1973年發生的第一次石油危機促成近代風力發電產業發展之契機,之後經過近30年的起伏,在進入21世紀後,由於能源與環保議題日益受到重視,風力發電又再次成為能源產業之焦點。電力電子是現代風力發電系統的關鍵技術之一,本文將對電力電子於風力發電做一介紹。

風力發電的原理,是利用風力帶動風車葉片旋轉,再透過增速齒輪箱將旋轉的速度提高,來促使發電機發電。大型風力發電機組是近年來風力發電市場的主流,基於勵磁需求及儲能限制的考量,除離島應用外,大型風力發電機組必須與電網併聯,係屬於分散式發電系統(Dispersed Generation,DG)的一種。相較於傳統發電設備的規模(單機容量即達數百MW)與集中程度(安裝於固定發電廠內,與輸電系統相連),風力發電機組的發電量屬中小規模,安裝地點分布較廣,通常與配電系統連接。

雖然風力發電是潔淨能源,但早期受限於技術尚無法妥善處理風的隨機性及季節性問題,對電力系統穩定度帶來負面衝擊。近年來由於大量研發資源的投入成果顯著,上述問題得到明顯改善,風力發電機組之單機容量在過去十年成長將近四倍,使發電成本日趨接近傳統發電方式。

在風力發電機組的技術進展過程中,變速型風機成為主流無疑是促成大型風力發電機組大幅成長的最重要因素之一。變速型風機透過對傳動機構或電機的控制,使其葉輪(Rotor Blade)轉速在額定風速內可以隨風速大小而改變。

相較於傳統定速型風機,變速型風機之主要優點包括︰在額定風速以下,可擷取較大風能;可降低陣風對傳動系統及機構之負荷;可維持電力品質及電壓穩定度,減少對電網之衝擊。目前市售之大型風力發電機組以採用電機控制方式調整葉輪轉速為主流,其電機輸出功率多在1MW以上,普遍使用較大功率之電力轉換器(Power Converter)來進行轉速調節,是電力電子的重要新興應用領域。

電力轉換器之架構與搭配交流馬達的變頻器大抵相同,差別在於電力轉換器係應用於電能輸配的「發電側」而非「用電側」,且電壓及功率較大(>500kW)。隨著變速控制之大型風力發電機組技術日臻成熟,風力發電除了可將風能轉換為電能饋送至電網外,更能提供穩定電網所需要之虛功的操作性,因此風電場的角色已接近傳統電廠,其應用比例將可望提高到整體能源應用之20%以上,有效降低現代社會對石化燃料的倚賴。

而電力電子產品及技術是促成風力發電快速發展的關鍵因素,市場潛力極大,適合國內產官學研界積極投入及深耕。由於國內重工業整體發展較不如輕工業,在市場支撐及開發皆不足的情況下,國內電力電子產業雖然已具有不錯的競爭力,但過去對較大功率(>500kW)電力電子產品涉入較少,因此對於電力電子應用於大型風力發電之市場目前仍僅止於觀望。

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