双馈风力发电机组能流关系探究

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1、双馈风力发电机组能流关系探究摘要：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

2、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

3、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

4、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［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P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，P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P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

5、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S2O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vl,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Slo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=pSv2(vl-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

6、度vl,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CPO时，双馈电机工作于亚同步发电运行状态，当sPl,亚同步时有Pmech