[3]。這表明風(fēng)機(jī)在電能消耗方面起到了重要作用。然而，在實際使用過程中大部分風(fēng)機(jī)的能耗與效益很難成正比。因此，許多單位不得不通過增加阻力的方式來滿足工藝或工況對氣體的需求，從而浪費了大量電能和金錢。然而，這種浪費電能的方式存在著調(diào)節(jié)精度差、負(fù)面效應(yīng)高等問題，對能源的浪費程度較大。為了提高風(fēng)機(jī)的能效，降低能源損耗，我們需要采取科學(xué)有效的措施。第一，應(yīng)借鑒先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，選用高效的電機(jī)和先進(jìn)的變頻器控制系統(tǒng)，從根源上提高風(fēng)機(jī)的能效。第二，要加強(qiáng)對風(fēng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)工作，定期檢查和清潔風(fēng)機(jī)設(shè)備，確保其正常運行，減少能源的浪費。

3 風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能的運作

利用變頻節(jié)能的方式可以有效控制風(fēng)機(jī)，減少空氣動力消耗，相比常用的節(jié)電方式，其效果有較大的差異[4]。風(fēng)機(jī)的特征曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)的特征曲線

在圖4中，曲線1表示風(fēng)機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速下其風(fēng)壓與風(fēng)量的特性曲線；曲線2表示管網(wǎng)風(fēng)阻的特性曲線；曲線3表示變頻運行時的特性曲線；圖4中顯示，風(fēng)壓會略微增加，軸功率與面積BH1OQ2成正比，似乎沒有明顯降低效率的跡象。而將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1變成n2，可以得到曲線4，其是轉(zhuǎn)速n2下的風(fēng)量特性曲線。通過對比這些曲線，可以清楚地看出，使用變頻調(diào)速的方式來實現(xiàn)節(jié)能的效果較好[5]。

在實際應(yīng)用過程中，變頻技術(shù)還需要結(jié)合其他控制手段，如智能控制、預(yù)測控制等，以實現(xiàn)更加高效、可靠的風(fēng)電系統(tǒng)管理。例如，利用風(fēng)流模擬模型，可以提前預(yù)估風(fēng)場的瞬時特性，并據(jù)此制定相應(yīng)的控制策略；而基于模糊控制理論的方法也可以有效地解決風(fēng)電系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。總之，變頻技術(shù)是風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能的重要組成部分之一，其能夠有效提升風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，為風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展提供有力的支持。

4 結(jié)語

綜上所述，本文深入研究了變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用實踐。通過介紹高壓變頻技術(shù)的基本原理及風(fēng)機(jī)變頻控制的設(shè)計和選擇，我們了解了該技術(shù)在提高系統(tǒng)效率和降低能源損耗方面的重要作用。同時，通過分析風(fēng)機(jī)能源損耗的現(xiàn)狀并探討變頻節(jié)能的原理，我們發(fā)現(xiàn)變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中具有顯著的節(jié)能潛力。本文的研究結(jié)果表明，通過合理應(yīng)用變頻技術(shù)，可以提高風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)的運行效率，減少能源消耗，進(jìn)而推動可持續(xù)能源的發(fā)展。