淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理 ——以雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（DFIG）為例

大家好，今天我要給大家介紹的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理，以雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)DFIG為例。

《現(xiàn)代信息工具》課相信大家都很熟悉，但是《現(xiàn)代信息工具》課上的DFIG是怎么回事呢，下面就讓小編帶大家了解一下吧。

先簡單說說風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀。目前在世界范圍內(nèi)，風(fēng)能發(fā)電量的占比只有1.7%，但是相比其他主流發(fā)電技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)最小。我國的風(fēng)力發(fā)電量現(xiàn)居世界第一。接下來，我將從能量傳輸?shù)捻樞騺矸治鲲L(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理。

風(fēng)力發(fā)電的第一步是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。這個(gè)過程主要依靠風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪來完成。葉輪是由三個(gè)葉片組成的旋轉(zhuǎn)裝置，我們分析其中的一個(gè)葉片：葉片的形狀為傾斜的，這樣可以使得風(fēng)從葉片的兩側(cè)通過時(shí)，產(chǎn)生不同的速度和壓力。根據(jù)伯努利原理，風(fēng)從葉片的凸面通過時(shí)，速度較快，壓力較??；風(fēng)從葉片的凹面通過時(shí)，速度較慢，壓力較大。這樣就形成了一個(gè)壓力差，推動(dòng)葉片向低壓方向旋轉(zhuǎn)，這就是使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的升力，決定了葉片旋轉(zhuǎn)的速度V blade。

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再來看右邊，當(dāng)葉片運(yùn)動(dòng)起來后，它受到的相對(duì)風(fēng)速是實(shí)際風(fēng)速與葉片速度之差。如果實(shí)際功率小于額定功率，則需要增大攻角，來提升升力，極限狀態(tài)是葉片完全正對(duì)著風(fēng)向。如果實(shí)際功率大于額定功率，為了避免損壞就要減小攻角。

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我們可以用公式計(jì)算葉輪接收到的風(fēng)能：

【公式】

其中，Pwind是理論計(jì)算的總風(fēng)能，P是葉輪接收到的實(shí)際風(fēng)能，Cp是風(fēng)能利用率，因?yàn)轱L(fēng)在經(jīng)過葉片后總還有速度，Cp不可能降到零，所以會(huì)有一個(gè)最大值，為0.59，這被稱為貝茲極限（Betz’s limit）。

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功率的調(diào)整，需要監(jiān)測(cè)風(fēng)向和風(fēng)速。風(fēng)向變化時(shí)，調(diào)整偏航控制裝置，改變風(fēng)機(jī)朝向，因?yàn)橛娴娘L(fēng)力最大。風(fēng)速變化時(shí)，調(diào)整變槳調(diào)節(jié)系統(tǒng)，改變?nèi)~片的攻角，使風(fēng)速對(duì)葉片的升力最大。

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風(fēng)力發(fā)電的第二步是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。首先是提高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速比一般是1：90，普通齒輪設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)，一般采用這種行星齒輪。

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發(fā)電機(jī)一般有兩種方案：

一種是恒速恒頻，通常采用同步電機(jī)或者籠型異步電機(jī)，通過定槳距失速控制，即使風(fēng)速較大，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速依然保持恒定，但是對(duì)風(fēng)能的利用率較低。

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另一種是變速恒頻，通常采用永磁同步電機(jī)或者雙饋異步電機(jī)，采用變槳距的方式，無論風(fēng)力變大變小，都充分利用風(fēng)能，通過電力電子裝置進(jìn)行恒頻，避免頻率波動(dòng)。

變速恒頻的雙饋異步系統(tǒng)是目前風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)，其具體原理將在下一部分詳細(xì)說明。

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風(fēng)力發(fā)電的第三步是電能的傳輸。這是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，“雙饋”的含義是定子和轉(zhuǎn)子都能和電網(wǎng)進(jìn)行功率交換，而一般的感應(yīng)電機(jī)只能由定子和電網(wǎng)交換功率。

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轉(zhuǎn)子這邊是起到對(duì)定子功率的調(diào)整作用，使用背靠背的IGBT進(jìn)行交直交變換，按照運(yùn)行要求調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組電源的頻率、電壓、幅值和相位，使機(jī)組可以在不同的轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電，滿足用電負(fù)載和并網(wǎng)的要求。

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轉(zhuǎn)子的功率方向有兩種狀態(tài)：

在超同步狀態(tài)，功率從轉(zhuǎn)子通過變流器饋入電網(wǎng)；而在欠同步狀態(tài)，功率從反方向從電網(wǎng)饋入轉(zhuǎn)子。在兩種情況下，定子都向電網(wǎng)饋電。

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這是Simulink的仿真圖，與前一張的結(jié)構(gòu)圖完全相同。這個(gè)是發(fā)電機(jī)，（……）

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目前風(fēng)力發(fā)電面臨與許多其他新能源發(fā)電相似的問題。

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棄風(fēng)問題是風(fēng)力發(fā)電過剩導(dǎo)致的。風(fēng)力發(fā)電量始終會(huì)波動(dòng)，為了防止影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，發(fā)電量過剩時(shí)只能暫停部分發(fā)電機(jī)。我國西北地區(qū)部分電網(wǎng)的棄風(fēng)量高達(dá)30%。目前的主流解決方案是調(diào)峰，與其他能源錯(cuò)峰運(yùn)行。比如在供暖方面，可以代替部分熱電廠的鍋爐。

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針對(duì)并網(wǎng)工作中存在的電網(wǎng)電壓跌落問題，如果跌落較小，可以通過STATCOM系統(tǒng)，也就是Static Synchronous Compensator，靜止同步補(bǔ)償器，來實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償。

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如果電網(wǎng)電壓跌落較大，STATCOM無法滿足系統(tǒng)所需要的無功功率補(bǔ)償，目前的主流解決方向是風(fēng)電儲(chǔ)能技術(shù)，比如飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能等，一方面可以提高風(fēng)能利用率，一方面可以減小風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的不利影響。

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這是本次用到的參考資料：

[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]?嗶哩嗶哩.【大柒來了】風(fēng)力發(fā)電如何將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，了解下工作原理，3D科普動(dòng)畫[EB/OL].https://www.bilibili.com/video/BV11U4y1v7d1/

[4]?趙國鑫. 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與低電壓穿越控制策略的研究[D].蘭州理工大學(xué),2021.

[5]?藍(lán)瀾. 新能源發(fā)電特性與經(jīng)濟(jì)性分析研究[D].華北電力大學(xué),2014.

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