风力发电的原理
发表时间：2016-04-21T09:41:18.190Z 来源：《电力设备》2015年第10期供稿作者：张波
[导读] 内蒙古华电新能源分公司本文将就双馈风力发电机的发电原理以及发电技术中存在的问题和完善进行相关探讨。
（内蒙古华电新能源分公司内蒙古自治区呼和浩特 010010）
摘要：在能源日益短缺和污染日益严重的今天，作为可再生绿能源的风能开发具有十分重要的意义，大功率风力发电技术的研究成为当前的热点。本文将就双馈风力发电机的发电原理以及发电技术中存在的问题和完善进行相关探讨。
关键词：双馈风力发电；绿发电技术；技术完善
引言
将双馈电机应用于风力发电中，可以解决风力机转速不可调、机组效率低等问题。另外，由于双馈电机对无功功率、有功功率均可调，对电网可起到稳压、稳频的作用，提高发电质量。与同步机交一直一交系统相比，还有变频装置容量小（一般为发电机额定容量的10～20%）、重量轻的优点，更适合于风力发电机组使用，同时也降低了造价。
1 双馈风力发电机工作原理
1.1 双馈风力发电机的组成
双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电动机类似，定转子三相对称，转子电流由滑环接入。并网后，风速的变化通过增速齿轮箱传递到发电机，为了保持定子电流频率的恒定，可以控制转子电流的频率，使得发电机的转子转速发生变化，这些工作可以由变频器来完成。当发电机转子高（低）于同步速时，应控制变频器能量流入（出）电网，这样就控制了电机定子和转子向电网供应电能。
过去的风电机组多采用恒速恒频系统，发电机多采用同步电机或异步感应电机。在风电机组向恒频电网送电时，不需要调速，因为电网频率将强迫控制风轮的转速。在这种情况下，风力机在不同风速下维持或近似维持同一转速。效率下降，被迫降低出力，甚至停机，这显然是不可取的。与之不同的是，无论处于亚同步速或超同步速的双馈发电机都可以在不同的风速下运行，其转速可随风速变化做相应的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，机组效率提高。同时，定子输出功率的电压和频率却可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。
1.2 双馈电机的工作特性
双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流。
当双馈电机定子对称三相绕组由频率为f1（f1=p•n1/60）的三相电源供电时，由于电机转子的转速n＝（l-s）n1（s 为转
差率，n1 为气隙中基波旋转磁场的同步速率）。为了实现稳定的机电能量转换，定子磁场与转子磁场应保持相对静止，即应满足：ωr＝ω1-ω2其中：ωr 是转子旋转角频率；ω1是定子电流形成的旋转磁场的角频率；ω2是转子电流形成的旋转磁场的角频率。由此可得转子供电频率 f2＝s•f1，此时定转子旋转磁场均以同步速n1旋转，两者保持相对静止。
与同步电机相比，双馈电机励磁可调量有三个：一是与同步电机一样，可以调节励磁电流的幅值；二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位。通过改变励磁频率，可调节转速。这样在负荷突然变化时，迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小。另外，通过调节转子励磁电流的幅值和相位，可达到调节有功功率和无功功率的目的。而同步电机的可调量只有一个，即励磁电流的幅值，所以调节同步电机的励磁一般只能对无功功率进行补偿。与之不同的是双馈电机的励磁除了可以调节电流幅值外，亦可以调节其相位，当转子电流的相位改变时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置就产生一个位移，改变了双馈电机电势与电网电压向量的相对位置，也就改变了电机的功率角。所以双馈电机不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。一般来说，当电机吸收电网的无功功率时，往往功率角变大，使电机的稳定性下降。而双馈电机却可通过调节励磁电流的相位，减小机组的功率角，使机组运行的稳定性提高，从而可多吸收无功功率，克服由于晚间负荷下降，电网电压过高的困难。与之相比，异步发电机却因需从电网吸收无功的励磁电流，与电网并列运行后，造成电网的功率因数变坏。所以双馈电机较同步电机和异步电机都有着更加优越的运行性能。
2 双馈风力发电机的现状及完善
2.1 双馈式发电系统缺点如下
有齿轮箱，成本提高，需要经常维护，可靠性差。
控制系统结构复杂。虽然技术相对成熟，异步发电机，发电机相对较小，有齿轮箱，漏油，随着时间的增加，机械问题会越来越严重，更换齿轮箱加大了运行和维护的成本。
在风机叶轮转速随风力而变，双馈感应发电机可通过调节转子励磁电流的幅值、频率与相位保证发出恒定频率的电能。在同步转速上下 30%范围内可正常运行。
调节励磁电流幅值，可调节发出的有功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的无功功率。实现有功功率和无功功率的独立调节，达到改变功率角使发电机稳定运行的目的，从而提高电网运行效率、电能质量与稳定性。
2.2 优化措施
双馈感应发电机通过对转子实施交流励磁，精确地调节发电机定子输出电压，使其满足并网要求，实现安全快速的“柔性”并网操作。转子绑扎强度进行了详细的计算，最后并运用有限元分析软件对转子的挠度和过盈配合进行了对比分析。
基于交-直-交双向变流器的双馈异步风力发电技术，采用全数字化矢量控制方法，属于国际前沿技术。该技术可以优化风力发电系统的运行，实现在宽风速范围内变速恒频发电，改善风机效率和传输链的工作状况，减少发电机损耗，提高运行效率，提升风能利用率，具有广阔的发展空间。
电机的结构设计，包括转轴强度和刚度、转子临界转速、过盈配合、转子绑扎强度进行了详细的计算，最后并运用有限元分析软件对
转子的挠度和过盈配合进行了对比分析。
电机零部件的机械加工工艺、铁芯制造工艺、绕组制造工艺及电机装配工艺，运用数控设备对转子线圈成型工艺进行改进，通过改进发电机定子的翻身及吊装工艺，以提高生产效率和产品质量。
3 结语
综上所述，双馈风力发电机对于我国的电网工程来说具有非常重要的意义，但是由于发展的不断进步双匮乏风力发电机还是存在一定的问题，这就需要我们不断的解决和完善，优化双馈风力发电机的运作模式和机械问题，实现风力发电的高效和高质。参考文献：
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