万敏
摘 要：随着经济迅速的发展，我国经济总量已跃居世界前列。然而，能源消耗总量也持续大幅增长，我国已成为能源生产和消费大国。目前，我国能源存在污染严重、节能减排的压力大等问题，调整能源结构、开发和利用可再生能源将是能源发展的必然选择。而针对我国的自然环境实际情况，具有非常丰富的风能，因此大力开发风能对缓解能源紧张、改善环境特别重要。
关键词：风能 变换器 输出功率
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0067-02
当前社会环境下，能源消耗总量也持续大幅增长，我国已成为能源生产和消费大国。目前，我国经济社会发展呈现新的阶段性特征，传统的粗放型经济发展方式正面临资源消耗的瓶颈，能源利用方面存在效率低、污染严重等问题，节能减排的压力很大。能源是经济社会发展的基础，同时也是影响经济社会发展的主要因素。随着经济社会的发展，人们使用能源特别是化石能源越来越多，能源对经济社会发展的制约日益突出，对赖以生存的自然环境的影响也越来越大，而化石能源最终将消耗殆尽。因此，提高能源利用效率、调整能源结构、开发和利用可再生能源将是能源发展的必然选择。
1 风力机的基础理论
一般而言，小容量的风力机多采用垂直轴，而大容量的风力机多采用水平轴，其中，可以再进行更细的划分，考虑轮毂与桨叶的结构，根据它们之间是不是固定的结构形式，可分为两类风力机，如轮毂与桨叶之间的连接是固定的，不能充分根据风速的大小调节桨距角，则是定桨距风力机，如轮毂与桨叶之间的连接是非固定的，可以调节桨叶与风的角度即桨距角是可变的，能调整风力机的输出的功率，则是变桨距风力机，目前绝大部分的风力机都是采用变浆距的结构，变浆距、定浆距风力机都归类于水平轴风力机。
2 风力机的运行特性
风速和空气密度决定了风能的大小。风速有不确定性因素，风速的大小可能時刻在不断变化，方向也是在不断的变化。由空气动力学和流体力学理论可得到，流动空气的动能E可以用下式来表示：，式中m是空气质量;v是流动空气的速度，即风速。
以ρ表示流动空气的密度，如在单位的时间内，空气的截面积为S，在这种情况下的风能为：
，风力发电的最终目的是将风能成功的转化为电能，但这个过程并不是一步可以完成的，需要多个装置的相互配合。首先要把风机捕获到的风能有效的变为机械能，然后将能量传送至机械轴，进而带动发电机进行发电，才能完成风力发电的整个过程。
贝兹（Betz）第一个阐述了风力机的空气动力学原理。贝兹假设风轮是处于理想状态的，即它的轮毂是不存在的，风轮叶片的数量并不是只有几片，还是无限多，气体能够很顺利的通过汽轮，并且在通过时没有阻力;除此之外，假设流过风轮扫掠面的空气是很均匀的，不存在各处密度不同的情况，并且气流在通过风轮之前和通过风轮之后的速度方向均为轴向。根据空气动力学方面的相关理论，在理想条件下，可以推导出在气流流过风轮后，风轮能够捕获到的最大功率为：
，风轮能够捕获到的最大风能和流过风轮的总风能的比值定义为风能利用系数，此比值就是风力机在理论上的最大效率：
，上式是贝兹极限值。由于受到各方面因素的限制，风力机不可能将自然风流动的能量全部捕获到。
风能与风能利用系数成正比，因此，风力机利用风能的效率主要是由风力机的风能利用系数反映的，影响大小的因素有很多，例如风力机转速、风速以及叶片参数浆距角等。假设不需要考虑叶轮直径和转速，在一些特定情况下，引入叶尖速比λ，以便对叶轮的性能进行分析，λ即叶片的叶尖线速度和风速之间的比值：
，式中，n—风轮的转速，r/s，ωv—风轮角速度，rad/s;R，v—同上。在变速恒频（VSCF）风力发电机组中，风力机为变桨距结构。在大部分情况下，和风力机的效率密不可分。可根据来衡量风力机的运行性能[44]，风能利用系数是浆距角β和叶尖速比λ的函数，即：
在对风力机进行设计时，有两个方面需要注意，第一是采用的运行控制策略合理可行，在不同的风速下，始终维持在最大值，充分利用风能，使风力机的输出功率为最大值，单位时间内大大提高发电量，提高效率获得最大的经济利益。第二是除了实现最大风能捕获之外，在整个发电过程中使风电机组各部件受到的损害较小，能够保证其的安全性。当这两个方面的要求都能够满足时，预期的控制目标便能顺利的实现。当β=0，λ=λmax时，此时风力机的为最大值，最大值为。定浆距风力机可以认为是桨距角为一恒值情况下的变桨距风力机。
3 双馈式风电系统变换器
除了交-直-交和交-交变换器这两种变换器之外，还有矩阵变换器，矩阵变换器存在一些缺点，例如要使用较多的各种辅助器件，比较难以控制，还需继续进行实验，来进一步完善它的功能。
下面对交-交变换器、矩阵变换器和交-直-交变换器分别介绍。
3.1 交-交变换器
此种变换器有较为特殊的输出电压，其由一些电压波头组合而成，因此，在这种情况下，含有的低次谐波较多，造成的污染较大，会降低电能各个方面的效率，对输入和输出特性造成影响，难以得到理想的结果。
3.2 矩阵变换器
矩阵变换器也在交-交变换器的范畴之内，它与传统的交-交变换器有所不同，它有很大的控制自由度，能够任意的调节输入功率因数和得到任意的输出频率，且器件体积较小，便于安装。但它需要大量的功率器件，不便于控制，尚未在工程中得到实际应用。
3.3 交-直-交型双 PWM 型变换器
在双 PWM 型变换器中，电机侧变换器的主要重点在于对矢量进行控制，来实现无功功率调节的目标，本文重点对网侧变换器进行研究，在能量双向流动的条件下，使直流母线电压保持恒定，并有效的调节网侧功率因数。此双 PWM 型变换器的结构是的，称为“背靠背” 双 PWM结构。双 PWM 三电平结构变换器比传统的交-直-交变换器性能更加优越，有更佳的输入、输出特性，产生的谐波更低，随着变频器技术的不断成熟，它在风力发电系统中的应用变得更为广泛、更加深入。
4 结语
世界各国都在不断开发新能源，在各种新能源中，风能储存量丰富。风电装机容量不断增加，风力发电系统对接入电网的影响不容忽略。风力系统并网后经常受到电网电压扰动的影响，电压跌落是其中一种常见的故障形式，严重时造成风力系统的脱网，甚至电力系统的振荡，为减少风力发电机组脱网运行，研究电网电压跌落下风力发电系统的行为、特性，对电网的安全运行有很大意义。
参考文献
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