双馈风力发电机组能流关系研究

袁宁+++陈汉扬+++赵乾章+++马阳

摘 要：在环境问题日益突出的今天，采用环保的方法解决环境问题显得尤为的重要。风能就成为了一种趋势，这也就需要很多相关人士投入更多的精力来关注并解决这个问题，而参与的前提是了解。在风电机组中双馈电机占主导地位，这也就意味着了解双馈风力发电机能流回路关系是迫在眉睫的一个问题。通过用Pro/Engineer操作软件做双馈风力发电机三维动画中，将从风轮捕捉风能到最后的馈入电网的过程得以展现，使我们对双馈风力发电机的能流关系了解的更透彻。双馈风力发电机的能流关系将对培养风电人才有着重要的作用。

关键词：双馈风力发电机；数学模型；能流回路；Pro/Engineer操作软件；三维动画

风能作为一种清洁的可持续能源，已经成为除水电以外，技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业发展前景的一种发电方式。鉴于风机是风能转化为电能的一种重要转换装置，而双馈风力发电机占风电机组中的主导地位，这也就意味研究双馈风力发电机能流关系尤为重要。

1 概述

风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能，这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。而目前的主流机型是变速恒频机型，文章主要以双馈风力发电机进行研究。

变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈即指定子和转子都向电网馈电。

双馈风力发电机组结构图：

风能转换系统主要组成部分为风力机、传动系统，发电系统。

2 风力机

风力机是专门用来将空气动能转换为有效机械能的机械装置。风力机主要由轮毂和桨叶构成。在外界风力的作用下，风轮旋转产生机械能，但风力机只能将通过风轮扫及面的部分风能转换为机械能。

风力机汽动模型主要有两种方法：

（1）利用激盘理论；（2）利用叶素理论

激盘理论通过简单的表述解释了能量提取的过程，同时也规定了风能转换效率的理论极限，因此此部分主要针对激盘理论进行阐述。

2.1 风能的计算

设单位时间内气流流过的截面积为S的气体的体积为V，则V=Sv

如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为

上式即为风能的表达式。

在国际单位制中，ρ的单位是kg/m3；V的单位是m3；v的单位是m/s；E的单位是W。

从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流的速度的立方成正比。其中ρ和v会随地理位置、海拔、地形等因素而变。

2.2 风能转换成机械能的理论模型

风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹于1926年建立的，贝兹理论的假设如下：

（1）风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；（2）气流经过的整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向，如下图所示

设通过风轮的气流其上游截面为S1，下游截面为S2。由于风轮的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而v2必然低于v1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S2大于S1。

如果假设空气是不可压缩的，由连续条件可得

风作用在风轮上的力可由Euler理论写出

故风轮吸收的功率为P=Fv=ρSv2（v1-v2） （1）

此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为

令式（1）与（2）相等，得到

则作用在风轮上的力和提供的功率可写为

对于给定的上游速度v1，可写出以v2为函数的功率变化关系，将式（3）微分得

将上式除以气流通过扫掠面S时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率

上式即为有名的贝兹（Betz）理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的。

能量的转换会导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数CP<0.593。风力机实际能得到的有用功率输出是

3 传动系统

传动系统主要将风轮捕获的机械能传递至发电机。传动系统由低速轴、高速轴、齿轮箱及制动装置组成，齿轮箱将风轮转速增速至适合驱动电机的转速，通常将20～50r/min的齿轮箱转速增至1000～1500r/min的发电机转速。

传动系统将叶片上的气动转矩传递至发电机轴上，使发电机得到相应的转速。

4 发电系统

4.1 发电机并网

发电机并网就是通过发电机出口开关的合闸，把发电机和电网联接起来，让电能源源不断地输送出去。

发电机并网的条件为：定子电压与电网电压的波形、频率、幅值、相位、相序等完全相同。在这些量中，定子电压的波形与相序很容易满足条件，定子电压的频率可以通过测量发电机转子转速后对转子电流频率进行控制而满足要求，定子电压的幅值通过电网电压幅值加以控制；定子电压与电网电压的相位差在发电机并网过程中影响很大，而需要消除定子电压与电网电压的相位差，只能通过调节转子电流频率来实现，因此在考虑发电机并网时需对转子电流频率严格限制。

4.2 双馈发电机

双馈电机也称交流励磁电机，它包括电机本身和交流励磁自动控制系统。电机本身是绕线转子感应电机或专门设计的无刷电机。双馈电机是电机与电力电子技术和数控技术相结合的产物。双馈电机的定子接50Hz工频电网，转子接自动调节频率的交流电源。随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频率、幅值大小和相位的调节，双馈电机在电动工况或发电工况下运行，转速都可以调节变化，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。

4.2.1 双馈发电机的工作原理

双馈是指两个能量流动通道，电机定子和转子都可以与电网交换能量，实现能量从定子和转子到电网的两个通道流动。

双馈发电机正式由叶片通过齿轮箱变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PWM控制以达到定子侧输出完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，以达到最大利用风能效果。

4.2.2 双馈式风力发电机的功率流向分析

双馈风力发电系统的总功率由风力机及机械传动部分的特性决定。

以变速恒频风力发电系统为例，在该系统中，发电机的定子直接接入电网中，转子通过由两个背靠背的连接的电压型PWM变换器组成的交直交变换器与电网相连。

双馈电机工作的阶段分为次同步和超同步两个阶段，再加上转子侧的转差功率的传递方向的不同，我们可以把双馈发电机的功率分为四个不同的状态，即超同步发电、超同步电动、亚同步发电以及亚同步电动。而文章主要针对超同步发电和次同步发电两种发电状态进行阐述。

双馈电机转差率s=■，其中为n1为同步转速， n 为电机转速。当s>0时，双馈电机工作于亚同步发电运行状态，当s<0时，双馈电机工作于超同步运行状态。

（1）超同步发电状态

超同步就是指转子转速超过电机同步转速时的一种运行状态，我们称之为正常发电状态。

（2）亚同步运行状态

亚同步状态即为转子转速低于同步转速的运行状态，称之为补偿发电状态。

通过比较可看出，超同步时Pmech>P1，亚同步时有Pmech

5 结束语

风力发电机组是实现能量转换的设备，从能量转换角度来看，它包含两大部分，其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能， 其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。

文章围绕双馈风力发电机组能流关系这个话题陈述，主要讲述了风力机捕获风能获得能量和双馈电机发电的原理，在研究双馈电机功率流向时，通过图示直观清晰的表达出来，对于风电爱好者学习提供了帮助。

摘 要：在环境问题日益突出的今天，采用环保的方法解决环境问题显得尤为的重要。风能就成为了一种趋势，这也就需要很多相关人士投入更多的精力来关注并解决这个问题，而参与的前提是了解。在风电机组中双馈电机占主导地位，这也就意味着了解双馈风力发电机能流回路关系是迫在眉睫的一个问题。通过用Pro/Engineer操作软件做双馈风力发电机三维动画中，将从风轮捕捉风能到最后的馈入电网的过程得以展现，使我们对双馈风力发电机的能流关系了解的更透彻。双馈风力发电机的能流关系将对培养风电人才有着重要的作用。

关键词：双馈风力发电机；数学模型；能流回路；Pro/Engineer操作软件；三维动画

风能作为一种清洁的可持续能源，已经成为除水电以外，技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业发展前景的一种发电方式。鉴于风机是风能转化为电能的一种重要转换装置，而双馈风力发电机占风电机组中的主导地位，这也就意味研究双馈风力发电机能流关系尤为重要。

1 概述

风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能，这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。而目前的主流机型是变速恒频机型，文章主要以双馈风力发电机进行研究。

变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈即指定子和转子都向电网馈电。

双馈风力发电机组结构图：

风能转换系统主要组成部分为风力机、传动系统，发电系统。

2 风力机

风力机是专门用来将空气动能转换为有效机械能的机械装置。风力机主要由轮毂和桨叶构成。在外界风力的作用下，风轮旋转产生机械能，但风力机只能将通过风轮扫及面的部分风能转换为机械能。

风力机汽动模型主要有两种方法：

（1）利用激盘理论；（2）利用叶素理论

激盘理论通过简单的表述解释了能量提取的过程，同时也规定了风能转换效率的理论极限，因此此部分主要针对激盘理论进行阐述。

2.1 风能的计算

设单位时间内气流流过的截面积为S的气体的体积为V，则V=Sv

如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为

上式即为风能的表达式。

在国际单位制中，ρ的单位是kg/m3；V的单位是m3；v的单位是m/s；E的单位是W。

从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流的速度的立方成正比。其中ρ和v会随地理位置、海拔、地形等因素而变。

2.2 风能转换成机械能的理论模型

风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹于1926年建立的，贝兹理论的假设如下：

（1）风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；（2）气流经过的整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向，如下图所示

设通过风轮的气流其上游截面为S1，下游截面为S2。由于风轮的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而v2必然低于v1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S2大于S1。

如果假设空气是不可压缩的，由连续条件可得

风作用在风轮上的力可由Euler理论写出

故风轮吸收的功率为P=Fv=ρSv2（v1-v2） （1）

此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为

令式（1）与（2）相等，得到

则作用在风轮上的力和提供的功率可写为

对于给定的上游速度v1，可写出以v2为函数的功率变化关系，将式（3）微分得

将上式除以气流通过扫掠面S时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率

上式即为有名的贝兹（Betz）理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的。

能量的转换会导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数CP<0.593。风力机实际能得到的有用功率输出是

3 传动系统

传动系统主要将风轮捕获的机械能传递至发电机。传动系统由低速轴、高速轴、齿轮箱及制动装置组成，齿轮箱将风轮转速增速至适合驱动电机的转速，通常将20～50r/min的齿轮箱转速增至1000～1500r/min的发电机转速。

传动系统将叶片上的气动转矩传递至发电机轴上，使发电机得到相应的转速。

4 发电系统

4.1 发电机并网

发电机并网就是通过发电机出口开关的合闸，把发电机和电网联接起来，让电能源源不断地输送出去。

发电机并网的条件为：定子电压与电网电压的波形、频率、幅值、相位、相序等完全相同。在这些量中，定子电压的波形与相序很容易满足条件，定子电压的频率可以通过测量发电机转子转速后对转子电流频率进行控制而满足要求，定子电压的幅值通过电网电压幅值加以控制；定子电压与电网电压的相位差在发电机并网过程中影响很大，而需要消除定子电压与电网电压的相位差，只能通过调节转子电流频率来实现，因此在考虑发电机并网时需对转子电流频率严格限制。

4.2 双馈发电机

双馈电机也称交流励磁电机，它包括电机本身和交流励磁自动控制系统。电机本身是绕线转子感应电机或专门设计的无刷电机。双馈电机是电机与电力电子技术和数控技术相结合的产物。双馈电机的定子接50Hz工频电网，转子接自动调节频率的交流电源。随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频率、幅值大小和相位的调节，双馈电机在电动工况或发电工况下运行，转速都可以调节变化，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。

4.2.1 双馈发电机的工作原理

双馈是指两个能量流动通道，电机定子和转子都可以与电网交换能量，实现能量从定子和转子到电网的两个通道流动。

双馈发电机正式由叶片通过齿轮箱变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PWM控制以达到定子侧输出完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，以达到最大利用风能效果。

4.2.2 双馈式风力发电机的功率流向分析

双馈风力发电系统的总功率由风力机及机械传动部分的特性决定。

以变速恒频风力发电系统为例，在该系统中，发电机的定子直接接入电网中，转子通过由两个背靠背的连接的电压型PWM变换器组成的交直交变换器与电网相连。

双馈电机工作的阶段分为次同步和超同步两个阶段，再加上转子侧的转差功率的传递方向的不同，我们可以把双馈发电机的功率分为四个不同的状态，即超同步发电、超同步电动、亚同步发电以及亚同步电动。而文章主要针对超同步发电和次同步发电两种发电状态进行阐述。

双馈电机转差率s=■，其中为n1为同步转速， n 为电机转速。当s>0时，双馈电机工作于亚同步发电运行状态，当s<0时，双馈电机工作于超同步运行状态。

（1）超同步发电状态

超同步就是指转子转速超过电机同步转速时的一种运行状态，我们称之为正常发电状态。

（2）亚同步运行状态

亚同步状态即为转子转速低于同步转速的运行状态，称之为补偿发电状态。

通过比较可看出，超同步时Pmech>P1，亚同步时有Pmech

5 结束语

风力发电机组是实现能量转换的设备，从能量转换角度来看，它包含两大部分，其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能， 其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。

文章围绕双馈风力发电机组能流关系这个话题陈述，主要讲述了风力机捕获风能获得能量和双馈电机发电的原理，在研究双馈电机功率流向时，通过图示直观清晰的表达出来，对于风电爱好者学习提供了帮助。

摘 要：在环境问题日益突出的今天，采用环保的方法解决环境问题显得尤为的重要。风能就成为了一种趋势，这也就需要很多相关人士投入更多的精力来关注并解决这个问题，而参与的前提是了解。在风电机组中双馈电机占主导地位，这也就意味着了解双馈风力发电机能流回路关系是迫在眉睫的一个问题。通过用Pro/Engineer操作软件做双馈风力发电机三维动画中，将从风轮捕捉风能到最后的馈入电网的过程得以展现，使我们对双馈风力发电机的能流关系了解的更透彻。双馈风力发电机的能流关系将对培养风电人才有着重要的作用。

关键词：双馈风力发电机；数学模型；能流回路；Pro/Engineer操作软件；三维动画

风能作为一种清洁的可持续能源，已经成为除水电以外，技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业发展前景的一种发电方式。鉴于风机是风能转化为电能的一种重要转换装置，而双馈风力发电机占风电机组中的主导地位，这也就意味研究双馈风力发电机能流关系尤为重要。

1 概述

风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能，这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。而目前的主流机型是变速恒频机型，文章主要以双馈风力发电机进行研究。

变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈即指定子和转子都向电网馈电。

双馈风力发电机组结构图：

风能转换系统主要组成部分为风力机、传动系统，发电系统。

2 风力机

风力机是专门用来将空气动能转换为有效机械能的机械装置。风力机主要由轮毂和桨叶构成。在外界风力的作用下，风轮旋转产生机械能，但风力机只能将通过风轮扫及面的部分风能转换为机械能。

风力机汽动模型主要有两种方法：

（1）利用激盘理论；（2）利用叶素理论

激盘理论通过简单的表述解释了能量提取的过程，同时也规定了风能转换效率的理论极限，因此此部分主要针对激盘理论进行阐述。

2.1 风能的计算

设单位时间内气流流过的截面积为S的气体的体积为V，则V=Sv

如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为

上式即为风能的表达式。

在国际单位制中，ρ的单位是kg/m3；V的单位是m3；v的单位是m/s；E的单位是W。

从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流的速度的立方成正比。其中ρ和v会随地理位置、海拔、地形等因素而变。

2.2 风能转换成机械能的理论模型

风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹于1926年建立的，贝兹理论的假设如下：

（1）风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；（2）气流经过的整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向，如下图所示

设通过风轮的气流其上游截面为S1，下游截面为S2。由于风轮的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而v2必然低于v1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S2大于S1。

如果假设空气是不可压缩的，由连续条件可得

风作用在风轮上的力可由Euler理论写出

故风轮吸收的功率为P=Fv=ρSv2（v1-v2） （1）

此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为

令式（1）与（2）相等，得到

则作用在风轮上的力和提供的功率可写为

对于给定的上游速度v1，可写出以v2为函数的功率变化关系，将式（3）微分得

将上式除以气流通过扫掠面S时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率

上式即为有名的贝兹（Betz）理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的。

能量的转换会导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数CP<0.593。风力机实际能得到的有用功率输出是

3 传动系统

传动系统主要将风轮捕获的机械能传递至发电机。传动系统由低速轴、高速轴、齿轮箱及制动装置组成，齿轮箱将风轮转速增速至适合驱动电机的转速，通常将20～50r/min的齿轮箱转速增至1000～1500r/min的发电机转速。

传动系统将叶片上的气动转矩传递至发电机轴上，使发电机得到相应的转速。

4 发电系统

4.1 发电机并网

发电机并网就是通过发电机出口开关的合闸，把发电机和电网联接起来，让电能源源不断地输送出去。

发电机并网的条件为：定子电压与电网电压的波形、频率、幅值、相位、相序等完全相同。在这些量中，定子电压的波形与相序很容易满足条件，定子电压的频率可以通过测量发电机转子转速后对转子电流频率进行控制而满足要求，定子电压的幅值通过电网电压幅值加以控制；定子电压与电网电压的相位差在发电机并网过程中影响很大，而需要消除定子电压与电网电压的相位差，只能通过调节转子电流频率来实现，因此在考虑发电机并网时需对转子电流频率严格限制。

4.2 双馈发电机

双馈电机也称交流励磁电机，它包括电机本身和交流励磁自动控制系统。电机本身是绕线转子感应电机或专门设计的无刷电机。双馈电机是电机与电力电子技术和数控技术相结合的产物。双馈电机的定子接50Hz工频电网，转子接自动调节频率的交流电源。随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频率、幅值大小和相位的调节，双馈电机在电动工况或发电工况下运行，转速都可以调节变化，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。

4.2.1 双馈发电机的工作原理

双馈是指两个能量流动通道，电机定子和转子都可以与电网交换能量，实现能量从定子和转子到电网的两个通道流动。

双馈发电机正式由叶片通过齿轮箱变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PWM控制以达到定子侧输出完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，以达到最大利用风能效果。

4.2.2 双馈式风力发电机的功率流向分析

双馈风力发电系统的总功率由风力机及机械传动部分的特性决定。

以变速恒频风力发电系统为例，在该系统中，发电机的定子直接接入电网中，转子通过由两个背靠背的连接的电压型PWM变换器组成的交直交变换器与电网相连。

双馈电机工作的阶段分为次同步和超同步两个阶段，再加上转子侧的转差功率的传递方向的不同，我们可以把双馈发电机的功率分为四个不同的状态，即超同步发电、超同步电动、亚同步发电以及亚同步电动。而文章主要针对超同步发电和次同步发电两种发电状态进行阐述。

双馈电机转差率s=■，其中为n1为同步转速， n 为电机转速。当s>0时，双馈电机工作于亚同步发电运行状态，当s<0时，双馈电机工作于超同步运行状态。

（1）超同步发电状态

超同步就是指转子转速超过电机同步转速时的一种运行状态，我们称之为正常发电状态。

（2）亚同步运行状态

亚同步状态即为转子转速低于同步转速的运行状态，称之为补偿发电状态。

通过比较可看出，超同步时Pmech>P1，亚同步时有Pmech

5 结束语

风力发电机组是实现能量转换的设备，从能量转换角度来看，它包含两大部分，其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能， 其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。

文章围绕双馈风力发电机组能流关系这个话题陈述，主要讲述了风力机捕获风能获得能量和双馈电机发电的原理，在研究双馈电机功率流向时，通过图示直观清晰的表达出来，对于风电爱好者学习提供了帮助。