基于新能源風(fēng)力發(fā)電原理相關(guān)知識概述

萬敏

摘 ? 要：隨著經(jīng)濟迅速的發(fā)展，我國經(jīng)濟總量已躍居世界前列。然而，能源消耗總量也持續(xù)大幅增長，我國已成為能源生產(chǎn)和消費大國。目前，我國能源存在污染嚴重、節(jié)能減排的壓力大等問題，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、開發(fā)和利用可再生能源將是能源發(fā)展的必然選擇。而針對我國的自然環(huán)境實際情況，具有非常豐富的風(fēng)能，因此大力開發(fā)風(fēng)能對緩解能源緊張、改善環(huán)境特別重要。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能 ?變換器 ?輸出功率

中圖分類號：TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0067-02

當(dāng)前社會環(huán)境下，能源消耗總量也持續(xù)大幅增長，我國已成為能源生產(chǎn)和消費大國。目前，我國經(jīng)濟社會發(fā)展呈現(xiàn)新的階段性特征，傳統(tǒng)的粗放型經(jīng)濟發(fā)展方式正面臨資源消耗的瓶頸，能源利用方面存在效率低、污染嚴重等問題，節(jié)能減排的壓力很大。能源是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)，同時也是影響經(jīng)濟社會發(fā)展的主要因素。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們使用能源特別是化石能源越來越多，能源對經(jīng)濟社會發(fā)展的制約日益突出，對賴以生存的自然環(huán)境的影響也越來越大，而化石能源最終將消耗殆盡。因此，提高能源利用效率、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、開發(fā)和利用可再生能源將是能源發(fā)展的必然選擇。

1 ?風(fēng)力機的基礎(chǔ)理論

一般而言，小容量的風(fēng)力機多采用垂直軸，而大容量的風(fēng)力機多采用水平軸，其中，可以再進行更細的劃分，考慮輪轂與槳葉的結(jié)構(gòu)，根據(jù)它們之間是不是固定的結(jié)構(gòu)形式，可分為兩類風(fēng)力機，如輪轂與槳葉之間的連接是固定的，不能充分根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)節(jié)槳距角，則是定槳距風(fēng)力機，如輪轂與槳葉之間的連接是非固定的，可以調(diào)節(jié)槳葉與風(fēng)的角度即槳距角是可變的，能調(diào)整風(fēng)力機的輸出的功率，則是變槳距風(fēng)力機，目前絕大部分的風(fēng)力機都是采用變漿距的結(jié)構(gòu)，變漿距、定漿距風(fēng)力機都歸類于水平軸風(fēng)力機。

2 ?風(fēng)力機的運行特性

風(fēng)速和空氣密度決定了風(fēng)能的大小。風(fēng)速有不確定性因素，風(fēng)速的大小可能時刻在不斷變化，方向也是在不斷的變化。由空氣動力學(xué)和流體力學(xué)理論可得到，流動空氣的動能E可以用下式來表示：，式中m是空氣質(zhì)量;v是流動空氣的速度，即風(fēng)速。

以ρ表示流動空氣的密度，如在單位的時間內(nèi)，空氣的截面積為S，在這種情況下的風(fēng)能為：

，風(fēng)力發(fā)電的最終目的是將風(fēng)能成功的轉(zhuǎn)化為電能，但這個過程并不是一步可以完成的，需要多個裝置的相互配合。首先要把風(fēng)機捕獲到的風(fēng)能有效的變?yōu)闄C械能，然后將能量傳送至機械軸，進而帶動發(fā)電機進行發(fā)電，才能完成風(fēng)力發(fā)電的整個過程。

貝茲（Betz）第一個闡述了風(fēng)力機的空氣動力學(xué)原理。貝茲假設(shè)風(fēng)輪是處于理想狀態(tài)的，即它的輪轂是不存在的，風(fēng)輪葉片的數(shù)量并不是只有幾片，還是無限多，氣體能夠很順利的通過汽輪，并且在通過時沒有阻力;除此之外，假設(shè)流過風(fēng)輪掃掠面的空氣是很均勻的，不存在各處密度不同的情況，并且氣流在通過風(fēng)輪之前和通過風(fēng)輪之后的速度方向均為軸向。根據(jù)空氣動力學(xué)方面的相關(guān)理論，在理想條件下，可以推導(dǎo)出在氣流流過風(fēng)輪后，風(fēng)輪能夠捕獲到的最大功率為：

，風(fēng)輪能夠捕獲到的最大風(fēng)能和流過風(fēng)輪的總風(fēng)能的比值定義為風(fēng)能利用系數(shù)，此比值就是風(fēng)力機在理論上的最大效率：

，上式是貝茲極限值。由于受到各方面因素的限制，風(fēng)力機不可能將自然風(fēng)流動的能量全部捕獲到。

風(fēng)能與風(fēng)能利用系數(shù)成正比，因此，風(fēng)力機利用風(fēng)能的效率主要是由風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)反映的，影響大小的因素有很多，例如風(fēng)力機轉(zhuǎn)速、風(fēng)速以及葉片參數(shù)漿距角等。假設(shè)不需要考慮葉輪直徑和轉(zhuǎn)速，在一些特定情況下，引入葉尖速比λ，以便對葉輪的性能進行分析，λ即葉片的葉尖線速度和風(fēng)速之間的比值：

，式中，n—風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，r/s，ωv—風(fēng)輪角速度，rad/s;R，v—同上。在變速恒頻（VSCF）風(fēng)力發(fā)電機組中，風(fēng)力機為變槳距結(jié)構(gòu)。在大部分情況下，和風(fēng)力機的效率密不可分。可根據(jù)來衡量風(fēng)力機的運行性能[44]，風(fēng)能利用系數(shù)是漿距角β和葉尖速比λ的函數(shù)，即：

在對風(fēng)力機進行設(shè)計時，有兩個方面需要注意，第一是采用的運行控制策略合理可行，在不同的風(fēng)速下，始終維持在最大值，充分利用風(fēng)能，使風(fēng)力機的輸出功率為最大值，單位時間內(nèi)大大提高發(fā)電量，提高效率獲得最大的經(jīng)濟利益。第二是除了實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲之外，在整個發(fā)電過程中使風(fēng)電機組各部件受到的損害較小，能夠保證其的安全性。當(dāng)這兩個方面的要求都能夠滿足時，預(yù)期的控制目標便能順利的實現(xiàn)。當(dāng)β=0，λ=λmax時，此時風(fēng)力機的為最大值，最大值為。定漿距風(fēng)力機可以認為是槳距角為一恒值情況下的變槳距風(fēng)力機。

3 ?雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)變換器

除了交-直-交和交-交變換器這兩種變換器之外，還有矩陣變換器，矩陣變換器存在一些缺點，例如要使用較多的各種輔助器件，比較難以控制，還需繼續(xù)進行實驗，來進一步完善它的功能。

下面對交-交變換器、矩陣變換器和交-直-交變換器分別介紹。

3.1 交-交變換器

此種變換器有較為特殊的輸出電壓，其由一些電壓波頭組合而成，因此，在這種情況下，含有的低次諧波較多，造成的污染較大，會降低電能各個方面的效率，對輸入和輸出特性造成影響，難以得到理想的結(jié)果。

3.2 矩陣變換器

矩陣變換器也在交-交變換器的范疇之內(nèi)，它與傳統(tǒng)的交-交變換器有所不同，它有很大的控制自由度，能夠任意的調(diào)節(jié)輸入功率因數(shù)和得到任意的輸出頻率，且器件體積較小，便于安裝。但它需要大量的功率器件，不便于控制，尚未在工程中得到實際應(yīng)用。

3.3 交-直-交型雙 PWM 型變換器

在雙 PWM 型變換器中，電機側(cè)變換器的主要重點在于對矢量進行控制，來實現(xiàn)無功功率調(diào)節(jié)的目標，本文重點對網(wǎng)側(cè)變換器進行研究，在能量雙向流動的條件下，使直流母線電壓保持恒定，并有效的調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。此雙 PWM 型變換器的結(jié)構(gòu)是的，稱為“背靠背” 雙 PWM結(jié)構(gòu)。雙 PWM 三電平結(jié)構(gòu)變換器比傳統(tǒng)的交-直-交變換器性能更加優(yōu)越，有更佳的輸入、輸出特性，產(chǎn)生的諧波更低，隨著變頻器技術(shù)的不斷成熟，它在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用變得更為廣泛、更加深入。

4 ?結(jié)語

世界各國都在不斷開發(fā)新能源，在各種新能源中，風(fēng)能儲存量豐富。風(fēng)電裝機容量不斷增加，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對接入電網(wǎng)的影響不容忽略。風(fēng)力系統(tǒng)并網(wǎng)后經(jīng)常受到電網(wǎng)電壓擾動的影響，電壓跌落是其中一種常見的故障形式，嚴重時造成風(fēng)力系統(tǒng)的脫網(wǎng)，甚至電力系統(tǒng)的振蕩，為減少風(fēng)力發(fā)電機組脫網(wǎng)運行，研究電網(wǎng)電壓跌落下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的行為、特性，對電網(wǎng)的安全運行有很大意義。

參考文獻

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