袁寧+++陳漢揚+++趙乾章+++馬陽

摘 要：在環(huán)境問題日益突出的今天，采用環(huán)保的方法解決環(huán)境問題顯得尤為的重要。風(fēng)能就成為了一種趨勢，這也就需要很多相關(guān)人士投入更多的精力來關(guān)注并解決這個問題，而參與的前提是了解。在風(fēng)電機組中雙饋電機占主導(dǎo)地位，這也就意味著了解雙饋風(fēng)力發(fā)電機能流回路關(guān)系是迫在眉睫的一個問題。通過用Pro/Engineer操作軟件做雙饋風(fēng)力發(fā)電機三維動畫中，將從風(fēng)輪捕捉風(fēng)能到最后的饋入電網(wǎng)的過程得以展現(xiàn)，使我們對雙饋風(fēng)力發(fā)電機的能流關(guān)系了解的更透徹。雙饋風(fēng)力發(fā)電機的能流關(guān)系將對培養(yǎng)風(fēng)電人才有著重要的作用。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電機；數(shù)學(xué)模型；能流回路；Pro/Engineer操作軟件；三維動畫

風(fēng)能作為一種清潔的可持續(xù)能源，已經(jīng)成為除水電以外，技術(shù)最成熟、最具有規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)發(fā)展前景的一種發(fā)電方式。鑒于風(fēng)機是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種重要轉(zhuǎn)換裝置，而雙饋風(fēng)力發(fā)電機占風(fēng)電機組中的主導(dǎo)地位，這也就意味研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機能流關(guān)系尤為重要。

1 概述

風(fēng)力發(fā)電的過程就是風(fēng)能經(jīng)由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中風(fēng)力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機械能轉(zhuǎn)換為電能，這一部分是整個系統(tǒng)的核心，直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量，也影響到風(fēng)能吸收裝置的運行方式、效率和結(jié)構(gòu)。而目前的主流機型是變速恒頻機型，文章主要以雙饋風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行研究。

變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機的工作原理就是通過葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械轉(zhuǎn)矩（即風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量），通過主軸傳動鏈，經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后，通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機的定子電能并入電網(wǎng)。如果超過發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài)，通過變流器向電網(wǎng)饋電。雙饋即指定子和轉(zhuǎn)子都向電網(wǎng)饋電。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖：

風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要組成部分為風(fēng)力機、傳動系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)。

2 風(fēng)力機

風(fēng)力機是專門用來將空氣動能轉(zhuǎn)換為有效機械能的機械裝置。風(fēng)力機主要由輪轂和槳葉構(gòu)成。在外界風(fēng)力的作用下，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機械能，但風(fēng)力機只能將通過風(fēng)輪掃及面的部分風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能。

風(fēng)力機汽動模型主要有兩種方法：

（1）利用激盤理論；（2）利用葉素理論

激盤理論通過簡單的表述解釋了能量提取的過程，同時也規(guī)定了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的理論極限，因此此部分主要針對激盤理論進(jìn)行闡述。

2.1 風(fēng)能的計算

設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過的截面積為S的氣體的體積為V，則V=Sv

如果以ρ表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量為

上式即為風(fēng)能的表達(dá)式。

在國際單位制中，ρ的單位是kg/m3；V的單位是m3；v的單位是m/s；E的單位是W。

從風(fēng)能公式可以看出，風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流的速度的立方成正比。其中ρ和v會隨地理位置、海拔、地形等因素而變。

2.2 風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的理論模型

風(fēng)力機的第一個氣動理論是由德國的貝茲于1926年建立的，貝茲理論的假設(shè)如下：

（1）風(fēng)輪是理想的，即它沒有輪轂，具有無限多的葉片，氣流通過風(fēng)輪時沒有阻力；（2）氣流經(jīng)過的整個風(fēng)輪掃掠面時是均勻的，并且氣流通過風(fēng)輪前后的速度為軸向方向，如下圖所示

設(shè)通過風(fēng)輪的氣流其上游截面為S1，下游截面為S2。由于風(fēng)輪的機械能量僅由空氣的動能降低所致，因而v2必然低于v1，所以通過風(fēng)輪的氣流截面積從上游至下游是增加的，即S2大于S1。

如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得

風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力可由Euler理論寫出

故風(fēng)輪吸收的功率為P=Fv=ρSv2（v1-v2） （1）

此功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的。從上游至下游動能的變化為

令式（1）與（2）相等，得到

則作用在風(fēng)輪上的力和提供的功率可寫為

對于給定的上游速度v1，可寫出以v2為函數(shù)的功率變化關(guān)系，將式（3）微分得

將上式除以氣流通過掃掠面S時風(fēng)所具有的動能，可推得風(fēng)力機的理論最大效率

上式即為有名的貝茲（Betz）理論的極限值。它說明，風(fēng)力機從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的。

能量的轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風(fēng)力機和發(fā)電機的型式而異，因此，風(fēng)力機的實際風(fēng)能利用系數(shù)CP<0.593。風(fēng)力機實際能得到的有用功率輸出是

3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)主要將風(fēng)輪捕獲的機械能傳遞至發(fā)電機。傳動系統(tǒng)由低速軸、高速軸、齒輪箱及制動裝置組成，齒輪箱將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增速至適合驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，通常將20～50r/min的齒輪箱轉(zhuǎn)速增至1000～1500r/min的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

傳動系統(tǒng)將葉片上的氣動轉(zhuǎn)矩傳遞至發(fā)電機軸上，使發(fā)電機得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

4 發(fā)電系統(tǒng)

4.1 發(fā)電機并網(wǎng)

發(fā)電機并網(wǎng)就是通過發(fā)電機出口開關(guān)的合閘，把發(fā)電機和電網(wǎng)聯(lián)接起來，讓電能源源不斷地輸送出去。

發(fā)電機并網(wǎng)的條件為：定子電壓與電網(wǎng)電壓的波形、頻率、幅值、相位、相序等完全相同。在這些量中，定子電壓的波形與相序很容易滿足條件，定子電壓的頻率可以通過測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后對轉(zhuǎn)子電流頻率進(jìn)行控制而滿足要求，定子電壓的幅值通過電網(wǎng)電壓幅值加以控制；定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差在發(fā)電機并網(wǎng)過程中影響很大，而需要消除定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差，只能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率來實現(xiàn)，因此在考慮發(fā)電機并網(wǎng)時需對轉(zhuǎn)子電流頻率嚴(yán)格限制。

4.2 雙饋發(fā)電機

雙饋電機也稱交流勵磁電機，它包括電機本身和交流勵磁自動控制系統(tǒng)。電機本身是繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機或?qū)ｉT設(shè)計的無刷電機。雙饋電機是電機與電力電子技術(shù)和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。雙饋電機的定子接50Hz工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接自動調(diào)節(jié)頻率的交流電源。隨著交流勵磁自動控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率、幅值大小和相位的調(diào)節(jié)，雙饋電機在電動工況或發(fā)電工況下運行，轉(zhuǎn)速都可以調(diào)節(jié)變化，而定子輸出電壓和頻率可以維持不變，既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2.1 雙饋發(fā)電機的工作原理

雙饋是指兩個能量流動通道，電機定子和轉(zhuǎn)子都可以與電網(wǎng)交換能量，實現(xiàn)能量從定子和轉(zhuǎn)子到電網(wǎng)的兩個通道流動。

雙饋發(fā)電機正式由葉片通過齒輪箱變速，帶動電機高速旋轉(zhuǎn)，同時轉(zhuǎn)子接變頻器，通過變頻器PWM控制以達(dá)到定子側(cè)輸出完美正弦波，同時在額定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子側(cè)也能同時發(fā)出電流，以達(dá)到最大利用風(fēng)能效果。

4.2.2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的功率流向分析

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總功率由風(fēng)力機及機械傳動部分的特性決定。

以變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，在該系統(tǒng)中，發(fā)電機的定子直接接入電網(wǎng)中，轉(zhuǎn)子通過由兩個背靠背的連接的電壓型PWM變換器組成的交直交變換器與電網(wǎng)相連。

雙饋電機工作的階段分為次同步和超同步兩個階段，再加上轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率的傳遞方向的不同，我們可以把雙饋發(fā)電機的功率分為四個不同的狀態(tài)，即超同步發(fā)電、超同步電動、亞同步發(fā)電以及亞同步電動。而文章主要針對超同步發(fā)電和次同步發(fā)電兩種發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行闡述。

雙饋電機轉(zhuǎn)差率s=■，其中為n1為同步轉(zhuǎn)速， n 為電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)s>0時，雙饋電機工作于亞同步發(fā)電運行狀態(tài)，當(dāng)s<0時，雙饋電機工作于超同步運行狀態(tài)。

（1）超同步發(fā)電狀態(tài)

超同步就是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過電機同步轉(zhuǎn)速時的一種運行狀態(tài)，我們稱之為正常發(fā)電狀態(tài)。

（2）亞同步運行狀態(tài)

亞同步狀態(tài)即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速的運行狀態(tài)，稱之為補償發(fā)電狀態(tài)。

通過比較可看出，超同步時Pmech>P1，亞同步時有Pmech

5 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電機組是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備，從能量轉(zhuǎn)換角度來看，它包含兩大部分，其一是風(fēng)力機，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能， 其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

文章圍繞雙饋風(fēng)力發(fā)電機組能流關(guān)系這個話題陳述，主要講述了風(fēng)力機捕獲風(fēng)能獲得能量和雙饋電機發(fā)電的原理，在研究雙饋電機功率流向時，通過圖示直觀清晰的表達(dá)出來，對于風(fēng)電愛好者學(xué)習(xí)提供了幫助。

摘 要：在環(huán)境問題日益突出的今天，采用環(huán)保的方法解決環(huán)境問題顯得尤為的重要。風(fēng)能就成為了一種趨勢，這也就需要很多相關(guān)人士投入更多的精力來關(guān)注并解決這個問題，而參與的前提是了解。在風(fēng)電機組中雙饋電機占主導(dǎo)地位，這也就意味著了解雙饋風(fēng)力發(fā)電機能流回路關(guān)系是迫在眉睫的一個問題。通過用Pro/Engineer操作軟件做雙饋風(fēng)力發(fā)電機三維動畫中，將從風(fēng)輪捕捉風(fēng)能到最后的饋入電網(wǎng)的過程得以展現(xiàn)，使我們對雙饋風(fēng)力發(fā)電機的能流關(guān)系了解的更透徹。雙饋風(fēng)力發(fā)電機的能流關(guān)系將對培養(yǎng)風(fēng)電人才有著重要的作用。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電機；數(shù)學(xué)模型；能流回路；Pro/Engineer操作軟件；三維動畫

風(fēng)能作為一種清潔的可持續(xù)能源，已經(jīng)成為除水電以外，技術(shù)最成熟、最具有規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)發(fā)展前景的一種發(fā)電方式。鑒于風(fēng)機是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種重要轉(zhuǎn)換裝置，而雙饋風(fēng)力發(fā)電機占風(fēng)電機組中的主導(dǎo)地位，這也就意味研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機能流關(guān)系尤為重要。

1 概述

風(fēng)力發(fā)電的過程就是風(fēng)能經(jīng)由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中風(fēng)力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機械能轉(zhuǎn)換為電能，這一部分是整個系統(tǒng)的核心，直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量，也影響到風(fēng)能吸收裝置的運行方式、效率和結(jié)構(gòu)。而目前的主流機型是變速恒頻機型，文章主要以雙饋風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行研究。

變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機的工作原理就是通過葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械轉(zhuǎn)矩（即風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量），通過主軸傳動鏈，經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后，通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機的定子電能并入電網(wǎng)。如果超過發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài)，通過變流器向電網(wǎng)饋電。雙饋即指定子和轉(zhuǎn)子都向電網(wǎng)饋電。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖：

風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要組成部分為風(fēng)力機、傳動系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)。

2 風(fēng)力機

風(fēng)力機是專門用來將空氣動能轉(zhuǎn)換為有效機械能的機械裝置。風(fēng)力機主要由輪轂和槳葉構(gòu)成。在外界風(fēng)力的作用下，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機械能，但風(fēng)力機只能將通過風(fēng)輪掃及面的部分風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能。

風(fēng)力機汽動模型主要有兩種方法：

（1）利用激盤理論；（2）利用葉素理論

激盤理論通過簡單的表述解釋了能量提取的過程，同時也規(guī)定了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的理論極限，因此此部分主要針對激盤理論進(jìn)行闡述。

2.1 風(fēng)能的計算

設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過的截面積為S的氣體的體積為V，則V=Sv

如果以ρ表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量為

上式即為風(fēng)能的表達(dá)式。

在國際單位制中，ρ的單位是kg/m3；V的單位是m3；v的單位是m/s；E的單位是W。

從風(fēng)能公式可以看出，風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流的速度的立方成正比。其中ρ和v會隨地理位置、海拔、地形等因素而變。

2.2 風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的理論模型

風(fēng)力機的第一個氣動理論是由德國的貝茲于1926年建立的，貝茲理論的假設(shè)如下：

（1）風(fēng)輪是理想的，即它沒有輪轂，具有無限多的葉片，氣流通過風(fēng)輪時沒有阻力；（2）氣流經(jīng)過的整個風(fēng)輪掃掠面時是均勻的，并且氣流通過風(fēng)輪前后的速度為軸向方向，如下圖所示

設(shè)通過風(fēng)輪的氣流其上游截面為S1，下游截面為S2。由于風(fēng)輪的機械能量僅由空氣的動能降低所致，因而v2必然低于v1，所以通過風(fēng)輪的氣流截面積從上游至下游是增加的，即S2大于S1。

如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得

風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力可由Euler理論寫出

故風(fēng)輪吸收的功率為P=Fv=ρSv2（v1-v2） （1）

此功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的。從上游至下游動能的變化為

令式（1）與（2）相等，得到

則作用在風(fēng)輪上的力和提供的功率可寫為

對于給定的上游速度v1，可寫出以v2為函數(shù)的功率變化關(guān)系，將式（3）微分得

將上式除以氣流通過掃掠面S時風(fēng)所具有的動能，可推得風(fēng)力機的理論最大效率

上式即為有名的貝茲（Betz）理論的極限值。它說明，風(fēng)力機從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的。

能量的轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風(fēng)力機和發(fā)電機的型式而異，因此，風(fēng)力機的實際風(fēng)能利用系數(shù)CP<0.593。風(fēng)力機實際能得到的有用功率輸出是

3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)主要將風(fēng)輪捕獲的機械能傳遞至發(fā)電機。傳動系統(tǒng)由低速軸、高速軸、齒輪箱及制動裝置組成，齒輪箱將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增速至適合驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，通常將20～50r/min的齒輪箱轉(zhuǎn)速增至1000～1500r/min的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

傳動系統(tǒng)將葉片上的氣動轉(zhuǎn)矩傳遞至發(fā)電機軸上，使發(fā)電機得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

4 發(fā)電系統(tǒng)

4.1 發(fā)電機并網(wǎng)

發(fā)電機并網(wǎng)就是通過發(fā)電機出口開關(guān)的合閘，把發(fā)電機和電網(wǎng)聯(lián)接起來，讓電能源源不斷地輸送出去。

發(fā)電機并網(wǎng)的條件為：定子電壓與電網(wǎng)電壓的波形、頻率、幅值、相位、相序等完全相同。在這些量中，定子電壓的波形與相序很容易滿足條件，定子電壓的頻率可以通過測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后對轉(zhuǎn)子電流頻率進(jìn)行控制而滿足要求，定子電壓的幅值通過電網(wǎng)電壓幅值加以控制；定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差在發(fā)電機并網(wǎng)過程中影響很大，而需要消除定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差，只能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率來實現(xiàn)，因此在考慮發(fā)電機并網(wǎng)時需對轉(zhuǎn)子電流頻率嚴(yán)格限制。

4.2 雙饋發(fā)電機

雙饋電機也稱交流勵磁電機，它包括電機本身和交流勵磁自動控制系統(tǒng)。電機本身是繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機或?qū)ｉT設(shè)計的無刷電機。雙饋電機是電機與電力電子技術(shù)和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。雙饋電機的定子接50Hz工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接自動調(diào)節(jié)頻率的交流電源。隨著交流勵磁自動控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率、幅值大小和相位的調(diào)節(jié)，雙饋電機在電動工況或發(fā)電工況下運行，轉(zhuǎn)速都可以調(diào)節(jié)變化，而定子輸出電壓和頻率可以維持不變，既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2.1 雙饋發(fā)電機的工作原理

雙饋是指兩個能量流動通道，電機定子和轉(zhuǎn)子都可以與電網(wǎng)交換能量，實現(xiàn)能量從定子和轉(zhuǎn)子到電網(wǎng)的兩個通道流動。

雙饋發(fā)電機正式由葉片通過齒輪箱變速，帶動電機高速旋轉(zhuǎn)，同時轉(zhuǎn)子接變頻器，通過變頻器PWM控制以達(dá)到定子側(cè)輸出完美正弦波，同時在額定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子側(cè)也能同時發(fā)出電流，以達(dá)到最大利用風(fēng)能效果。

4.2.2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的功率流向分析

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總功率由風(fēng)力機及機械傳動部分的特性決定。

以變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，在該系統(tǒng)中，發(fā)電機的定子直接接入電網(wǎng)中，轉(zhuǎn)子通過由兩個背靠背的連接的電壓型PWM變換器組成的交直交變換器與電網(wǎng)相連。

雙饋電機工作的階段分為次同步和超同步兩個階段，再加上轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率的傳遞方向的不同，我們可以把雙饋發(fā)電機的功率分為四個不同的狀態(tài)，即超同步發(fā)電、超同步電動、亞同步發(fā)電以及亞同步電動。而文章主要針對超同步發(fā)電和次同步發(fā)電兩種發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行闡述。

雙饋電機轉(zhuǎn)差率s=■，其中為n1為同步轉(zhuǎn)速， n 為電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)s>0時，雙饋電機工作于亞同步發(fā)電運行狀態(tài)，當(dāng)s<0時，雙饋電機工作于超同步運行狀態(tài)。

（1）超同步發(fā)電狀態(tài)

超同步就是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過電機同步轉(zhuǎn)速時的一種運行狀態(tài)，我們稱之為正常發(fā)電狀態(tài)。

（2）亞同步運行狀態(tài)

亞同步狀態(tài)即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速的運行狀態(tài)，稱之為補償發(fā)電狀態(tài)。

通過比較可看出，超同步時Pmech>P1，亞同步時有Pmech

5 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電機組是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備，從能量轉(zhuǎn)換角度來看，它包含兩大部分，其一是風(fēng)力機，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能， 其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

文章圍繞雙饋風(fēng)力發(fā)電機組能流關(guān)系這個話題陳述，主要講述了風(fēng)力機捕獲風(fēng)能獲得能量和雙饋電機發(fā)電的原理，在研究雙饋電機功率流向時，通過圖示直觀清晰的表達(dá)出來，對于風(fēng)電愛好者學(xué)習(xí)提供了幫助。

摘 要：在環(huán)境問題日益突出的今天，采用環(huán)保的方法解決環(huán)境問題顯得尤為的重要。風(fēng)能就成為了一種趨勢，這也就需要很多相關(guān)人士投入更多的精力來關(guān)注并解決這個問題，而參與的前提是了解。在風(fēng)電機組中雙饋電機占主導(dǎo)地位，這也就意味著了解雙饋風(fēng)力發(fā)電機能流回路關(guān)系是迫在眉睫的一個問題。通過用Pro/Engineer操作軟件做雙饋風(fēng)力發(fā)電機三維動畫中，將從風(fēng)輪捕捉風(fēng)能到最后的饋入電網(wǎng)的過程得以展現(xiàn)，使我們對雙饋風(fēng)力發(fā)電機的能流關(guān)系了解的更透徹。雙饋風(fēng)力發(fā)電機的能流關(guān)系將對培養(yǎng)風(fēng)電人才有著重要的作用。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電機；數(shù)學(xué)模型；能流回路；Pro/Engineer操作軟件；三維動畫

風(fēng)能作為一種清潔的可持續(xù)能源，已經(jīng)成為除水電以外，技術(shù)最成熟、最具有規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)發(fā)展前景的一種發(fā)電方式。鑒于風(fēng)機是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種重要轉(zhuǎn)換裝置，而雙饋風(fēng)力發(fā)電機占風(fēng)電機組中的主導(dǎo)地位，這也就意味研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機能流關(guān)系尤為重要。

1 概述

風(fēng)力發(fā)電的過程就是風(fēng)能經(jīng)由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中風(fēng)力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機械能轉(zhuǎn)換為電能，這一部分是整個系統(tǒng)的核心，直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量，也影響到風(fēng)能吸收裝置的運行方式、效率和結(jié)構(gòu)。而目前的主流機型是變速恒頻機型，文章主要以雙饋風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行研究。

變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機的工作原理就是通過葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械轉(zhuǎn)矩（即風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量），通過主軸傳動鏈，經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后，通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機的定子電能并入電網(wǎng)。如果超過發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài)，通過變流器向電網(wǎng)饋電。雙饋即指定子和轉(zhuǎn)子都向電網(wǎng)饋電。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖：

風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要組成部分為風(fēng)力機、傳動系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)。

2 風(fēng)力機

風(fēng)力機是專門用來將空氣動能轉(zhuǎn)換為有效機械能的機械裝置。風(fēng)力機主要由輪轂和槳葉構(gòu)成。在外界風(fēng)力的作用下，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機械能，但風(fēng)力機只能將通過風(fēng)輪掃及面的部分風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能。

風(fēng)力機汽動模型主要有兩種方法：

（1）利用激盤理論；（2）利用葉素理論

激盤理論通過簡單的表述解釋了能量提取的過程，同時也規(guī)定了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的理論極限，因此此部分主要針對激盤理論進(jìn)行闡述。

2.1 風(fēng)能的計算

設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過的截面積為S的氣體的體積為V，則V=Sv

如果以ρ表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量為

上式即為風(fēng)能的表達(dá)式。

在國際單位制中，ρ的單位是kg/m3；V的單位是m3；v的單位是m/s；E的單位是W。

從風(fēng)能公式可以看出，風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流的速度的立方成正比。其中ρ和v會隨地理位置、海拔、地形等因素而變。

2.2 風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的理論模型

風(fēng)力機的第一個氣動理論是由德國的貝茲于1926年建立的，貝茲理論的假設(shè)如下：

（1）風(fēng)輪是理想的，即它沒有輪轂，具有無限多的葉片，氣流通過風(fēng)輪時沒有阻力；（2）氣流經(jīng)過的整個風(fēng)輪掃掠面時是均勻的，并且氣流通過風(fēng)輪前后的速度為軸向方向，如下圖所示

設(shè)通過風(fēng)輪的氣流其上游截面為S1，下游截面為S2。由于風(fēng)輪的機械能量僅由空氣的動能降低所致，因而v2必然低于v1，所以通過風(fēng)輪的氣流截面積從上游至下游是增加的，即S2大于S1。

如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得

風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力可由Euler理論寫出

故風(fēng)輪吸收的功率為P=Fv=ρSv2（v1-v2） （1）

此功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的。從上游至下游動能的變化為

令式（1）與（2）相等，得到

則作用在風(fēng)輪上的力和提供的功率可寫為

對于給定的上游速度v1，可寫出以v2為函數(shù)的功率變化關(guān)系，將式（3）微分得

將上式除以氣流通過掃掠面S時風(fēng)所具有的動能，可推得風(fēng)力機的理論最大效率

上式即為有名的貝茲（Betz）理論的極限值。它說明，風(fēng)力機從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的。

能量的轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風(fēng)力機和發(fā)電機的型式而異，因此，風(fēng)力機的實際風(fēng)能利用系數(shù)CP<0.593。風(fēng)力機實際能得到的有用功率輸出是

3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)主要將風(fēng)輪捕獲的機械能傳遞至發(fā)電機。傳動系統(tǒng)由低速軸、高速軸、齒輪箱及制動裝置組成，齒輪箱將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增速至適合驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，通常將20～50r/min的齒輪箱轉(zhuǎn)速增至1000～1500r/min的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

傳動系統(tǒng)將葉片上的氣動轉(zhuǎn)矩傳遞至發(fā)電機軸上，使發(fā)電機得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

4 發(fā)電系統(tǒng)

4.1 發(fā)電機并網(wǎng)

發(fā)電機并網(wǎng)就是通過發(fā)電機出口開關(guān)的合閘，把發(fā)電機和電網(wǎng)聯(lián)接起來，讓電能源源不斷地輸送出去。

發(fā)電機并網(wǎng)的條件為：定子電壓與電網(wǎng)電壓的波形、頻率、幅值、相位、相序等完全相同。在這些量中，定子電壓的波形與相序很容易滿足條件，定子電壓的頻率可以通過測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后對轉(zhuǎn)子電流頻率進(jìn)行控制而滿足要求，定子電壓的幅值通過電網(wǎng)電壓幅值加以控制；定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差在發(fā)電機并網(wǎng)過程中影響很大，而需要消除定子電壓與電網(wǎng)電壓的相位差，只能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率來實現(xiàn)，因此在考慮發(fā)電機并網(wǎng)時需對轉(zhuǎn)子電流頻率嚴(yán)格限制。

4.2 雙饋發(fā)電機

雙饋電機也稱交流勵磁電機，它包括電機本身和交流勵磁自動控制系統(tǒng)。電機本身是繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機或?qū)ｉT設(shè)計的無刷電機。雙饋電機是電機與電力電子技術(shù)和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。雙饋電機的定子接50Hz工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接自動調(diào)節(jié)頻率的交流電源。隨著交流勵磁自動控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率、幅值大小和相位的調(diào)節(jié)，雙饋電機在電動工況或發(fā)電工況下運行，轉(zhuǎn)速都可以調(diào)節(jié)變化，而定子輸出電壓和頻率可以維持不變，既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2.1 雙饋發(fā)電機的工作原理

雙饋是指兩個能量流動通道，電機定子和轉(zhuǎn)子都可以與電網(wǎng)交換能量，實現(xiàn)能量從定子和轉(zhuǎn)子到電網(wǎng)的兩個通道流動。

雙饋發(fā)電機正式由葉片通過齒輪箱變速，帶動電機高速旋轉(zhuǎn)，同時轉(zhuǎn)子接變頻器，通過變頻器PWM控制以達(dá)到定子側(cè)輸出完美正弦波，同時在額定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子側(cè)也能同時發(fā)出電流，以達(dá)到最大利用風(fēng)能效果。

4.2.2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的功率流向分析

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總功率由風(fēng)力機及機械傳動部分的特性決定。

以變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，在該系統(tǒng)中，發(fā)電機的定子直接接入電網(wǎng)中，轉(zhuǎn)子通過由兩個背靠背的連接的電壓型PWM變換器組成的交直交變換器與電網(wǎng)相連。

雙饋電機工作的階段分為次同步和超同步兩個階段，再加上轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率的傳遞方向的不同，我們可以把雙饋發(fā)電機的功率分為四個不同的狀態(tài)，即超同步發(fā)電、超同步電動、亞同步發(fā)電以及亞同步電動。而文章主要針對超同步發(fā)電和次同步發(fā)電兩種發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行闡述。

雙饋電機轉(zhuǎn)差率s=■，其中為n1為同步轉(zhuǎn)速， n 為電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)s>0時，雙饋電機工作于亞同步發(fā)電運行狀態(tài)，當(dāng)s<0時，雙饋電機工作于超同步運行狀態(tài)。

（1）超同步發(fā)電狀態(tài)

超同步就是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過電機同步轉(zhuǎn)速時的一種運行狀態(tài)，我們稱之為正常發(fā)電狀態(tài)。

（2）亞同步運行狀態(tài)

亞同步狀態(tài)即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速的運行狀態(tài)，稱之為補償發(fā)電狀態(tài)。

通過比較可看出，超同步時Pmech>P1，亞同步時有Pmech

5 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電機組是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備，從能量轉(zhuǎn)換角度來看，它包含兩大部分，其一是風(fēng)力機，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能， 其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

文章圍繞雙饋風(fēng)力發(fā)電機組能流關(guān)系這個話題陳述，主要講述了風(fēng)力機捕獲風(fēng)能獲得能量和雙饋電機發(fā)電的原理，在研究雙饋電機功率流向時，通過圖示直觀清晰的表達(dá)出來，對于風(fēng)電愛好者學(xué)習(xí)提供了幫助。