2MW风力双馈异步电动机的研究设计
摘要:一个设计为一个2 MW风力发电机的商业,验证了两种连接方式为标准双馈异步机可延长低速下范围到80%滑动没有增加的额定功率电子变换器。这远远超出了正常的30%的下限。较低的速度连接被称作异步发电机模式和机器操作与短路定子绕组和所有的功率流在转子回路。有两个回路逆变器控制系统方案设计和调整为每一个模式。本文的目的是当前仿真结果,说明了该控制器的动态性能均为双馈异步发电机的连接方法为2 MW风力涡轮机。一个简单的分析了双转子电压为连接方法包括作为这个演示的优势的时候,需要考虑设计等先进控制策略。关键词:双馈电机、异步发电机、风力发电机
1、介绍
兴趣是持续风力涡轮机,尤其是那些拥有一个额定功率的许多兆瓦这个流行主要由既环保,也可用的化石燃料。立法鼓励减少碳足迹的所谓的地方,所以目前正在感兴趣的可再生能源。风力涡轮机仍然被看作是一种建立完善的技术,已形成从定速风力涡轮机,现在流行的调速技术基于双馈异步发电机(DFIGs)。风力是一DFIG变速与转子变频器控制使转子电压相位和大小调整以保持最佳扭矩和必要的定子功率因数文[1]~[3]。DFIG技术是目前发达,是常用的风力涡轮机。定子的DFIG是直接连接到网格与电力电子转子变换器之间,用以转子绕组的网格。这个变量速度范围是成正比的评级的转子等通过变频器调速范围±30%[4、5、6、7]转子转换器只需要的DFIG总量的30%的力量而使全面控制完整的发电机输出功率。这可能导致显著的成本节省了转子转换器[4]。滑动环连接,但必须保持转子绕组,性能安全可靠。电源发电机速度特性,如图1所示为2 MWwind汽轮机。对于一个商业发电机速度随风速,然而这种关系是为某一特定地点。作为风速,并因此机速度快、输出功率下降了的风力发电机减少直至关闭时提取风是比损失的发电机和液力变矩器。操作模式已经提出,风力机制造商宣称延伸速度范围以便在较低的速度力量提取的风是比损失在系统等系统能保持联系。这个建议标准的双(DF)连接在正常使用调速范围所谓DF异步发电机(“模式是用来延长低速运行。先前的工作已经显示了IG模式能够运作的DFIG滑到80%[8]。这一变化在运行时实现定子从电网DF模式,然后短巡回定子使国际组操作。所有的发电机组转子变频器在流经IG模式。免疫球蛋白曲线相同的曲线为±30% DF滑动。估计国际组电力提取的风在低速下所获得的曲线,推断DF模式。参考扭矩由控制器(DF和IG模式),就可以很容易地来源于这样的曲线。扭矩-速度数据可以存储在一个查表所以参考转矩和转速变化自动。
这个能力的现代DF风力涡轮机不同的无功功率吸收或产生[6、第九条、第十条]让风涡轮参与无功功率平衡的格子里。无功功率在电网的连接中描述的工作,由英国,连接条件小节CC.6.3.2[11]从国家电网。无功要求风电场的定义是由图2。
MVAr点——相当于功率因数为0.95领先于额定兆瓦
MVAr B点——相当于功率因数为0.95滞后于额定兆瓦
C - MVAr 5点的额定兆瓦
D点- MVAr 5%额定兆瓦
E - MVAr 12点的额定兆瓦
摘要本文旨在探讨控制器性能和IG模式为DF 2MW 690V,4-pole,DFIG使用机器参数由制造商。这是进一步研究建立在先前的稳态性能进行了两种操作的损耗,以及国际组模式[8]。在[8]探讨了稳态效率为双方关系。工作说明的稳态性能都有好处,这台机器运行一个连接方法相对于其他。摘要本文检视(即瞬态性能)的2千瓦风力涡轮。结果全部动态控制器(电流调节、解耦控制方程和矢量控制方式,在DF)的方式显示指定。配置程序做了详细的分析,形成了转子的电压在整个操作范围内DFIG模式,给出了这种能够主宰成分浮出水面。这是特别重要的先进控制方案设计时充分概论的工作范围内,能被确认。仿真模型,它已经被证实对7.5kW实验室钻机[12],是应用于现实的2千瓦风力使结论是关于拟议中的使用IG模式在真实的风力涡轮。
2、连接方法
双馈异步电机通常连接如图3。GSI网格侧逆变器(保持)是一个固定的直流环节电压与给定的功率因数的网格(在我们的情况下,团结)。转子侧逆变器(劳损)
的控制,从而使最大能量提取的动能的风而使定子功率因数控制范围内统一要求,尽管网格的功率因数往往是可取的。另一种连接方式为双馈电机如图4,这叫了异步发电机(指定)连接。定子是脱离电网和短路。转子回路图3。从不变。GSI 一样的控制方式。DF)目的是为了控制劳损定子磁链在吸收最大功率的动能,风能。
3、控制器性能
闭环控制方式都和IG模式DF讨论的前期准备工作[12]但只有一个7.5亿千瓦实验室试验平台。2千瓦动力学系统会有所不同,本文讨论了。动态控制器的性能和IG模式为DF中显示的是这段2 MW风力涡轮机。
3.1DFIG模式(T和Q控制)
参考价值的扭矩模式控制器DF(见图1)和定子无功使网格代码要求达到[11],图2。摘要研究了两种速度,使部分的控制性能表现出两上方和下方的标称功率的20%限制电网的规范要求。一个命名可以达到3亿千瓦,约1150转(小于标称功率的20%)
一个额定功率是达到125千瓦1550转(超过20%的额定功率)。参考和实际的扭矩、网球、定子无功功率,Qs,都显示,两者的速度在图5。
参考扭矩,越富有,因为这两者都是具体的名义转矩速度对于一个给定的速度计算出图1;?2672海里为1150转速和?7701海里的1550转速。200海里的速度在双方的动态响应,说明了一步,改变扭矩。参考定子无功功率,Qs *,螺杆转速变化之间的1150年所指定的范围栅格规程的要求;最初?5%的生成与更进了一步,在t = + 5%的3.5s产生电力。在1550转定子动力因素、pfs *,最初0.95并逐步改变在t = 3s团结pfs和最后一步,在t = 0.95滞后4s pfs)。矢量控制回路的调整为一个时间常数的0.9s 0.1秒,为特和Qs循环。矢量控制的设计是为了有一个较慢的带宽比当前的规定。
实际转子电流直接、irds、正交、irqs、部件对应figure6图5中显示。这个步骤的影响是明显的变化对Te * irqs(上标s指出变量是指在定子)。这个irqs *元件包含小瞬态响应1550 rpm在t =三分球和t = 4s是由于步改变Qs价值。这个步骤改变Qs *,如图5,导致快速变化的irds *,图6,如有初步的误差和实际Qs作为参考一会儿,管理作为回应。现行规定,确保带宽防止控制器对这样的流
动而不断地获得适当的反应速度这个方程为基础的调谐用来控制器的设计出相似的比例和积分所得的值为现行规定直接和正交循环的Holdsworth魏厚[10]。
3.2 IG模式(T和流量控制)
参考价值的IG模式控制器是定子磁链和转矩。摘要研究了两种条件下2千瓦发电在IG模式中,启动和扭矩步反应,以400转(最低IG模式速度[12])和1420转(所产生的力量以这样的速度与转子上游的额定功率转换器,600亿千瓦)。参考和实际的扭矩、网球、定子磁链,λsr(上标' r”表明变量是指两个方面对转子)的速度如图7。
稳态Te标称值处理的速度、?320海里为400转速和?4081海里,源自公元1420年转图1。一个启动顺序必须建立在额定λsr机器,对于一个给定的速度,通过一段斜坡,图7,机器可以产生电力。
一旦该控制器参考λsr已建立了机械,特*增加通过控制的名义价值斜坡给定的速度,然后一阶跃响应50海里在400转速与200海里时转速适用。公元1420年,该控制器控制机器来跟踪Te *果然,参看图7。
矢量控制回路的确定值的参考转子电流如图8。最初的成分迅速上升到建立λsr,大约三倍公称稳态值对于一个给定的负荷点。当前在额定的限制。最初的解码器能够显著降低,如果一个较慢的反应λsr实现。
这个硬中断请求优先级别组成,是由扭矩环使渴望权力产生。最初有轻微的误差影响高解码器的交叉耦合正交循环系统的条款。一旦名义λsr于机器直接和正交环路的解耦。又一特步引起短暂飙升的硬中断请求优先级别*虽然被调谐到这个变化是慢于参考价值。
4、转子的电压元件
双方的性能和IG模式DF已经在上一节。两者都是基于内部控制电流环和外部控制回路为转矩和定子无功功率损耗的案例和转矩和定子磁链的IG。再加上解耦方程的PI控制器的影响,降低产量之间的交叉耦合循环。最后一部分工作的研究做出贡献的稳态组件的转子电压,全部在方程式(1和2),2千瓦机器来评估的重要性,在不同的速度方程式解耦。转子电压、工具、转子电流、国税局,居于万物的工具和组件由方程式(1和2)进行了DF转速范围内(1000年到1950年转矩确定)的正常从图表1),和定子动力因素、pfs、范围的0.9落后领先到0.9%。只有pfs被视为GSI可能保持团结酚醛风轮变频器连接到网格的独立的劳损。
图9所示的是变化的速度和vrdqs定子无功功率范围的调查。vrds组件的主导的稳态的ωsfσirqs?的压降和λsq后被忽略的是零组件选择参考帧。这可以比较图9和数字。在一个2千瓦的vrqs机床主导下的ωsf(Lm / Ls)λsd期限为低的总泄漏,降低电感、σirds交叉耦合效应的术语和λs取向的λsq构件框架设置为零。在vrqs变化在恒定的速度(并因此转矩)是由于从irds交叉耦合的定子无功功率调节,Qs,因此pfs这个工具vrqs统治级的组件和对称
1500rpm;thesynchronous速度4-pole机。
在稳态变化直接,irds、正交、irqs、转子电流部件对速度和Qs如图10。irds元件的功率因数、调节定子无,通过控制Qs和太少s组件调节。irds确定的价值的比例提供发电机无功功率的定子和转子回路。irds增加越来越积极的比例从转子回路Q同时减少了问从出口到Q的静定。越来越消极irds增加问从,减少了定子电路的转子的一面,直到Q是由转子出口。Qs随维持理想Te,因此irds组件无会持续pfs在更高的速度。大致上是恒定的irqs元件恒速恒转矩的力量,积极为产生的定位框架和直接和正交轴排成一线国税局的大小是为所有的额定内部条件图10。
其余的这部分说明了转子的电压,vrdqs、稳态部件从方程式(1和2)。这个Rrsirds术语及术语vrds Rrsirqs vrqs仅仅是irdqs,如图10,攀登通过后,所以不显示。
jσωsfirdqs的交叉耦合条件vrdqs如图11所示， jσωsfirdqs有助于vrds和σωsfirds从 vrqs。Σωsfirds由组成随既速度和定子无功功率为定子无功成正比,与转矩对于一个给定的定子动力因素。σωsfirds随着年龄的增长而增长速度的组件负载力矩增加如图1。σωsfirqs组件是主导学期在vrds 组成eqn(1),在不同步性的速度。在极性的结果ωsf定义和大小的扭矩。irdqs 大小是由频率升高而升高，ωsf与总漏电感。图12表明vrdqs由j(Lm/Ls)和ωsf和λsdq组成，(Lm/Ls)ωsfλsq有助于vrds，这个学期大致上是零因定位框架。 (Lm/Ls)ωsfλsd抑制 vrqs 的组成，(Lm/Ls)ωsfλsd的形状组成完全由ωsf.决定。
5、讨论
分析vrds和vrqs组成的可行性是由占统治地位的条款。λs定位框架的结果λsq和vrds前馈术语被忽略所以稳态vrds组件的结果是Rrsirds?σωsfirqs。三种截然不同的区域,然后可以识别sub-synchronous速度，关于同步速度，和超同步速度。vrds的瞬态响应的对于一个步骤irds*主导下的pσirds. p(Lm/Ls)λsd作为一个微不足道的效果了λsd 术语是恒定的,假设一个僵硬的网格。irds*的脉冲一步稳态值影响的vrqs在vrds的稳态条款，vrqs稳定的状态是由主导下的λsd 期限，Vrqs的瞬态响应由irqs*来的是由pσirqs周期正
如步骤irqs最初是高的。p(Lm/Ls)λsq有一个最大的作用时λsq约等于零，在vrqs的vrds周期和步骤周期所有的经验值变化的irqs *。
结论
摘要首先分析了控制器的响应和IG模式DF连接DFIG MW风力涡轮机。2这台机器参数为2千瓦机,为商用WRIM用于风力涡轮机,由制造商。2千瓦机参数用于这项工作并不仅仅是一种线性比例的前期准备工作在7.5万千瓦的特性与不相同的两个人之间的机器。两个方面进行了调查分析,对2千瓦DFIG。已经存在的仿真模型用于评估可控性和稳态和瞬态行为DFIG 2千瓦的IG模式和DF)。
结果表明,IG模式是一种可控的运作模式,这将扩大低速运行电压降低转子速度降低(电压),所以IGBTs限制会被尊为将当前的和权限的机器和液力变矩器。电压的组成进行了转子损耗模式DFIG 2千瓦。这显示了重要的解耦方程中的表现DFIG随速度。
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Design Study of Doubly-Fed Induction Generators
for a 2MW Wind Turbine
ABSTRACT:A design study for a 2 MW commercial wind turbine is presented to illustrate two connection methods for a standard doubly-fed induction machine which can extend the low speed range down to 80% slip without an increase in the rating of the power electronic converter. This far exceeds the normal 30% lower limit. The low speed connection is known as induction generator mode and the machine is operated with a short circuited stator winding with all power flow being through the rotor circuit. A two loop cascaded PI control scheme has been designed and tuned for each mode. The purpose of this paper is to present simulation results which illustrate the dynamic performance of the controller for both doubly-fed induction generator connection methods for a 2 MW wind turbine. A simple analysis of the rotor voltage for the doubly-fed connection method is included as this demonstrates the dominant components that need to be considered when designing such advanced control strategies.
Keywords: Doubly-fed, Induction generator, Wind turbine
1. INTRODUCTION
There is continuing interest in wind turbines, especially those with a rated power of many megawatts.This popularity is largely driven by both environmental concerns and also the availability of fossil fuels. Legislation to encourage the reduction of the so called carbon footprint is currently in place and so interest in renewables is currently high. Wind turbines are still viewed as a well established technology that has developed from fixed speed wind turbines to the now popular variable speed technology based on doubly-fed induction generators (DFIGs). A DFIG wind turbine is variable speed with the rotor converter being controlled so that the rotor voltage phase and magnitude is adjusted to maintain the optimum torque and the necessary stator power factor [1, 2, 3]. DFIG technology is currently well developed and is commonly used in wind turbines. The stator of a DFIG is directly connected to the grid with a power electronic rotor converter utilised between the rotor winding and the grid. The variable speed range is proportional to the rating of the rotor converter and so by limiting the speed range to ±30% [4, 5, 6, 7] the rotor converter need only be rated for 30% of the total DFIG power whilst enabling full control over the full generator output power. This can result in significant cost savings for the rotor converter [4]. The slip ring connection to the rotor winding however must be maintained for reliable performance.
The power – generator speed characteristic shown in figure 1 is fora commercial 2 MWwind turbine. The generator speed varies with wind speed however this relation is set for a specific location. As wind speed, and therefore machine speed, falls the power output of the generator reduces until the wind turbine is switched off when the power extracted from the wind is less than the losses of the generator and converter. An operating mode has been proposed by a wind turbine manufacturer that is claimed to extend the speed range so that at lower speed the power extracted from the wind is greater than the losses in the system and so the system can remain connected. This proposed that the standard doubly-fed (DF) connection is used over the normal DF speed range and the so-called induction generator (IG) mode is used to
extend the low speed operation. Previous work has illustrated that IG mode enables the DFIG to operate down to 80% slip [8]. This change in operation is achieved by disconnecting the stator from the grid in DF mode and then short circuiting the stator to enable IG operation. All of the generator power flows through the rotor converter in IG mode. The IG curve is identical to the DF curve for ±30% slip. The estimated IG power extracted from the wind at low speeds is obtained by extrapolating the curve for the DF mode.
The reference torque required by both controllers (DF and IG mode) can easily be derived from this curve. The torque – speed data can then be stored in a look-up table so the reference torque is automatically varied with speed.
The capability of modern DF wind turbines to vary the reactive power absorbed or generated [6, 9, 10] allows a wind turbine to participate in the reactive power balance of the grid. The reactive power at the grid connection considered in this work is described, for the UK, by the Connection Conditions Section CC.6.3.2 [11] available from the National Grid. The reactive power requirement for a wind farm is defined by figure 2.
Point A - MV Ar equivalent for 0.95 leading power factor at rated MW
Point B - MV Ar equivalent for 0.95 lagging power factor at rated MW
Point C - MV Ar -5 % of rated MW
Point D - MV Ar 5 % of rated MW
Point E - MV Ar -12 % of rated MW
The objective of this paper is to investigate the controller performance of DF and IG mode for a 2MW, 690V, 4-pole DFIG using machine parameters provided by the manufacturer. This is further research building on a previous paper which demonstrated the steady-state performance of the two modes of operation, DF and IG mode [8]. In [8] the authors discussed the steady-state efficiency for both connections. The steady-state performance work illustrated that there were benefits to operating the machine in one connection method as opposed to the other.
This paper examines the controllability (i.e. transient performance) of the 2 MW wind turbine. Results of the full dynamic controller (current regulation, decoupling
equations and vector control) in both DF mode and IG mode are shown. A detailed analysis of thecomponents that form the rotor voltage over the full operating range in DFIG mode is presented as this enables the dominant control components to be identified. This is particularly important when designing advanced control schemes as an overview over the full operating range can be identified. Simulation models, which have been validated against a 7.5kW laboratory rig [12], are applied to a realistic 2 MW wind turbine to enable conclusions to be made regarding the proposed use of IG mode in a real wind
turbine
2. CONNECTION METHODS
Doubly-fed induction machines are commonly connected as shown in figure 3. The grid side inverter (GSI) is controlled to maintain a fixed dc link voltage with a given power factor at the grid (in our case unity). The rotor side inverter (RSI) is controlled so the maximum energy is extracted from the kinetic energy of the wind whilst enabling the stator power factor to be controlled within the limits of the grid requirements though unity power factor is often desirable.
An alternative connection method for a doubly-fed machine is shown in figure 4, here called the induction generator (IG) connection. The stator is disconnected from the grid and is short-circuited. The rotor circuit is unchanged from figure 3. The GSI is controlled as in DF mode. The objective of the RSI is to control the stator flux linkage while extracting the maximum power from the kinetic wind energy.
3. CONTROLLER PERFORMANCE
A closed loop controller for both DF mode and IG mode has been discussed in prior work [12] but only for a 7.5 kW laboratory test rig. The dynamics of a 2 MW system are somewhat different and are investigated in this paper. The performance of the dynamic controller for both DF and IG mode are shown in this section for a 2 MW wind turbine.
3.1. DFIG Mode (T and Q Control)
The reference values for the controller in DF mode are torque (see figure 1) and stator reactive power to enable the grid code requirement [11] to be achieved, figure 2. Two speeds are investigated in this section to enable the performance of the controller to be shown both above and below the 20% of rated power limit from the grid code requirements. A nominal generated power of 320 kW is achieved at 1150 rpm (less than 20% of rated power) and
a nominal power of 1.25 MW is achieved at 1550 rpm (greater than 20% of the rated power). The reference and actual torque, Te, and stator reactive power, Qs, are shown for both speeds
in figure 5.
The value of reference torque, Te*, for both speeds is the specific nominal torque for a given speed calculated from figure 1; ?2672 Nm for 1150 rpm and ?7701 Nm for 1550 rpm. A step of 200 Nm is applied at both speeds to illustrate the dynamic response to a step change in torque. The value of reference stator reactive power, Qs*, at 1150 rpm is varied between the limits specified by the grid code requirements; initially ?5% of the generated power with a step at t=3.5s to +5% of the generated power. At 1550 rpm the stator power factor, pfs*, is initially 0.95 leading with a step change at t=3s to unity pfs and a final step at t=4s to a 0.95 lagging pfs. The vector control loops are tuned for a time constant of 0.1s and 0.9s for the Te and the Qs loops respectively. The vector control is designed to have a slower bandwidth than the current regulation.
The actual rotor current direct, irds, and quadrature, irqs, components corresponding to figure 5 are shown in figure6. The effect of the step change in Te* is apparent on the irqs (the superscript …s? indicates that the variable is referred to the stator) as expected. The irqs* component at 1550 rpm contains small transient responses at t=3s and t=4s that are due to the step changes in the Qs value. The step change in Qs*, shown in figure 5, causes a fast change in irds*, figure 6, as there is initially an error between the reference and actual Qs as the control takes a short while to respond. The current regulation is tuned to ensure that the bandwidth prevents the controller responding to such transients while still achieving a suitable speed of response.The equation based tuning used to design the controller gives similar values of proportional and integral gains for the current regulation direct and quadrature loops to those used by Holdsworth et al [10].
3.2. IG Mode (T and Flux Control)
The reference values for the controller in IG mode are stator flux linkage and torque. Two conditions are investigated for the 2 MW generator in IG mode, start-up and torque step responses, at 400 rpm (minimum IG mode speed [12]) and 1420 rpm (generated power at this speed corresponds to the upper power rating of rotor converter, 600 kW). The reference and actual torque, Te, and stator flux linkage, λsr (the superscript …r? indicates that the variable is referred to the rotor), for both speeds are shown in figure 7.
The steady-state Te is the nominal value for the speed of operation, ?320 Nm for 400 rpm and ?4081 Nm for 1420 rpm derived from figure 1. A start-up sequence is required to establish the rated λsr in the machine, for a given speed, by means of a ramp, figure 7, before the machine can generate power.
Once the controller reference λsr has been established in the machine, the Te* is increased by means of a controlled ramp to the nominal value for a given speed and then a step response of 50 Nm step at 400 rpm and 200 Nm at 1420 rpm is applied. The controller regulates the machine to track Te* as expected, see figure 7.
The vector control loops determine the reference rotor current values that are shown in figure 8. The ird component initially increases rapidly to establish the λsr and is approximately 3 times the nominal steady-state value for a given load point. The current is within the rated limit at all times. The initial ird can be significantly reduced if a slower response of λsr is implemented.
The irq component is regulated by the torque loop to enable the desired power to be generated. Initially there is a slight error due to the high ird which affects the quadrature loop by the cross coupling terms. Once nominal λsr is established in the machine the direct and quadrature loops are decoupled. Again a Te step causes a transient spike in irq* though the control is tuned to be slower than this change in reference value.
4. CONTRIBUTION OF ROTOR VOLTAGE COMPONENTS
The performance of both DF and IG mode has been illustrated in the previous section. Both controllers are based on an inner current loop and an outer control loop for torque and stator reactive power in the DF case and torque and stator flux linkage in the IG case. Decoupling equations were then added to the PI controller outputs to reduce the effect of cross coupling between the loops. The final part of this work studies the contribution of the steady state components of rotor voltage, given in full in eqns (1 and 2), for a 2 MW machine to assess the importance of decoupling equations at various speeds. The rotor voltage, vrs, rotor current,irs, and the
non-differential components of vrs given by eqns (1 and 2) are investigated for the full DF speed range (1000 to 1950 rpm) with the nominal torque determined from figure 1, and a stator power factor, pfs, range of 0.9 lagging to 0.9 leading. Only the pfs is considered as the GSI is assumed to maintain unity pf at the rotor converter connection to the grid independent
of the RSI.
Figure 9 shows the variation of vrdqs for the speed and stator reactive power range investigated. The vrds component is dominated in the steady-state by the
?ωsfσirqs term as the voltage drop across Rrs is negligible and the λsq component is zero due to the choice of reference frame. This can be confirmed by comparing figure 9 with figures 11. The vrqs in a 2 MW machine is dominated by the ωsf(Lm/Ls)λsd term as the low total leakage inductance, σ, reduces the effect of the irds cross coupling term and the λs orientation frame sets the λsq component to zero. The variation in vrqs at constant speed (and therefore torque) is due to the cross coupling from the irds which is regulating the stator reactive power, Qs, and therefore pfs.The vrs magnitude is dominated by the vrqs component and is symmetrical 1500rpm; thesynchronous speed for a 4-pole machine. This is confirmed by Park et al [13].
The steady-state variation in the direct, irds, and quadrature, irqs, rotor current components with respect to speed and Qs is shown in figure 10. The irds component regulates the stator power factor, pfs, by controlling Qs and the ird
s component regulates Te. The value of irds determines the proportion of the generator reactive power supplied by the stator and rotor circuits. An increasingly positive irds increases the proportion of Q from the rotor circuit while decreasing the Q from the stator until Q is exported by the stator. An increasingly negative irds increases the Q from the stator circuit, reducing the Q from the rotor side until Q is exported by the rotor. Qs increases with Te to maintain the desired pfs and so the irds component will be higher for constant pfs at higher speeds. The irqs component is approximately constant at constant speed due to the constant torque and is positive for generated power due to the orientation frame and the direct and quadrature axis alignment.The irs magnitude is within the rated value for all conditions considered in figure 10.
The remainder of this section illustrates the rotor voltage, vrdqs, steady-state
components from eqns (1 and 2). The Rrsirds term in vrds and the Rrsirqs term in vrqs are simply irdqs, figure 10,scaled by Rrs and so are not shown.
The jσωsfirdqs cross coupling terms of vrdqs are shown in figure 11. The
jσωsfirqs term contributes to vrds and σωsfirds forms part of vrqs. The σωsfirds component varies with both speed and stator reactive power as stator reactive power is proportional to torque for a given stator power factor. The σωsfirds component increases with speed as the load torque increases,figure 1. The ?σωsfirqs component is the dominant term in the vrds component, eqn (1), at non-synchronous speeds; the polarity is a result of ωsf and the magnitude is defined by the torque. The magnitude is irdqs scaled by slip frequency, ωsf, and the total leakage inductance, σ.Figure 12 shows the j(Lm/Ls)ωsfλsdq component of vrdqs. The ?(Lm/Ls)ωsfλsq term contributes to vrds; the term is approximately zero due to the orientation frame. The (Lm/Ls)ωsfλsd term dominates the vrqs component. The shape of the (Lm/Ls)ωsfλsd component is clearly influenced by ωsf.
5. DISCUSSION
This analysis enables the vrds and vrqs components to be characterised by the dominant terms. The λs orientation frame results in the λsq feed forward term in vrds being negligible and so the steady state vrds component is a result of
Rrsirds?σωsfirqs. Three distinct regions can then be identified, sub-synchronous speed (low irqs due to low load so vrds is approximately Rrsirds), about synchronous speed (ωsf is around 0 so vrds is approximately Rrsirds) and supersynchronous speed (irds and irqs are comparable due to higher load torque and high stator power factor so vrds is approximately Rrsirds?σωsfirqs). The transient response of vrds for a step in irds* is dominated by the pσirds. The p(Lm/Ls)λsd term has a negligible effect as the λsd term is constant assuming a stiff grid. An irds* step affects both the steady state value of vrqs and the steady state terms in vrds.
The steady state vrqs component is dominated by the λsd term, confirmed by
题目：简述双馈异步发电机的基本工作原理及其功率流向 一、双馈异步发电机及其工作原理 1、双馈异步发电机 双馈异步风力发电机是一种绕线式感应发电机，是变频风力发电机组的核心部分，也是风力发电机组国产化的关键部件之一。该发电机主要有电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体有定子、转子和轴承系统组成，冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。 双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，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。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。 2、双馈异步发电机的工作原理 根据电机学理论，在转子三相对称绕组中通入三相对称的交流电，将在电机气隙间产生磁场，此旋转此磁场的转速与所通入的交流电的频率及电机的极对数p 有关。 p f n 2260= （1-1） 式（1-1）中，2n 为转子中通入频率为 2f 的三相对称交流励磁电流后所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度（r/min ）。 从式（1-1）中可知，改变频率2f ,即可改变2n 。因此若设1n 为对应于电网频率50Hz （Hz f 502=）时发电机的同步转速，而n 为发电机转子本身的旋转速 度，只要转子旋转磁场的转速与转子本身的机械速度n 相加等于定子磁场的同步旋转速度1n ,即 12n n n =+ （1-2） 则定子绕组感应出的电动势的频率将始终维持为电网频率1f 不变。式（1-2）中，当2n 与n 旋转方向相同时，2n 取正值，当2n 与n 旋转方向相反时，2n 取负值。
变速恒频双馈风力发电机的原理和优点研究 变速恒频发电技术 变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。这一调速系统和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。尽管变速系统与恒速系统相比，风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。 目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。主要有以下几类：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统、同步发电机变速恒频风力发电系统、双馈发电机变速恒频风力发电系统。其中，由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。
双馈式风力发电机 【摘要】随着地球能源的日益紧缺，环境污染的日益加重，风能作为可再生绿色能源越来越被人们重视，风力发电技术成为世界各国研究的重点。变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位，从而实现转速的调节。而其中双馈发电机构成的风力发电系统已经成为目前国际上风力发电的必然趋势。 关键词：风能风力发电变速恒频双馈式发电机 一、风力发电 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。 风力发电：把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13~25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）
双馈异步发电机 双馈异步发电机是一种绕线式感应发电机，按转子类型分为有刷和无刷两种，无刷发电机即为鼠笼型发电机，由于鼠笼型风力发电机励磁控制困难，无法最大限度的利用风能，所以目前很少应用；有刷发电机即为双馈异步发电机，具备易于控制转矩和速度、能工作在恒频变速状态、电机可以超同步和超容量运行、驱动变流器的总额定功率可以降低到电机容量的1/4等方面的优点，是本文介绍的重点。 双馈异步发电机变速恒频风力发电机的核心部件。此类发电机主要由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统组成，冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。 双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，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。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了"柔性连接"，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。 异步电动机运行时，电磁转矩和转向相同，即转差率>0；异步发电机运行时，电磁转矩和转速方向相反，转差率<0，发电机的功率随该负转差率绝对值的增大而提高。当双馈发电
机的转子绕组通过三相低频电流时，在转子中会形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度与转子的机械转速相叠加，使其等于定子的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速随之而变化，相应地改变转子电流的频率和旋转磁场的速度，就会使定子输出频率保持恒定。 双馈发电机通过控制转子励磁，使定子的输出频率保持在工频。当发电机的转速低于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于亚同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要变频器向发电机转子提供正相序励磁，给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相同的励磁电流，此时转子的制动转矩与转子的机械转向相反，转子的电流必须与转子的感应电动势反方向，转差率减小，定子向电网馈送电功率，而变频器向转子绕组输入功率。当发电机的转速高于气 五一长假除了旅游还能做什么？辅导补习美容养颜家庭家务加班须知
1.引言： 风力发电机组主要包括变频器，控制器，齿轮箱（视机型而定），发电机，主轴承，叶片等等部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。发电机主要包 括2种机型：永磁同步发电机和异步发电机。永磁同步发电机低速运行时，不需要庞大的齿轮箱，但是机组体积和重量都很大，1.5MW 的永磁直驱发电机机舱会达到5米，整个重量达80吨。同时，永磁直驱发电机的单价较贵，技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。异步发电机是由风机拖动齿轮箱，再带动异步发电机运行，因为叶片速度很低，齿轮箱可以变速100倍，以让风机在1500RPMF运行，目前流行的是双馈异步发电机，主要有1.25MV Y 1.5MV y 2MW三种机型，异步发电机的机组单价低，1KW大概需6000元左右，而且技术成熟，国产化高。 2.双馈异步发电机的原理： 所谓双馈，可以理解为定子、转子同时可以发出电能, 发电机原理理论上说只要有动力带动电动机，在电动机的定子侧就能直接发出电能。现代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。双馈发电机正是由叶片通过齿轮箱
变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PW M控制以达到定子侧输出相对完美正弦波，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。通俗的讲，就是要变频器控制转子电流，反馈到定子上面，保证定子发出相对完美的正弦无谐波电能，同时在额定转速下，转子也能发出功率出来。有个大致感觉是 1.5MW 发电机的定子发电量大概1200KV，转子大约300KV，转子侧发出的功率要在30%以下，总之越少越好这样可以让变频器功率小点。 3.双馈异步发电机的设计难点： 结构设计难点：因机舱封闭体积，风机运行环境非常恶劣，需要气温-30?55度之间正常运行，希望电机尺寸尽量小，风机对发电机重量有严格要求，部分厂家对转子转动惯量也有要求。发电机需要高速运行，但振速要小，通常要小于 2.8mm/s。此外对于水冷的电机入水温度较高，需要考虑维修和维护问题！比如轴承自动加油等！还有就是，整个发电机是倾斜运行的，大概4?5度的倾斜角度，这个在结构设计时候需要考虑??大家看到发电机的轴承就知道了。 电气设计难点：风机需要效率97%以上，由于转子绕组接变频 器，接变频器就会引发谐波电流，会引起铜耗，铁耗等！此外 定子转子承受很大冲击电压，提高绕组温升问题是优先考虑， 转子电流非常大，上千安培，滑环设计也是难点！电机会有轴 电流，需要考虑绝缘问题！同时高空运行需要防雷处理！转子 绕组线规非常大，成型困难！尽量控制转子输出功率尽量小于 30%，以缩小变频器的功率。
第七章双馈风力发电机工作原理 我们通常所讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其具有独立的励磁绕组，可以象同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机，也有称为异步化同步电机。 同步电机由于是直流励磁，其可调量只有一个电流的幅值，所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量有三个：一是可调节的励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量。 通过改变励磁频率，可改变发电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷突变时，可通过快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小。 改变转子励磁的相位时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位臵上有一个位移，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位移，也就改变了电机的功率角。这说明电机的功率角也可以进行调节。所以交流励磁不仅可调节无功功率，还可以调节有功功率。 交流励磁电机之所以有这么多优点，是因为它采用的是可变的交流励磁电流。但是，实现可变交流励磁电流的控制是比较困难的，本章的主要内容讲述一种基于定子磁链定向的矢量控制策略，该控制策略可以实现机组的变速恒频发电而且可以实现有功无功的独立解耦控制，当前的主流双馈风力发电机组均是采用此种控制策略。 一、双馈电机的基本工作原理 设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为p，根据旋转磁场理论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的 n称为同步转速，它与电网频率气隙中形成一个旋转的磁场，这个旋转磁场的转速 1
双馈发电机工作原理 双馈风力发电机是时下应用比较广泛的风机，它的特殊之处在于其定子绕组和转子绕组都直接或间接地与电网相连，定子侧绕组产生的工频交流电直接馈入电网，转子侧的功率通过整流逆变装置上网。与一般的异步发电机相比，双馈风机允许发电机转速在一定范围内波动，因为转子侧（相当于励磁绕组）中电流的大小和频率可以通过整流逆变装置进行调节，从而在转速发生变化的情况下，维持定子侧输出功率频率的恒定。 暂态建模资料 摘要 随着风力发电并网容量的快速增加，风电接入对电网运行性能的影响越加 明显。联网运行双馈感应风电机组的运行特性对电网的安全稳定运行有着重要 的影响。 本文对联网运行双馈感应风电机组的仿真建模、运行控制及模型的有效性 进行了研究分析，主要包括以下内容： 分析了两相同步旋转坐标系下双馈感应风电机组数学模型的特点，建立了 双馈感应风电机组联网运行电磁暂态模型，对不同运行条件下双馈感应风电机 组的运行特性进行了仿真模拟，深入了解了双馈感应风电机组的联网运行特性。 建立了联网运行双馈感应风电机组运行控制策略，在此基础上，构建了控 制系统传递函数模型，分析了PI控制器参数选择对控制系统性能的影响，提出 了PI控制器参数设置的方法。 提出了电网发生对称性故障时双馈感应风电机组的短路电流计算简化模 型，为评估双馈感应风电机组短路对电网继电保护装置的影响提供了有效的计 算模型。 设计了风电机组联网短路试验方案，分析了短路试验数据识别出风电机组 厂家未提供的风电机组撬杠保护动作值，并仿真重现了风电机组联网短路试验， 仿真数据与试验数据相吻合，验证了所构建系统模型和仿真系统的有效性。 研究现状 由于风能是一种随即性很强的一种能源，不能像火力发电、水力发电那样 可以预先调度，因此大规模的风力发电的接入对电网的经济、安全、稳定运行 带来了诸多不利的影响，对系统调频、调压、调峰带来了困难。同时由于风电 机组大多包含有对运行条件要求很高的电力电子变流器，在一些运行方式下电 网的扰动对风电机组的正常运行也会带来一定的影响，严重时可能会引起风电 机组跳闸，造成电网功率大幅波动，威胁着电网的运行安全，而从系统持续运 行的角度考虑，通常希望风电机组具有一定的故障穿越能力，能够在一定的故 障情况下持续联网运行，因此对联网运行风电机组的运行特性，需要进行深入 的研究。 目前联网运行的风电机组可分为恒速恒频风电机组(CSCF)及变速恒频风 电机组(VSCF)两种，恒速恒频风电机组是指在发电过程中保持转速不变的风 电机组，所采用的发电机主要是同步发电机及鼠笼式感应发电机，前者运行于同步转速，
主讲人：aser 关键词：双馈异步风力发电机 协助讨论： Edwin_Sun lidb856 pat baizengchen g zslzsl xfq7111 wayne 会议摘要： 1. 引言： 风力发电机组主要包括变频器，控制器，齿轮箱（视机型而定），发电机，主轴承，叶片等等部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。发电机主要包括2种机型：永磁同步发电机和异步发电机。永磁同步发电机低速运行时，不需要庞大的齿轮箱，但是机组体积和重量都很大，1.5MW的永磁直驱发电机机舱
会达到5米，整个重量达80吨。同时，永磁直驱发电机的单价较贵，技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。异步发电机是由风机拖动齿轮箱，再带动异步发电机运行，因为叶片速度很低，齿轮箱可以变速100倍，以让风机在1500RPM下运行，目前流行的是双馈异步发电机，主要有1.25MW，1.5MW，2MW三种机型，异步发电机的机组单价低，1KW大概需6000元左右，而且技 术成熟，国产化高。 2.双馈异步发电机的原理： 所谓双馈，可以理解为定子、转子同时可以发出电能，发电机原理理论上说只要有动力带动电动机，在电动机的定子侧就能直接发出电能。现代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。双馈发电机正是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相对完美正弦波，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。通俗的讲，就是要变频器控制转子电流，反馈到定子上面，保证定子发出相对完美的正弦无谐波电能，同时在额定转速下，转子也 能发出功率出来。有个大致感觉是 1.5MW发电机的定子发电量大概1200KW，转子大约300KW，转子侧发出的功率要在30%以下，总之越少越好这样可以让变频器功率小点。 3. 双馈异步发电机的设计难点： 结构设计难点：因机舱封闭体积，
双馈式感应发电机（DFIG）简介 大明 双馈电机（或称为交流励磁电机），它早在四十年代就已经出现。随着电力电子技术和数字控制技术的发展，双馈电机在电气性能方面所具有的一系列优点和巨大的潜力，已经引起国外的高度重视。双馈式感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG) 使用绕线式转子，由于电力可经由转子侧之电力转换器双向流动，因此发电机馈入电力系统的界面同时包括定子侧（Line side）及转子侧（Rotor side），其电力转换器功率仅为发电机额定功率之20~30%，故成本较低，而且发电机可变速围可达同步转速之±30%，因此性能/价格比值最高，为目前大型风力发电机中最普遍采用之组态。全球前10大风力发电机制造商的产品中有六成以上的变速风力发电机采用双馈式感应发电机，本文将介绍双馈式感应发电机的基本原理与特性。 一、双馈式感应发电机（DFIG）基本原理 双馈式感应发电机（DFIG）是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机，其转子具有三相励磁绕组结构。当通以某一频率（转差频率）的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场所对应的转速等于同步转速，则在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，在定子侧感应出同步频率的感应电势。从定子侧看，这与同步发电机直流励磁的转子以同步转速旋转时，在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是等效的。 双馈式感应发电机与一般感应发电机不同之处在于联接其转子侧之PWM脉宽调变电力转换器具有四象限之运转能力，电力转换器提供低频（转差频率）的交流电流(或电压)进行励磁，调节励磁电流(或电压)的幅值、频率、相位，来实现定子恒频恒压输出，其定子输出特性与同步发电机十分类似，所以有一些文献指出，双馈式感应发电机可以视为同步发电机与感应发电机之综合体。 从能量流动的特性来看，与采用直流励磁的同步发电机相比，同步发电机励磁的可调量只有直流励磁电流的幅值一个，所以同步发电机励磁一般只能对无效功率进行调节，而双馈式感应发电机，其励磁的可调量除了励磁电流的幅值外，还有励磁电流的频率和相位。通过改变励磁电流的频率可以改变发电机的转速，达到调速的目的；通过改变励磁电流的相位，来改变发电机的空载电势与电力系统电压向量之间的相对位置，从而改变发电机的功率角，可以调节发电机的有效功率。 一般感应电机(异步电机) : (1)在转子转速低于同步转速时，处于电动工作状态， (2)当转子转速高于同步转速时，处于发电工作状态，而对于双馈式电机来说，除了上述两种工作状态之外，还具有另外两种工作状态 : (3)欠同步发电工作状态， (4)过同步电动工作状态。双馈式感应发电机之欠同步与过同步转速发电时之功率流向分别如图一(a)及图一(b)所示。其中，s为转差率，Ps为DFIG定子输出功率，Pg为DFIG输出至电力系统之功率。
双馈式风力发电机结构原理及功率分析 摘要：文章详细介绍了双馈式风力发电机组的机构组成、工作原理，分析了风力发电系统中双馈式风力发电机的工作特性，详尽分析了含双馈式风力发电机的系统中功率的流向以及流动过程。 关键字：双馈式风力发电机、原理、功率 the structure and principle and power analysis of doubly —fed induction generator bai wenjun （china three gorges university ， college of electrical engineering & renewable energy ， yichang 443002 ， china）absrtact： this paper describe the structure and principle of the doubly—fed induction generator in detail ， and then analysis the operating characteristics of the doubly—fed induction generator in the wind power generation system， at the last ， analysis the flow and liquidity of the power system which contain the doubly—fed induction generator. keywords： doubly—fed induction generator， structure，power 0 引言 随着人们对可再生能源的重视和科学技术的进步，风电正受到越来越多的关注，其在整个电力系统中所占的比重也日益增加。众所周知，风电的产生正是通过风力推动桨叶转动，同时带动发电机的
双馈发电机原理讲解 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
一．双馈发电机原理讲解 二．风力发电机的主要类型 1．异步发电机 笼鼠式异步发电机 特点：应用于早期的风力发电机，离网型的小型发电机，结构简单，性能稳定，成本低。 缺点：并网运行时，转速必须超过同步转速，在风速较小的时候效率很差。一般做成大小两个发电机，或者改变定子绕组以改变同步转速，按照风速段转换。 绕线转子异步发电机 特点：转子绕组外接电阻，在风速变化的时候，改变外接电阻的大小以控制输出的功率。风速大的时候多余的能量可以消耗在转子电阻上。 双馈异步发电机 特点：使用双馈变频器对转子进行交流励磁，随着转子物理转速的变化，改变交流励磁的交流电的频率，幅值，相序以及相位，以使定子输出的电压幅值和电流频率保持恒定，同时可以向电网输出感性或容性的无功。 2．同步发电机 永磁同步发电机 特点：转子由永磁材料制成，结构简单，不易损坏和维护方便，容量可以做到很大。转子可以做成很多级，这样可以使其同步转速降低，配合全功率变流器，在低风速的时候也可以发电。一般用于海上风机。 直流励磁同步发电机 特点：现在的水力和火力发电机组使用的形式，转子由直流励磁，改变励磁电流的大小，可以调节输出的功率大小和因数。
三． 双馈异步发电机原理 1．旋转磁场 旋转磁场就是一种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。从理论分析和实践证明，在对称三相绕组中流过对称三相交流电时会产生这种旋转磁场。 三相对称绕组就是三个外形、尺寸、匝数都完全相同、首端彼此互隔120o 、对称地放置到定子槽内的三个独立的绕组 由电网提供的三相电压是对称三相电压，由于对称三相绕组组成的三相负载是 对称三相负载，每相负载的复阻抗都相等，所以，流过三相绕组的电流也必定是对称三相电流。 2．旋转磁场的转速和转向 以异步电动机为例，说明旋转磁场的转速和方向同励磁电流的关系。 ① ωt=0 o 时，合成磁场方向：向下 ② ωt=60o 时，合成磁场方向顺时针转过60o 。 ③ωt=120o 时，合成磁场方向顺时针又转过60o ，共120 o 。 ④ωt= 180o 时，合成磁场方向顺时针又转过60o ，共180 o 。 当三相对称电流通入三相对称绕组，必然会产生一个大小不变，且在空间以一定的转速不断旋转的旋转磁场。一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°。则一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°。 则160f n s =/P （转/分） 旋转磁场的旋转方向由通入三相绕组中的电流的相序决定的。即当通入三相对称绕组的对称三相电流的相序发生改变时，即将三相电源中任意两相绕组接线互换，旋转磁场就会改变方向。 3．变速恒频发电原理 () () ?-=?-==240sin 120sin sin t I i t I i t I i m C m B m A ωω ω
2MW风力双馈异步电动机的研究设计 摘要 对一个2 MW商业风力发电机的设计,验证了以两种连接方式为标准的双馈异步电机，它能使其低速范围向下延伸到80%，在电子变换器额定功率没有增加的情况下下滑。这远远超出了正常的30%的下限。较低的速度连接被称作异步发电机模式而机器的操作是在短路定子绕组转动和所有的功率流在转子回路中的情况下进行的。有两个回路逆变器控制系统方案已经被设计完毕并且在各自的模式中已调整性能。本文的目的是演示仿真结果,说明该控制器的动态性能均为 2 MW异步风力发电涡轮机的连接方法。当设计这样的先进的控制策略时，一个简单的对转子和对双馈连接模式电压的分析在演示时应作为一个优势部分被考虑进去。 关键词:双馈电机、异步发电机、风力发电设备 列出的重要标志 vrdq 直交和正交转子电压 irdq 直交和正交转子电流 λsdq 直交和正交定子磁链 Ps 定子有功功率 Qs 定子无功功率 pfs 定子功率因数 Te 转矩 p 微分算子 Lm 电抗引入 Rr 转子电阻 Lr 转子电抗引入 σ总漏电感 ωsf 频率 ‘s’定子简称 ‘r’转子简称 ‘*’参考值 1、介绍
对风力涡轮机的兴趣还在持续,尤其是那些拥有一个额定功率为许多兆瓦的。这个之所以流行主要是既环保,也有可用的化石燃料。所谓的立法鼓励减少碳足迹的地方,所以目前正在感兴趣的可再生能源。风力涡轮机仍然被看作是一种建立完善的技术,已形成从定速风力涡轮机,现在流行的调速技术基于双馈异步发电机(DFIGs)。一个双馈异步风力涡轮发电机的速度的变化与被控制的转子变频器的速度变化一致，使转子电压相位和大小得以调整以保持最佳扭矩和必要的定子功率因数。双馈异步发电机是目前技术发达,常用的风力涡轮机。一个双馈异步发电机的定子直接连接到有一个电力电子的转子变换器的高压电网上,该变换器在转子的转动和高压电网之间得到应用。这个变量速度范围与转子转换器的速率是成正比的因此其调速范围被限制在±30%。转子转换器只需要双馈异步发电机发出能量总量的30%的就能全面控制全部的发电机输出功率。这能导致显著的节省转子转换器的成本。滑动环连接,但必须保持转子绕组,性能安全可靠。电源发电机为2 MW风力汽轮机其速度特性如图1所示。 对于一个商业发电机来说其速度随风速变化,然而这种关系是设定的某一特定地点。当风速下降从风中提取的能量比损失在发电机和变频器中的少时，发电机的输出功率减少直至关闭，因此机器速度也会下降。一种操作模式已经由一个风力涡轮机制造者提出,他宣称延伸速度范围以便在较低的风速中提取的能量是比损
一．双馈发电机原理讲解 二．风力发电机的主要类型 1．异步发电机 笼鼠式异步发电机 特点：应用于早期的风力发电机，离网型的小型发电机，结构简单，性能稳定，成本低。 缺点：并网运行时，转速必须超过同步转速，在风速较小的时候效率很差。一般做成大小两个发电机，或者改变定子绕组以改变同步转速，按照风速段转换。 绕线转子异步发电机 特点：转子绕组外接电阻，在风速变化的时候，改变外接电阻的大小以控制输出的功率。风速大的时候多余的能量可以消耗在转子电阻上。 双馈异步发电机 特点：使用双馈变频器对转子进行交流励磁，随着转子物理转速的变化，改变交流励磁的交流电的频率，幅值，相序以及相位，以使定子输出的电压幅值和电流频率保持恒定，同时可以向电网输出感性或容性的无功。 2．同步发电机 永磁同步发电机
特点：转子由永磁材料制成，结构简单，不易损坏和维护方便，容量可以做到很大。转子可以做成很多级，这样可以使其同步转速降低，配合全功率变流器，在低风速的时候也可以发电。一般用于海上风机。 直流励磁同步发电机 特点：现在的水力和火力发电机组使用的形式，转子由直流励磁，改变励磁电流的大小，可以调节输出的功率大小和因数。 三． 双馈异步发电机原理 1． 旋转磁场 旋转磁场就是一种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。从理论分析和实践证明，在对称三相绕组中流过对称三相交流电时会产生这种旋转磁场。 三相对称绕组就是三个外形、尺寸、匝数都完全相同、首端彼此互隔120o 、对称地放置到定子槽内的三个独立的绕组 由电网提供的三相电压是对称三相电压，由于对称三相绕组组成的三相负载是对 称三相负载，每相负载的复阻抗都相等，所以，流过三相绕组的电流也必定是对称三相电流。 2． 旋转磁场的转速和转向 () () ?-=?-==240sin 120sin sin t I i t I i t I i m C m B m A ωωω
双馈式\直驱式风力发电机的对比 【摘要】双馈式风力发电机与直驱式风力发电机是两种各有优势的机型，二者属于相互竞争的关系，同时它们也是相互促进的，这就是常说的有竞争就有进步，最终形成优势互补。本文对这两种机型分别进行了描述、比较，为这两种大型风力发电机的应用奠定一定的理论基础。 【关键词】齿轮箱；永磁电机；变速箱 前言 本文通过对直驱式和双馈式两种不同的风力发电机进行描述，并从二者的主要结构特性对其各自不同的优缺点进行分析阐述，以增进人们的了解，使其得到更好的应用充分发挥其自身机能和作用。 1、双馈式异步发电机 双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异，这种发电机始于上世纪80年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。目前美国GE能源、EMD；德国VEM Sachsenwerk GmbH，LDW；瑞士ABB等公司的很多风力发电机产品，采用变速双馈风力发电的技术方案。目前，市场占有率最高的双馈变速恒频风力发电机组，其风轮桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能，效率较高。在低于额定风速时，它通过改变转速和桨距角使机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率，而在高风速时通过改变桨距角使机组功率输出稳定在额定功率。这种形式的性价比和效率均较高，逆变器功率较小。调速范围达到30%额定转速，变流的容量只有系统容量的30%左右，变速恒频驱动和MPPT控制，有功、无功功率可独立进行控制。双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电机相似，定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，定子接入电网，电网通过四象限AC-DC-AC 变频器向发电机的转子供电，提供交流励磁。但存在滑环和变速箱的问题，对电网的冲击较大。 由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求，发电机转速是在不断的变化，而且经常在同步转速上、下波动，为了实现风力机组的最大能量的追踪和捕获，满足电网对输入电力的要求，风力发电机必须变速恒频运行。在变速恒频风力发电机中，跨越同步速是变速恒频双馈风力发电机励磁控制关键技术之一。这要求转子交流励磁电源不仅要有良好的变频输入、输出特性，而且要有能量双向流动的能力。现有的技术是采用IGBT器件(绝缘栅双极晶体管)构成的PWM(脉宽调制)整流—PWM逆变型式的AC-DC-AC变频器作为其励磁电源，向发电机的转子绕组提供励磁电流，对定子实现定向矢量控制。控制电流由滑环导入，实现亚同步、同步和超同步运行方式之间的转换，采用这种技术的双馈式异步发电机其
能源环境 双馈式、直驱式风力发电机的对比 哈电发电设备国家工程研究中心有限公司（黑龙江哈尔滨） 范磊 【摘 要】双馈式风力发电机与直驱式风力发电机是两种各有优势的机型，二者属于相互竞争的关系，同时它们也是相互促进的，这就是常说的有竞争就有进步，最终形成优势互补。本文对这两种机型分别进行了描述、比较，为这两种大型风力发电机的应用奠定一定的理论基础。 【关键词】齿轮箱；永磁电机；变速箱 前言 本文通过对直驱式和双馈式两种不同的风力发电机进行描述，并从二者的主要结构特性对其各自不同的优缺点进行分析阐述，以增进人们的了解，使其得到更好的应用充分发挥其自身机能和作用。 1、双馈式异步发电机 双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异，这种发电机始于上世纪80年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。目前美国GE能源、EMD；德国VEM Sachsenwerk GmbH，LDW；瑞士ABB等公司的很多风力发电机产品，采用变速双馈风力发电的技术方案。目前，市场占有率最高的双馈变速恒频风力发电机组，其风轮桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能，效率较高。在低于额定风速时，它通过改变转速和桨距角使机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率，而在高风速时通过改变桨距角使机组功率输出稳定在额定功率。这种形式的性价比和效率均较高，逆变器功率较小。调速范围达到30%额定转速，变流的容量只有系统容量的30%左右，变速恒频驱动和MPPT控制，有功、无功功率可独立进行控制。双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电机相似，定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，定子接入电网，电网通过四象限AC-DC-AC变频器向发电机的转子供电，提供交流励磁。但存在滑环和变速箱的问题，对电网的冲击较大。 由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求，发电机转速是在不断的变化，而且经常在同步转速上、下波动，为了实现风力机组的最大能量的追踪和捕获，满足电网对输入电力的要求，风力发电机必须变速恒频运行。在变速恒频风力发电机中，跨越同步速是变速恒频双馈风力发电机励磁控制关键技术之一。这要求转子交流励磁电源不仅要有良好的变频输入、输出特性，而且要有能量双向流动的能力。现有的技术是采用IGBT器件(绝缘栅双极晶体管)构成的PWM(脉宽调制)整流—PWM逆变型式的AC-DC-AC变频器作为其励磁电源，向发电机的转子绕组提供励磁电流，对定子实现定向矢量控制。控制电流由滑环导入，实现亚同步、同步和超同步运行方式之间的转换，采用这种技术的双馈式异步发电机其转速控制范围可达到同步转速的60%。为了获得较好的输出电压电流波形，输出频率一般不超过输入频率的1/3。其容量一般不超过发电机额定功率的30%，通常只需配置一台1/4功率的变频器。 有刷双馈发电机存在滑环和变速箱的问题，运行可靠性差，需要经常维护，其维护保养费用远高于无齿轮箱变速永磁同步风力发电机，并且这种结构不适合运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。 齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其它机件阻尼等。齿轮的效率在不同工况下是不一致的。风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率应大于97%，是指在标准条件下应达到的指标。 2、直驱式永磁同步发电机 所谓“同步”发电机，就是指发电机转子磁场的转速(原动机产生)与定子磁场的转速(电力系统频率决定)相等。这种无齿轮箱变浆距变速的风力发电机组，其风轮轴直接与发电机联接。永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，取消了容易出故障的转子上的集电环和电刷装置，成为无刷电机，不存在励磁绕组的铜损耗，比同容量的电励磁式的发电机效率高，结构简单，运行可靠。 这种风力发电机要求全功率变流器，在与电网合闸前，为避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩，需要满足一定的并联条件，端电压、频率与电网必须相同。要求发电机具有高质量地将风能转化为频率、电压恒定的交流电，高效率地实现机电能量转换。 永磁直驱式风力发电机其特点是电机转速低，极数多，结构简单，无变速箱，可靠、长寿命，低噪声，大功率，无滑环，安装和维护费用低。但不足之处是体积大，有失磁之忧，且转子的制造难度比较大。同时这种风力发电机制造成本较高，是双馈变速恒频机的1.3倍。 德国埃纳康（Enercon GmbH）公司在1993年研制成功了直驱式风力发电机，1997年将产品推向了市场，这些高产能、运行维护成本低的先进机型有E-33、E-48、E-70等型号，已开发了容量为330kw、800kw、900kw、2000kw和2300kw的多种机型。2000年，瑞典ABB 公司成功研制了3兆瓦的巨型可变速风力发电机组，其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Windformer，该机高约70米、风扇直径约90米。2003年，日本三菱重工完成MWT-S2000型风力发电机的研制工作，这种直驱式风力发电机组采用的是永磁同步电机。2004年德国西门子公司通过收购世界著名的丹麦Bonus Energy(柏纳斯)公司也开发了直驱式风力发电机。 目前，还有荷兰Wi ndbrokers公司，荷兰Emerg ya Wi nd Technologies NV(EWT)、德国Innovative 公司，德国Vensys公司、德国Avavtis公司、瑞典的ABB等公司，韩国Unison公司和国内的新疆金风科技股份有限公司、湖南湘电风能有限公司、东风汽轮机厂、上海万德风力发电股份有限公司、广西银河艾万迪斯风力发电有限公司、常州新誉风力发电设备有限公司、哈尔滨电站设备集团公司、中国运载火箭技术研究院、江西麦德风能股份有限公司等都在研制直驱式风力发电机。 新疆金凤科技股份公司已在2006年与德国Vensys公司合作研制出1.5兆瓦直驱式风力发电机。2007年湘潭电机集团与日本原弘产株式会社合资组建的湖南湘电风能有限公司，并在2007年11月成功完成了2兆瓦直驱式永磁风力发电整机机组试车；广西银河艾万迪斯风力发电有限公司与德国AVAVTIS公司联合研制的2.5兆瓦直驱变桨风力发电也将于2008年下半年完成样机。永磁材料钕铁硼的最高工作温度较低。一般为80℃左右，在经过特殊处理的磁铁，其最高工作温度也只能是240℃。如果永磁同步发电机通风系统出现问题，过高的温度会造成永磁材料磁性能降低，甚至不可逆去磁。 尽管永磁电机已经过了几十年的研究，但其设计至今还没有一套系统的公式和经验曲线作为依据。变速恒频风力发电系统中的直驱永磁风力发电机的外形尺寸大、工作转速低，通常是一种扁平状的结构。 3、结论与展望 风电发展以来，直驱与双馈两种机型就一直是竞争关系。随着风电行业的继续发展，直驱与双馈两种机型的性能的优缺点会不断的显露出来，性能和成本会成为最主要的考核指标。
双馈异步风力发电机工作原理 我们通常所讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其有独立的励磁绕组，可以像同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机，也有称为异步化同步电机。 同步电机由于是直流励磁，其可调量只有一个电流的幅值，所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量有三个：一是可调节励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量，通过改变励磁频率，可改变电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷突变时，可通过快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或者吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小。改变转子励磁的相位时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置上有一个位移，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位置，也就改变了电机的功率角。这说明电机的功率角也可以进行调节。所以交流励磁不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。 双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为 p,根据旋转磁场理论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的气隙中形成一个旋转的磁场，这个旋转磁场的转速 n1称为同步转速，它与电网频率 f1 及电机的极对数 p的关系如下：
P f n 1 160= 同样在转子三相对称绕组上通入频率为f 2 的三相对称电流，所 产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度为： P f n 2260= 由上式可知，改变频率 f 2，即可改变 n 2,而且若改变通入转子三 相电流的相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此，若设n 1 为对应于电网频率为50Hz 时双馈发电机的同步转速，而n 为电机转子本身的旋转速度，则只要维持n ±n2=n1=常数，则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持为f 1 不变。 n ±n2=n1=常数 双馈电机的转差率 11n n n S -= ，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为： 11 11122606060sf n n n Pn n n P Pn f =-=-==）（ 根据上式表明：在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率（即f 1S ）的电流，则在双馈电机 的定子绕组中就能产生50Hz 的恒频电势。所以根据上述原理，只要控制好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电了。 根据双馈电机转子转速的变化，双馈发电机可有以下三种运行状态： （1） 亚同步运行状态。在此种状态下n 有刷双馈式异步发电机 有刷双馈式异步发电机 双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异，双馈异步发电机通常为4极或6极，转速为1500r/min、1000r/min，如此高的转速是通过多级增速齿轮箱来实现的。这种发电机始于上世纪80年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。目前美国GE能源、德国Fuhrl?nder等公司的很多风力发电机产品，采用变速双馈风力发电的技术方案。我国甘肃兰州电机有限责任公司、北车集团永济电机厂、四川东风电机厂有限公司也都先后研制成功了兆瓦级双馈式异步发电机。 双馈式电机分鼠笼式和绕线式两种。但是，鼠笼式感应发电机因其无法最大限度地利用风能，在风力发电机组中没有得到广泛应用。在风力发电机组中多选用绕线转子感应异步发电机，这种发电机在结构上与绕线式异步电机相似，由绕线转子异步发电机和在转子电路上带交流励磁器组成，定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，这种带滑环的双馈式电机被称之为有刷双馈发电机。 双馈式电机的定子接入电网，通过PWM(脉宽调制)AC-DC-AC变频器向发电机的转子绕组提供励磁电流，为了获得较好的输出电压电流波形，输出频率一般不超过输入频率的1/3。其容量一般不超过发电机额定功率的30%，通常只需配置一台1/4功率的变频器。其原理图如图1所示。 双馈式异步发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过变频器从转子输出的功率。风力机的机械速度是允许随着风速而变化的。通过对发电机的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运行速度的范围内均有最佳功率系数。 双馈式异步发电机的变速运行是建立在异步电机基础上的，众所周知异步电机既可作为电动机运行，也可作为发电机运行。我们将转子转速n与同步转速ns的差值定义为转差，转差与同步转速之比的百分值定义为转差率。在作电动机运行时，异步电动机转子的转速只能是略低于同步转速，此时产生的电磁转矩与转向相同，转差率＞0。而作发电机运行时，转速总是略高于同步转速，其电磁转矩的方向与旋转方向相反，转差率＜0，发电机的功率随该负转差率绝对值的增大而提高。 当双馈发电机的转子绕组通过三相低频电流时，在转子中会形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度与转子的机械转速相叠加，使其等于定子的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速随之而变化，相应地改变转子电流的频率和旋转磁场的速度，就会使定子输出频率保持恒定。 当发电机的转速低于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于亚同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要变频器向发电机转子提供正相序励磁，给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相同的励磁电流，此时，转子的制动转矩与转子的机械转向相反，转子的电流必须与转子的感应反电动势反方向，转差率减小，定子向电网馈送电功率，而变频器向转子绕组输入功率；当发电机的转速高于气隙旋转磁场的转速时，发电双馈异步发电机
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