双馈风力发电机：工作原理、优势及应用

双馈风力发电机：工作原理、优势及应用

双馈风力发电机是一种常见的风力发电装置，通过利用风能转化为电能，实现了对风力资源的有效利用。它采用双馈结构，通过调节辅助磁极的位置，实现对转速和功率的精确控制，提高了系统的稳定性和功率输出。双馈式风力发电机具有较高的效率和适应性，是目前风力发电场常用的装置之一。

定义

双馈风力发电机是一种使用双馈异步发电机的风力发电机组，它通过增速齿轮箱与发电机相连。双馈式风力发电机组的系统将齿轮箱传输到发电机主轴的机械能转化为电能，通过发电机定子、转子传送给电网。发电机定子绕组直接和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变频器相连。变频器控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态。在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能量，这时逆变器将直流侧能量馈送回电网。在亚同步发电时，通过定子向电网馈送能量、转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态，变流系统双向馈电，故称双馈技术。

工作原理

1. 风能转化为旋转动能：风力发电机的叶片接收到风的动能，产生旋转运动。
2. 传递旋转动能：旋转的轴通过齿轮传动等方式，将旋转动能传递给转子。
3. 转子的双馈结构：转子包含一对主磁极和一对辅助磁极，其中辅助磁极是可调节的。
4. 感应发电原理：主磁极在转子上产生的磁场与定子上的线圈相互作用，产生感应电动势。
5. 电能传输：感应电动势经过变频器和其他电气设备进行调节和转换后，传输到电网中。

优势

双馈式风力发电机采用双馈结构，具有以下优势：

1. 高效：双馈风力发电机通过使用变频技术，能够根据风力的变化自动调节风力发电机的转速，保持最佳的效率。
2. 可靠：双馈风力发电机采用双馈结构，辅助转子通过功率电子装置与电网相连，能够在故障情况下保持风力发电机的正常运行。
3. 提高稳定性：通过调整辅助磁极的位置，可以实现对转速和功率的精确控制，提高系统的稳定性。
4. 灵活：双馈风力发电机能够实现无级变速，适应不同风力条件下的工作要求。
5. 适应性强：双馈式风力发电机适应性强，可以适应不同的风速和转速变化。
6. 减小成本：辅助磁极的可调节性降低了对控制系统的要求，减小了成本。

特点

双馈式风力发电机是一种具有高效转速控制、电网侧变流器性能表现优异、峰值功率追踪能力强等特点的风力发电机。

一、转速控制能力强

双馈式风力发电机的一大特点就是具备高效的转速控制能力。传统的固定转速风力发电机在风速波动时难以保持恒定输出功率，且当风速过高时容易出现过载情况，因此存在一定的安全隐患。而双馈式风力发电机则可以通过控制转子侧和电网侧两个转速的差异，将风轮输出的机械功率转化为电能输出到电网上，从而实现稳定输出功率。在转速控制方面表现出了其高效、灵活的特点。

二、电网侧变流器性能表现优异

电网侧变流器是风力发电系统中的一个重要组成部分，其高可靠性、高效率、高功率因数等特点对于风电系统的可靠性和经济性都具有重要影响。相比传统的全功率变流器，双馈式风力发电机采用的是半功率变流器。这种变流器可以使功率因数保持在合理的范围内，提高系统的效率，并且适应电网变化时的运行要求。同时，在电网发生故障时，半功率变流器可以及时切断电网侧电流，从而保护发电机。

三、峰值功率追踪能力强

峰值功率追踪是一个对于风力发电系统而言非常重要的性能指标。传统的固定转速风力发电机在风速波动时，难以实现峰值功率的利用，因此浪费了不少可用能量。而双馈式风力发电机则可以通过控制其转速，实现峰值功率的追踪。相比传统的风力发电机，其在功率输出方面具有更高的利用率。

四、运行和维护成本低

双馈式风力发电机相比传统的固定转速风力发电机，具备成本低、运行和维护方便的优势。其可使用较为简单的电机传动系统和转速控制策略，且相比传统的全功率变流器，半功率变流器更加成本低廉。同时，在维护方面，双馈式风力发电机具有传动器构件相对独立的优势。这种设计使得维护过程中可以仅更换需要维护的部件，从而降低了维护成本和时间。

主要部件

双馈式风力发电机组的叶轮通过多级齿轮增速箱驱动发电机，主要结构包括风轮、传动装置、发电机、变流器系统、控制系统等。

1. 风轮

风轮是双馈型风电机组的核心组件之一，由轮毂、叶片和罩壳组成。其主要任务是通过叶片捕捉风能，并将其转化为机械能。

• 轮毂：轮毂的作用是支撑叶片，并将其与传动系统连接起来。轮毂通常由钢或铸铁制成，需要具备足够的强度和刚度，以承受风荷载和叶片的离心力。
• 叶片：叶片的作用是将风能转化为机械能。叶片通常由玻璃钢或碳纤维制成，具有良好的空气动力学性能。叶片的形状、尺寸和材料都会影响风力发电机组的效率和性能。
• 罩壳：罩壳的作用是保护风轮变桨系统免受外界环境的影响。罩壳通常由玻璃钢或碳纤维制成，能够抵抗风沙、雨雪等恶劣天气。

2. 主轴

主轴是支撑风轮的关键结构，使其能够旋转。主轴的设计需要考虑到高强度、轻量化以及对恶劣天气的适应性，确保风电机组在各种条件下都能安全可靠地运行。

3. 齿轮箱

齿轮箱是风电机组的关键传动部件。它将风机轮旋转的低速运动转化为发电机需要的高速旋转运动。合理设计的齿轮箱能够提高能量传递效率，延长设备寿命。

4. 发电机

发电机是将机械能转化为电能的核心设备。在双馈型风电机组中，采用的是双馈异步发电机。这种发电机具有转子绕组可控的特点，能够实现双向功率控制。

5. 双馈变流器

双馈变流器是双馈型风电机组的独特设计之一。它允许风电机组的转子旋转速度和电网的频率之间有一定的差异，提高了风电机组的适应性和响应速度。双馈变流器还包括电子控制系统，确保电能有效、稳定地注入电网。

6. 偏航系统

偏航系统是确保风轮始终朝向风的重要系统。它包括偏航驱动装置和偏航传感器，通过实时监测风向并调整机组方向，保持最佳的风能捕捉效果。

7. 冷却系统

冷却系统用于对发电机、变流器等核心设备进行散热，确保设备在长时间运行中保持适宜的工作温度。高效的冷却系统有助于提高设备的稳定性和可靠性。

8. 润滑系统

润滑系统对风电机组的机械运转至关重要。它确保各个运动部件在高速运转中能够保持良好的润滑状态，减少摩擦损耗，延长零部件寿命。

9. 液压系统

液压系统主要用于控制风轮、偏航系统等关键部件的运动。它提供高效的能量传递和精确的控制，使得风电机组能够在不同工况下平稳运行。

10. 监测与维护系统

监测与维护系统通过传感器和远程监控技术，实时监测风电机组各个部件的状态。这有助于提前发现潜在问题，进行预防性维护，提高风电机组的可靠性和可维护性。

11. 塔筒

塔筒是风电机组的支撑结构，将整个机组高悬于地面。塔筒的高度会影响到风能的捕捉效果，同时也需要具备足够的稳定性和承载能力。

12. 其他部件

除了上述主要部件之外，双馈型风电机组还包括控制系统、变桨系统、测风系统、变压器、电缆、接地装置、消防系统等辅助部件，它们共同保障风电机组的安全、高效运行。

应用范围

1. 大型风电场

双馈风力发电机广泛应用于大型风电场，其优越的控制性能和高效率使其成为风电场的主要发电设备。可以灵活应对不同风速下的发电需求，提高整个风电场的发电效率。

2. 智能电网接入

双馈风力发电机适用于智能电网系统，通过控制器实现与电网的有效交互。可以根据电网需求调节功率输出，支持电网平衡和频率调控。

3. 风力资源丰富地区

在风力资源充沛的地区，双馈风力发电机可以充分利用风能资源，提高电力发电效率，为当地提供清洁可再生的电力。

4. 工业和商业用电

双馈风力发电机也被应用于工业和商业领域，为大型工厂、办公楼等提供电力支持，降低能源成本和环境影响。

5. 地面装机和海上风电场

无论是地面装机或海上风电场，双馈风力发电机都展现出其灵活性和高效性，适用于各种风能开发场景。