第三章
双馈型变速恒频风力发电系统运行控制机组主结构及控制系统
运行区域及控制目标
总体控制方案
励磁变换器结构及原理
DFIG控制（机侧变换器控制）网侧变换器控制
变桨机构及其控制
偏航机构及其控制
其他机构及控制、保护
一. 机组主结构及控制系统
机组主结构：主要的机电设备控制系统：微机控制软、硬件
（一）机组主结构
风轮系统
传动链系统
发电机系统
偏航/解缆系统
刹车系统
辅助系统
机组主结构示意图
1. 风轮系统
桨叶
轮毂
变距（桨距）机构
2. 传动链系统
低速轴
齿轮箱
多级变速，变比较大（接近100）
采用行星齿轮和正（斜）齿轮实现多级变速
润滑油冷却或加温机构
高速轴
联轴器
通用标准型膜片联轴器连接齿轮箱和发电机
补偿轴向、径向和角度偏差易于装拆维护
实现电绝缘
力矩限定
传动链系统布局
3. 发电机系统
DFIG
发电机本体
冷却系统
保护系统
励磁变流器
四象限运行能力、输入、输出特性优良设计容量为机组容量30％
IGBT器件，PWM调制技术
动作频率为数kHz-十几kHz
并网机构
4.偏航/解缆系统
偏航机构
风向标
偏航伺服电机（或液压马达）减速装置
偏航液压制动器
偏航行星齿轮
对风/解缆操作
根据风向标控制对风
计算机控制的自动解缆
纽缆开关控制的安全链动作报警及人工解缆
偏航的作用
对风，获取最大发电量
减少斜风给机组带来的不平衡载荷
5.刹车系统
机械抱闸刹车
液压驱动和电气驱动
通过制定卡钳和连轴器上制动盘配对实现，一般在气动刹车后转速降低后采用
安装位置：高速轴，低速轴
气动刹车
变桨控制
变桨控制系统控制桨距角为90度偏航控制
电磁刹车
通过控制发电机电磁阻转矩实现
6.辅助系统
塔架
机舱罩
机舱底盘
变压器
防雷系统及电气保护装置
冷却系统
发热部件
液压系统
齿轮箱
发电机
变频器
冷却方式：空气冷却，液体冷却，混合冷却
其他部分
（二）控制系统
1. 概述
与一般工业控制过程不同，风力发电
机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网风况和机组运行参数，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。
不要小看风力发电控制，它是高科技，曾经的国家级科技攻关计划，沈阳工业大学曾经申请过863计划。为什么是高科技？
主要是由几个方面：
①风的随机性
②风电机组工作环境恶劣，对控制
系统可靠性要求较高
③叶片设计制造技术需要很高的
空气动力学基础
④高功率大容量的变频器具有很
高的工艺和控制难度。
比较普遍采用的是分布式控制系统。分为三个控制柜
①塔底柜
②变流柜
③机舱柜
一般情况下，塔底柜和变流柜都位于塔筒内部，而机舱柜在机舱内。塔底柜和机舱柜通过光线通信，变流柜和塔底柜则一般是工业Ethernet网联络。
2. 结构与功能
结构
硬件系统和软件系统
主控制器和从控制器
功能
运行控制
变桨距控制、偏航控制、刹车控制、变流器（发电机）控制
本地控制与远程控制
信号采集与监视
采集量：电压、电流、频率、功率、转速、油温、压力
本地监视与远程监视
3. 主从分布式控制系统
主控制器（PLC, PID控制算法）变桨控制
偏航控制
制动控制
参数监视与远程通讯
系统级控制协调
主控制器实现案例
从控制器（DSP，矢量动态控制算法）
机侧变流器控制
网侧变流器控制
从控制器实现案例
二. 运行区域及控制目标主要运行区域
各运行区域的控制目标（一）主要运行区域
1.运行区域的划分
一般按照风速和机组运行特性分为
五大运行区域：
并网区
MPPT（maximum power point track）区
转速限制区（过渡区）
功率限制区
切出停机区
不同运行区域的功率特性
2. 不同运行区域的风能系数（二）各运行区域的控制目标
三. 总体控制方案
总体控制方案主要内容
几种典型总体控制方案
优选总体方案及其优越性
（一）. 总体控制方案主要内容
总体控制方案指在不同运行区域内主、从控制器间的分工与协调控制方法。
不同运行区域指并网区、MPPT区、转速限制区、功率限制区、切出停机区。
主控制器中主要讨论变桨控制部分，从控制器即指发电机控制。
（二）.几种典型总体控制方案典型总体控制方案概述
不同方案中各运行区域的划分标准和实现措施一致。
在并网区、切出停机区内各总体控制方案基本一致。
在MPPT区内，各总体控制方案变桨控制一致（桨距角固定为接近零度），发电机控制则体现为具有不同的MPPT 策略，大致可分为直接转速控制和间接转速控制两种模式。
转速限制区为（由MPPT区到功率限制区的）过渡区域，可由变桨控制或发电机控制限速。
功率控制器内变桨控制和发电机控制同时起作用，该区域内两个控制功能间的协调非常重要，协调方案众多构成了总体控制方案的多样性。
几种典型总体控制方案
德国AERODYN公司GD77/82(1.5MW)机组控制算法
四.励磁变换器结构及原理DFIG转子励磁电源的要求双PWM变流器的结构特点(一)DFIG转子励磁电源的要求
工作状态可逆，能量可以双向流动输入、输出特性优良，对电网的造成的谐波污染小在不降低电网功率因数条件下，具备一定的产生无功功率的能力
（二）双PWM变流器的结构
和特点
采用高频全控器件IGBT、SVPWM调制方式，消除了低次谐波
直流环节具有电容，具备产生一定无功功率的能力
由两个结构和功能相对独立的PWM变换器组成
两个PWM变换器运行状态可控，可实现可逆运行，能量可双向流
全控器件变换器
拓扑及调制波形
（三）双PWM变流器的原理基本调制技术SPWM（正弦PWM）技术
SVPWM（空间矢量PWM）技术
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）
科技信息 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第7期0引言 当今石化能源的日益匮乏，社会的发展对能源的需求不断增加。 风能作为一种清洁可再生能源越来越受到世界各国的重视。近年来风 力发电在国内外都得到了突飞猛进的发展。但由于风能的随机性和不 稳定性，在其发展的过程中也出现很多问题，其中风力发电并网难最 为突出。风电并网技术成为风力发电领域研究的重难点问题。如何将 并网瞬时冲击电流降低到最小规范值，进一步保证并网后系统电压稳 定是当今研究的重点方向。本文对并网技术问题进行相关研究，提出 并网运行方式并进行分析比较。1风力发电并网运行的分析随着风力发电的快速发展，风电场的并网已成为必然的途径。从风电问世以来，风力发电经历了独立运行方式、恒速恒频运行方式、变速恒频运行方式。当今变速恒频发电系统已成为主流，但风力发电并 网仍是热点的研究话题。 不管是哪一种发电类型，并网总是以保证电力系统稳定性为基本 原则。风力发电相比于火力发电和水力发电，由于其不稳定性需要更 精确的并网控制技术。并网运行时，需满足：（1）电压幅值与电网侧电 压幅值相等；（2）频率与电网侧频率相同；（3）电压相角差为零；(4)电压 波形及相位与电网侧的电压波形及相位保持一致。这样保证了并网时 冲击电流理想值为零。否则，若并网产生很大的瞬时冲击电流，不仅损 坏电力设备，更严重的是使电力系统发生震荡，威胁到电力系统稳定 性。 从大的方向看，风力发电系统并网分为恒速恒频风力发电机并网 和变速恒频风力发电机并网。恒速恒频并网运行方式为风力发电机的 转子转速不受风速的影响，始终保持与电网频率相同的转速运行。虽 然其结构简单、运行可靠，但是对风能的利用率不高，机械硬度高，而 且发电机输出的频率完全取决与转速，如控制不好，并网时会发生震 荡、失步，产生很大的冲击电流。所以恒速恒频系统已逐渐退出人们的 视线。随着电力电子技术的日益成熟，以变速恒频并网运行方式取而 代之。变速恒频风力发电并网系统是发电机转速随着风速的变化而变 化，系统通过电力电子变化装置，使机组输出的电能频率控制在与电 网频率一致。变速恒频并网方式减少了机组的机械应力，充分的利用 风能源，使发电效率大大提高；并网时通过精确合理地控制电力电子 变换器，使得并网更加稳定，降低系统因冲击电流过大使电网电压降 低从而破坏电力系统稳定性。2变速恒频双馈发电机并网 目前，并网型的变速恒频风力发电机组主要采用双馈发电机和永 磁同步发电机。 变速恒频双馈发电机的并网原理图如图1所示。 双馈发电机并网的工作原理为当风速变化时，发电机的转子励磁回路由双PWM 变频器控制转子励磁电流的频率，转子转速与励磁电流频率合成定子电流频率。调节励磁电流频率，使定子电流频率始终与电网频率保持一致。电机转动频率、定、转子绕组电流频率的关系式为：f 1=pn 60±f 2式中：f 1为定子电流频率，f 2为转子电流频率，n 为转子转速。双馈发电机既可以同步运行也可以异步运行，通过精确地控制双PWM 变频器，可以实行“柔性并网”，大大提高并网的成功率。一般双馈发电机 并网的结构相对复杂，大多采用多级齿轮箱双馈异步风力发电机组。 当自然风速使得风力发电机转子转速频率与电网频率相同时，风力发 电机同步运行；当风力发电机的转速小于或者大于电网频率时，风力 发电机异步运行，通过双向变频器实现发电机组转子与电网的功率交 换，保证输出频率与电网侧保持一致。在异步运行程中，不仅有励磁损 耗，而且还要从电网吸收无功功率，所以需在并网侧安装无功补偿器。图1变速恒频双馈发电机的并网原理图3直驱式永磁同步发电机并网变速恒频永磁同步发电机并网原理图如图2所示。图2变速恒频永磁同步发电机并网原理图 直驱式永磁同步发电机并网的原理为当风速改变时，发电机输出不同频率的交流电，经过不可控整流电路将交流电变成直流电，再经过DC/DC 直流斩波让直流电压幅值保持压稳定。以逆变器为核心，采用IGBT 作为开关器件构成全桥逆变电路，将整流器输出的直流电逆变成与电网侧电压相角、幅值、相位、频率相同的交流电。逆变有时会产生一定的电压谐波污染和冲击电流，这时必须有效（下转第92页）风力发电并网方式的研究 张伟亮潘敏君韦大耸陈富玲 （贺州学院机械与电子工程学院，广西贺州542800） 【摘要】通过分析风力发电系统并网方式的原理，针对风力发电并网难的问题，提出利用直驱式永磁同步发电机实现风力发电并网。直驱式永磁同步发电机并网比传统的恒速恒频并网方式更加稳定。 【关键词】风力发电；并网运行；恒速恒频；变速恒频 Study on wind Power Grid-connected Mode ZHANG Wei-liang PAN Min-jun WEI Da-song CHEN Fu-ling （School of Mechanical and Electronics Engineering,Hezhou Univ.Hezhou Guangxi,542800,China ） 【Abstract 】By analyzing the theory of grid-connected wind farms,the paper presents using direct-driven permannet magnet synchronous generator to achieve grid-connerted wind power according to the problem in wind power grid-connected difficult.Direct drive permanent magnet synchronous generator than traditional way of constant speed constant frequency grid interconnection is more stable. 【Key words 】Wind power generation ；Parallel operation ；Constant speed constant frequency ；Variable speed constant frequency ※项目基金：此文为贺州学院大学生创新项目研究成果，项目编号2013DXSCX08。 作者简介：张伟亮（1982—），男，硕士，讲师，从事电气工程及其自动化的教学及高压设备的生产研发。 潘敏君，男，贺州学院电气工程及其自动化专业在读学生 。 ○本刊重稿○4
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
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。
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 n 1称为同步转速，它与电网频率 f 1及电机的极对数 p 的关系如下：
n160 f 1 P 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： n260 f 2 P 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 n1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 n1n S 双馈电机的转差率n1，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为： Pn 2P（ n1n） Pn1n1n f 2 6060n1sf 1 60 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 双馈风力发电机并网控制 摘要：风力是重要的清洁能源，风力所具备的可再生性以及无污染性使得其受到广泛关注和应用，风力发电也是目前我国重点要求的电力能源技术。而并网控制是将风力发电机稳定地接入到电网系统中的技术。本文主要研究双馈风力发电机并网控制的方法，以及在实际应用中的难点，以及并网控制过程中存在的其他影响控制，并相应地提出优化建议。 关键词：双馈风力发电机；并网控制；方法；难点 一、双馈风力发电机概述 当前风力发电机大体可以分为同步电机好异步电机两类，实际应用中可以细分为鼠笼异步发电机、双馈发电机、同步发电机以及永磁同步发电机。双馈风力发电机是一种绕线式感应发电机，属于异步发电机。由于双馈异步电动机的定子绕组直接同电网相连接，转子绕组通过变流器和电网连接，并由变频器实现对饶子绕组电源电压、相位以及频率和幅值的自动调控，因而在运行中，机组可以在不同的转速下维持恒频发电。然而，虽然双馈发电机具备机械承受应力小、运行噪音小、变频器容量小以及启动效率高的特点，但双馈发电机的电气损耗较大，还需配备齿轮箱，造价较为昂贵。不过相比同步风力发电机，双馈风力发电机能够更好的实现电能稳定输出，实用性较强。 二、双馈发电机的并网控制方法 双馈发电机的并网控制方法和异步发电机相似，主要原理是通过滑差率来调节负荷，发电机的转速和输出功率近似成线性关系，所以只要保持发电机的转速和同步转速相接近就能实现并网。目前，常用的并网方法主要有四种，直接并网控制法、准同期并网法、降压并网控制法以及电子元件软并网控制法。 2.1 直接并网控制法 直接并网控制法是指将风力发电机的输出交流电直接并入到风力电网中，在电机转速和同步转速接近时，由测速系统给出并网信号，再通过自动空气开关实现并网，主要适用于风力发电机和电网相序相同的情况，即电网电容量足够大的同时，风力发电机的容量保持在百千瓦以下。 优点：直接并网控制方法能够保证风力速率变动情况下风力发电机也可以维持横频输出，同时能够单独地对有功功率和无功功率进行解耦控制，便于对风力电动机运行中负载消耗的无功功率进行补偿，稳定其他机组的无功负荷，确保风力发电系统电压的稳定。 缺点：直接并网控制方法要求双馈发电机的相序和发电电网的相序必须保持一致，这就对风力发电机的规格提出了严格的要求。 2.2 准同期并网控制法 异步发电机下的准同期并网控制方法和同步发电机下的准同步并网控制方法基本相同，都是在发电机转速接近同步转速的时候，利用电容励磁先来确定一个稳定的电压，再根据系统电压、频率、相位等来调节发电机的电压和频率，确保二者同步。当二者同步后，就可以将风力发电机接入电网。 优点：准同期并网控制方法对风力系统的电压没有太大的影响，不会出现电压下降的问题，常用于发电机容量和电网容量相似或相差不多的机组。 缺点：按照传统的整步方式，想要实现从整步到准同步的转变，不但需要高精度的整步设备、同期设备以及调速设备，还需要耗费较长的时间，加大了机组构造成本。而且，准同期并网控制方法也需要对电流进行精准控制，确保合闸瞬 双馈发电机原理讲解 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 () () ?-=?-==240sin 120sin sin t I i t I i t I i m C m B m A ωω ω 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， 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 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 双馈发电机原理讲解 GE GROUP system office room 【GEIHUA16H-GEIHUA GEIHUA8Q8- 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 技术研发部 编写 双馈发电机原理 一．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 技术研发部编 写 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。 二． 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 ()() ?-=?-==240sin 120sin sin t I i t I i t I i m C m B m A ωωω 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% ，slipping 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 and 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 and the 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 LIST OF IMPORTANT SYMBOLS vrdq Direct and quadrature rotor voltage irdq Direct and quadrature rotor current λsdq Direct and quadrature stator flux linkage Ps Stator real power Qs Stator reactive power pfs Stator power factor Te Torque p Differential operator Lm Magnetising reactance Rr Rotor resistance Lr Rotor reactance σ Total leakage inductance ωsf Slip frequency ‘s’ Stator referred ‘r’ Rotor referred ‘*’ Reference value 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双馈风力发电机并网控制
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