浅谈风力发电机原理 ——以双馈异步风力发电系统（DFIG）为例

大家好，今天我要给大家介绍的是风力发电机的原理，以双馈异步风力发电系统DFIG为例。

《现代信息工具》课相信大家都很熟悉，但是《现代信息工具》课上的DFIG是怎么回事呢，下面就让小编带大家了解一下吧。

先简单说说风力发电的现状。目前在世界范围内，风能发电量的占比只有1.7%，但是相比其他主流发电技术，风力发电对环境的影响相对最小。我国的风力发电量现居世界第一。接下来，我将从能量传输的顺序来分析风力发电机的原理。

风力发电的第一步是将风能转化为机械能。这个过程主要依靠风力发电机的叶轮来完成。叶轮是由三个叶片组成的旋转装置，我们分析其中的一个叶片：叶片的形状为倾斜的，这样可以使得风从叶片的两侧通过时，产生不同的速度和压力。根据伯努利原理，风从叶片的凸面通过时，速度较快，压力较小；风从叶片的凹面通过时，速度较慢，压力较大。这样就形成了一个压力差，推动叶片向低压方向旋转，这就是使叶片转动的升力，决定了叶片旋转的速度V blade。

 

再来看右边，当叶片运动起来后，它受到的相对风速是实际风速与叶片速度之差。如果实际功率小于额定功率，则需要增大攻角，来提升升力，极限状态是叶片完全正对着风向。如果实际功率大于额定功率，为了避免损坏就要减小攻角。

 

我们可以用公式计算叶轮接收到的风能：

【公式】

其中，Pwind是理论计算的总风能，P是叶轮接收到的实际风能，Cp是风能利用率，因为风在经过叶片后总还有速度，Cp不可能降到零，所以会有一个最大值，为0.59，这被称为贝兹极限（Betz’s limit）。

 

功率的调整，需要监测风向和风速。风向变化时，调整偏航控制装置，改变风机朝向，因为迎面的风力最大。风速变化时，调整变桨调节系统，改变叶片的攻角，使风速对叶片的升力最大。

 

风力发电的第二步是将机械能转化为电能。首先是提高转速，转速比一般是1：90，普通齿轮设计难以实现，一般采用这种行星齿轮。

 

发电机一般有两种方案：

一种是恒速恒频，通常采用同步电机或者笼型异步电机，通过定桨距失速控制，即使风速较大，发电机的转速依然保持恒定，但是对风能的利用率较低。

 

另一种是变速恒频，通常采用永磁同步电机或者双馈异步电机，采用变桨距的方式，无论风力变大变小，都充分利用风能，通过电力电子装置进行恒频，避免频率波动。

变速恒频的双馈异步系统是目前风力发电的发展趋势，其具体原理将在下一部分详细说明。

 

风力发电的第三步是电能的传输。这是双馈异步风力发电并网系统的结构图，“双馈”的含义是定子和转子都能和电网进行功率交换，而一般的感应电机只能由定子和电网交换功率。

 

转子这边是起到对定子功率的调整作用，使用背靠背的IGBT进行交直交变换，按照运行要求调节转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位，使机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。

 

转子的功率方向有两种状态：

在超同步状态，功率从转子通过变流器馈入电网；而在欠同步状态，功率从反方向从电网馈入转子。在两种情况下，定子都向电网馈电。

 

这是Simulink的仿真图，与前一张的结构图完全相同。这个是发电机，（……）

 

目前风力发电面临与许多其他新能源发电相似的问题。

 

弃风问题是风力发电过剩导致的。风力发电量始终会波动，为了防止影响电网的稳定性，发电量过剩时只能暂停部分发电机。我国西北地区部分电网的弃风量高达30%。目前的主流解决方案是调峰，与其他能源错峰运行。比如在供暖方面，可以代替部分热电厂的锅炉。

 

针对并网工作中存在的电网电压跌落问题，如果跌落较小，可以通过STATCOM系统，也就是Static Synchronous Compensator，静止同步补偿器，来实现无功功率补偿。

 

如果电网电压跌落较大，STATCOM无法满足系统所需要的无功功率补偿，目前的主流解决方向是风电储能技术，比如飞轮储能、超级电容储能等，一方面可以提高风能利用率，一方面可以减小风电波动对电网系统的不利影响。

 

这是本次用到的参考资料：

[1] MathWorks.Wind Farm - DFIG Detailed Model [EB/OL].https://ww2.mathworks.cn/help/releases/R2022a/physmod/sps/ug/wind-farm-dfig-detailed-model.html

[2] YouTube.How do Wind Turbines work? [EB/OL].https://www.youtube.com/watch?v=qSWm_nprfqE

[3] 哔哩哔哩.【大柒来了】风力发电如何将风能转化为电能，了解下工作原理，3D科普动画[EB/OL].https://www.bilibili.com/video/BV11U4y1v7d1/

[4] 赵国鑫. 双馈异步风力发电系统建模与低电压穿越控制策略的研究[D].兰州理工大学,2021.

[5] 蓝澜. 新能源发电特性与经济性分析研究[D].华北电力大学,2014.