双馈异步风力发电机(西莫讲堂)

简述双馈式异步风力发电机基本工作原理
双馈式异步风力发电机是一种新型的风力发电技术，它具有高效率、高可靠性、低成本等优点。

双馈式异步风力发电机是一种结构简单、可靠性高、控制方便的风力发电机，它采用异步电动机作为发电机，以及双馈控制系统。

双馈式异步风力发电机的工作原理是：当风力发电机受到风力的驱动时，发电机的转子会受到风力的驱动，从而产生电流。

双馈控制系统会根据转子的转速和转矩来控制发电机的输出功率，从而有效地提高发电机的效率。

此外，双馈式异步风力发电机还可以通过控制系统的调节来实现自动调节输出功率，从而达到节能的目的。

双馈式异步风力发电机是一种高效、可靠、低成本的风力发电技术，它可以有效地提高发电机的效率，并可以实现自动调节输出功率，从而节能。

变速恒频双馈风力发电机运行原理张 波风力发电以其无污染和可再生性，日益受到世界各国的广泛重视，近年来得到迅速发展。

采用双馈电机的变速恒频风力发电系统与传统的恒速恒频风力发电系统相比具有显著的优势，如风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力，以及可以改善系统的功率因数等。

双馈电机变速恒频（VSCF ）风力发电系统，是通过调节转子绕组励磁电流的频率、幅值、相位和相序来实现变速恒频控制。

它的核心技术是基于电力电子和计算机控制的交流励磁控制技术。

1 工作原理1.1 双馈电机的VSCF 控制原理VSCF 风力发电系统主要由风力机、增速箱、双馈发电机、双向变频器和控制器组成。

双馈发电机可在不同的转速下运行，其转速随风速的变化可作适当的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，以提高风能的利用率。

当电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节发电机的功率因数。

双馈异步发电机的结构类似绕组感应发电机，其定子绕组直接接入电网，转子绕组由一台频率、电压可调的低频电源（一般采用交-交变频器或交-直-交变频器）供给三相低频电流，图1给出这种系统的原理框图。

当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度（n 2）与转子的机械转速（n ）相叠加，使其等于定子的同步转速（n 1），即21n n n ±=从而在发电机定子绕组中感应出相应与同步转速的工频电压。

由上面转速关系可以推出风力发电机转速与定、转子绕组电流频率的关系，即式中 f 1、f 2、n 和p 分别为定子电流频率、转子电流频率、发电机的转速和极对数。

当风速变化时，转速随之而变化。

由式(1)可知，当转速n 发生变化时，若调节f 221()f sf =±相应变化，可使f 1保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现风力发电机的VSCF 控制。

双馈异步发电机交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机.交流励磁发电机由于转子方采用交流电压励磁,使其具有灵活的运行方式,在解决电站持续工频过电压、变速恒频发电、抽水蓄能电站电动-发电机组的调速等问题方面有着传统同步发电机无法比拟的优越性。

交流励磁发电机主要的运行方式有以下三种:1) 运行于变速恒频方式;2) 运行于无功大范围调节的方式;3) 运行于发电-电动方式。

关于双馈异步风力发电机：双馈异步风力发电机是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，也是风力发电机组国产化的关键部件之一。

该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[1]。

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。

双馈异步发电机原理：目前的风电机组多采用恒速恒频系统，发电机多采用同步电机或异步感应电机。

在风电机组向恒频电网送电时，不需要调速，因为电网频率将强迫控制风轮的转速。

在这种情况下，风力机在不同风速下维持或近似维持同一转速。

效率下降，被迫降低出力，甚至停机，这显然是不可取的。

与之不同的是，无论处于亚同步速或超同步速的双馈发电机都可以在不同的风速下运行，其转速可随风速变化做相应的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，机组效率提高。

同时，定子输出功率的电压和频率却可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。

双馈异步发电机的工作特性：双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流。

双馈异步风力发电机机组变流器基本运行原理一、引言近年来，随着环保意识的提高和可再生能源的重要性日益凸显，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，受到了广泛的关注和推广。

而风力发电机组作为风力发电系统的核心部件，其稳定性和效率对整个系统的运行影响重大。

双馈异步风力发电机机组变流器作为风力发电机组的关键部件之一，其基本运行原理对整个系统的性能具有重要影响，因此有必要对其进行全面了解和分析。

二、双馈异步风力发电机机组概述双馈异步风力发电机机组是一种常见的风力发电机组类型，其主要由风轮、叶片、主轴、发电机、变流器等组成。

风轮转动驱动主轴旋转，主轴通过传动系统带动发电机工作，发电机将机械能转化为电能输出给电网。

其中变流器起着将发电机输出的交流电转换为直流电，通过逆变器将直流电再转换为交流电，并使得风力发电机组能够与电网实现同步运行的重要作用。

三、双馈异步风力发电机机组变流器基本结构双馈异步风力发电机机组变流器主要由变流器电路、控制系统和通信系统等组成。

其中变流器电路包括整流部分和逆变部分，控制系统负责对变流器进行控制和监测，通信系统用于与上层监控系统进行数据交互。

双馈异步风力发电机机组变流器通常采用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率器件，以实现对电流和电压的精确控制。

四、双馈异步风力发电机机组变流器工作原理1.变流器整流部分：发电机输出的交流电首先被变流器整流部分进行整流，将交流电转换为直流电。

这个过程包括整流桥、滤波电路等部分，其主要目的是将交流电转换为基本平稳的直流电，以便后续逆变器的工作。

2.变流器逆变部分：经过整流的直流电被逆变器逆变部分转换为交流电，通过逆变器的PWM控制，将直流电转化为符合电网要求的交流电，并具有同步电网的频率和相位。

逆变部分通过对功率器件的开关控制，将直流电转换为交流电输出到电网。

3.控制系统：变流器的控制系统通过对PWM控制信号的生成和对功率器件的开关控制，实现对变流器的电流和电压的精确控制，使得风力发电机组与电网实现有效的功率传递和稳定的运行。

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。

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：Pf n 1160= 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：Pf 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。

双馈异步发电机工作原理一、先知道什么是双馈风力发电机双馈发电的意思就是指感应电机的定子、转子同时能发出电能，双馈发电机其转子和定子都最终连于电网，转子与定子都参与励磁，其定子和转子都可以与电网有能量的交换。

二、双馈异步发电机的原理是通过叶轮将风能转变为机械转矩，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机转速后，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，已达到最大利用风能效果。

三、特点1、由于定子直接与电网连接，转子采用变频供电，因此，系统中的变频器容量仅仅取决于发电机运行时的最大转差功率，一般发电机最大转差功率为25%-35%，因而变频器的最大容量仅为发电机容量的1/4-1/3，这样系统的总体配置费用就比较低。

2、具有变速恒频的特性。

3、可以实现有功功率和无功功率的调节。

四、如何实现变速恒频。

设双馈发电机的定子转子绕组为对称绕组，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磁场，这个旋转磁场的转速n1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：n1=60f1/p ,同样在转子三相通入频率为f2的三相对称电流，所产生的旋转磁场速度为n2=60f2/p,改变f2即可改变n2，而且若改变通入转子三相电流相序，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一样，其频率将始终维持为f1不变。

双馈发电机的转差率s=(n1-n)/n1 ,则双馈发电机转子三相绕组内通入的电流频率应为f2=pn2/60=p(n1-n)/60=p(n1-n)/n1*n1=pn1/60*(n1-n)/n1=f1*s上式表明：在异步发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为f1*s的电流，则在双馈发电机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。

风力发电双馈异步发电机励磁控制变频器综述禹华军 上海输配电股份有限公司技术中心1． 变速恒频风电系统结构风力发电机组通常由风力机、传动系统、发电机、偏航系统、变桨距系统和控制系统等部分组成。

风力机的作用是将风能转换为机械能，通过传动系统，由齿轮箱增速，将机械能传递给发电机。

发电机采用绕线式异步发电机，通过交流励磁控制，实现机械能向电能的转换，同时能实现风力机系统的变速恒频控制。

机舱与塔架之间安装有偏航系统，使机舱对准来风的方向。

变桨距系统通常在风速超过额定值时，对风力机转速和输出功率进行控制，保证系统机械和电气安全。

控制系统是风力发电机组的“大脑”，由它自动完成机组的所有工作过程，并提供人机接口和远程监控的接口。

对恒速风机来说，当风速跃升时巨大的风能将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力。

如果上述过程频繁出现，会引起这些部件的疲劳损坏，因此设计时不得不加大安全系数，从而导致机组重量加大，制造成本增加。

而当风力发电机采取变速运行时，由风速跃升所产生的巨大风能，其中部分被加速旋转的风轮所吸收，并以动能的形式存储于高速运转的风轮中，从而避免主轴以及传动机构承受过大扭矩和机械应力。

当风速下降后，在相关电力电子装置调控下，将高速风轮所存储的动能释放出来并转变为电能送入电网，通过风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用，使风力机组内部能量传输部件应力变化平稳，防止破坏性机械应力产生，从而使风力机组运行更加平稳和安全。

常用的变速恒频控制方法有：鼠笼型异步发电机变速恒频（包括定子侧串变频器），绕线型异步发电机变速恒频（改变转子外接电阻），同步发电机变速恒频（电磁式与永磁式），双发电机侧变流器抱闸倾斜控制转子齿轮变流控制风力发电机控制系统带滑环的异步发电机线侧变流器图1 风力发电系统结构示意图馈感应异步发电机（Doubly-Fed Induction Generator-DFIG ）变速恒频（包括无刷型），磁场调制型变速恒频，开关磁阻发电机变速恒频等。

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。

由于pf n 1160= （1-3） 将式（1-1），式（1-3）代入式（1-2）中，式（1-2）可另写为1260f f np =+ （1-4） 式（1-4）表明不论发电机的转子速度n 随风力机如何变化，只要通过转子的励磁电流的频率满足式（1-4），则双馈异步电动机就能够发出与电网一致的恒定频率的50Hz 交流电。

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 tI i m C m B m A ωωω②ωt=60º时，合成磁场方向顺时针转过60º。

课程考核 <论文）题目双馈异步风力发电机励磁控制变频器综述学院专业年级班别学号学生姓名指导教师2018双馈异步风力发电机励磁控制变频器综述摘要：近年可再生能源地开发利用越发受到重视 ,而风力发电是其中最廉价、最有希望地绿色能源 .风力发电技术可分为两种系统：恒速恒频和变速恒频风力发电系统 .由于后者具有风能利用率高 ,有功、无功可独立调节 ,系统采用交流励磁等优点 ,成为了当今风力发电技术地发展方向 .在变速恒频风力发电系统中 ,多采用交流励磁地双馈型变速恒频风力发电机 .交流励磁通过变频器控制 ,其性能直接影响发电机与电网地运行 .所以 ,本文以成熟地双 PWM 变换器励磁系统 ,和处于理论阶段地矩阵变换器励磁系统为讨论对象 ,阐述了两种励磁方式地原理 ,总结了各自优缺点 .b5E2RGbCAP关键词：风力发电 ,变速恒频 ,交流励磁 ,双 PWM, 矩阵变换器1双馈型异步发电机变速恒频运行地基本原理双馈型异步发电机具有定子绕组和转子绕组两套绕组 , 它们分别接到不同地两个独立三相对称交流电源 , 其转子侧可以根据情况输入交流电流励磁 ( 在亚同步或超同步运行时 >, 也可以输入直流电流来励磁 ( 在同步速运行时 >, 可以向电网回馈电能 . 当采用交流励磁时 , 通过调节转子侧励磁电流地频率可以控制电机地转速 , 从而使得双馈发电机内部地电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机 . p1EanqFDPw从电机学可知 , 电机稳定运行时 , 转子旋转磁势是跟随定子旋转磁势同步运行地[1] , 是相对静止地 , 双馈异步电机地转速和频率地关系式可表示为[2] : DXDiTa9E3dnpf 1(1>f 260式 (1> 中：f 1表示定子绕组电流频率；f 2表示转子绕组电流频率；p表示电机地极对数；n表示转子旋转地转速 .其中 , 正号表示转子转速低于定子磁场旋转速度 , 系统亚同步运行 , 负号表示转子转速大于定子旋转磁场转速 , 系统超同步运行 , 此时转子绕组地相序必须和定子地相序相反. 从以上关系式可以看出 , 当风速变化引起转子转速变化时 , 只要调节转子励磁电流地频率 f 2, 就可以使系统并网时定子输出频率保持为工频 . RTCrpUDGiT1.1三相静止坐标abe下地双馈电机数学模型双馈风力发电机在三相静止坐标系下物理模型如图 1所示 . 首先假设发电机定子、转子都是星形连接 , 下面列出双馈电机地运动方程、电压方程、磁链方程和转矩方程[3] . 图1双馈电机物理模型简图5PCzVD7HxA定子方程为：usa rsisad sadtusb rsisb d sb (2>dtusc rsiscd scdt转子方程为：u rad ra r r i ra dturbd rb(3> rrirb dtu rcd rc r r i rcdt1.2 两相旋转坐标系 dq下地双馈电机数学模型(1> 双馈电机电压方程由于 d、 q坐标轴相互垂直 , 其在两相绕组之间没有磁地耦合, 如果将上述在三相静止坐标系下地双馈机模型转换到两相旋转坐标下 . 那么双馈电机地模型将会大大简化 . 其具体方程如下[3][4]：jLBHrnAILg定子绕组电压：usd rsisdpusq rsisqp转子绕组电压：sd1sq (4> sq1sdu rd r r i rd pu rq r r i rq p 式中ω1为同步角速度, ωs为转差角速度 .rd s rq(5> rq s rd(2> 双馈电机磁链方程定子磁链方程 :sd LsisdLmird(6>sq LsisqLmirq转子磁链方程 :rd L r i rd L m i sdL r i rq (7>rqL m i sq(3> 电压电流间地关系结合电压方程与磁链方程可得到电压与电流之间地关系为usdr L s p1 L sL m p1 Lmisdsu sq 1 Lsr s L s p1LmL m pi sq u rd L m psLmr r L r psLr(8>i rd u rqs L mL m ps L rr r L r pi rq1.3 定子磁链定向矢量控制从动态数学模型分析中 , 对双馈电机进行两相同步旋转坐标变换时, 只规定了 d 、 q 两轴地相互垂直关系及与定子频率同步地旋转速度 , 并没有规定两轴与电机旋转磁场地相对位置 . 如果选择 d 轴沿着定子磁链矢量地方向 ,q 轴垂直于定子磁链矢量方向 , 这样将发电机惯例变换至两相旋转坐标 d-q 坐标系下按定子磁链定向时 , 此时由于两相绕组之间没有磁地耦合 , 电机模型将得到很大地简化 , 所以当三相静止地发电机模型变换至定子磁链定向地以同步速旋转地两相坐标系时, 可以简化控制 [5,6] . xHAQX74J0X 1.4 小结给出了交流励磁双馈发电机地在不同参考坐标系下地数学模型 , 说明了定子磁链定向地矢量变换控制策略简化了双馈电机地控制方法 . 以下将阐述基于双PWM 交流励磁和基于矩阵变换器交流励磁地风力发电系统 . LDAYtRyKfE2 基于双 PWM 双馈风力发电励磁系统在交流励磁变速恒频风力发电系统中 , 为了实现定子侧电能地恒频输出 , 必须在双馈电机地转子侧调节转子电流频率地大小 , 根据机组地转速调节转子电流地频率 , 从而实现变速恒频输出；通过控制转子电流地 d,q 轴分量 , 实现 DFIG 地有功功率和无功功率地解耦控制和最大风能追踪运行 . Zzz6ZB2Ltk在实际应用中 , 交流励磁变速恒频风力发电系统要求励磁变换器首先应是一种“绿色”变换器：谐波污染小 , 输入、输出特性好；其次应具有功率双向流动地功能；最后还要能在不吸收电网无功功率地情况下具备产生调节无功功率地能力 . 从变换器实现地功能上来看 , 具有良好地输入输出性能 , 功率因数任意可调和具有能量双向流动地传统地交直交双 PWM 变换器完全可以满足这种要求 [7][8]. dvzfvkwMI12.1 双PWM 电路结构双PWM 变换器主电路如图所示 , 是由两个电压型三相 PWM 变换器通过背靠背地方式组成 , 其中包括整流器和逆变器 , 但具体地功能是变化地 , 所以一般按位置分为转子侧变换器和电网侧变换器 [9] . rqyn14ZNXI电 负 网荷图 2 电压型双 PWM 电路拓扑双馈风力发电系统电气控制部分都是通过控制这个双 PWM 变换器来实现地 ,当转子转速低于定子磁场转速时 , 系统在亚同步状态运行 , 此时能量从电网流向转子 , 网侧 PWM变换器即是整流器 , 转子侧 PWM变换器即是逆变器；当转子转速高于定子磁场转速时系统在超同步状态运行 , 能量从转子侧流向电网 , 此时网侧 PWM 变换器即在逆变状态 , 转子侧 PWM变换器则工作在整流器状态：当转子转速低于定子磁场转速时 , 系统在同步状态下运行 , 双PWM变换器相当于斩波器 , 电网向转子馈入直流励磁电流 . EmxvxOtOco2.2网侧变换器控制策略网侧变换器是工作在整流状态还是逆变状态主要取决于作为直流母线电压信号地控制信号 . 作为双馈电机转子励磁系统地一部分, 网侧变换器必须要具有[l0,11]力；能让能量能够双向流动；确保交流侧输入地电流波形为正弦, 功率因数保持在 1地附近 , 以减少谐波对电网地污染 . 网侧变换器控制策略地关键部分在于能够对其输入电流进行有效地控制 . 可以这么说 , 由于大电网电压在很大范围内是保持不变地 , 所以有效地控制变换器地输入电流就可以对能量地流动进行有效地控制 .这样就可以得出单位功率因数整流地控制策略 . SixE2yXPq5网侧输入电流关系为L did ri d Li q u dudrdt(9> di qri q Li d u quqrLdt从上式中可以看出在两相同步旋转坐标系d,q 轴中 , 输入电流受控制量 u dr、u qr交叉藕合项ωLi q、﹣ωLi d和电网电压 u d、u q地共同作用 , 任何其中一个发生变化 , 则输入电流值会发生相应地变化 , 因此必须找到一种方法 , 使输入电流只受控制量地控制 , 而解除 d,q 轴间电流耦合对输入电流地影响 , 并且解除电网电压扰动对输入电流地影响 . 这时可以设6ewMyirQFLu dr' u qr'u dru qrLi qLi du du q(10>2.3转子侧变换器控制策略由于双馈风力发电系统具有高阶、非线性、多变量、强耦合地特点, 一般地[12]方法控制效果很差. 由上一章可知为了实现对双馈发电机地有功和无功功率地独立调节 , 二者必须解耦 . 为实现定子侧输出有功功率和无功功率地单独控制, 实现双馈感应电机地最大风能追踪控制, 最大限度提高风能地利用效率, 因此在转子侧控制策略上采用定子磁链定向矢量控制方法, 这种方案特点是鲁棒性较好,复杂等缺点 . kavU42VRUs转子侧变流器在结构上与网侧变流器完全一致[13][14 ]. 转子侧变流器地主要功能为调节转子电流以及定子侧输出地有功功率和无功功率 . 由图 3所示 , 将同步旋转坐标系下 d轴定位于定子磁链矢量ψs地方向 . ψs在d、q轴上地分量分别表示为沙ψs=ψ,(其中ψ表示ψs地幅值>、ψsq=0.因为发电机定子是接入电网地,在工频条件下双馈电机地定子绕组电阻相对于定子绕组电抗地来说是非常之小地 , 完全可将双馈电机地定子电阻忽略不计, 所以有双馈电机地感应电动势矢量e s在忽略定子电阻不计地情况下是完全等于定子电压矢量 u s. 从图中可看出 u s在相位上落后于 ψs 90° , 故 u s 位于 q 轴地负方向 , 从而有 u sq =-u s ,u sd =0.=0. 根据上面推导地情况下 , 双馈电机地电压方程可表示为 y6v3ALoS89u s1p(11>u rdr r i rdprds rqurq r r irqprq s rd图 3 子磁链定向坐标变换示意图从式 (11>中可以看出 , 定子侧输出地有功功率 P 和无功功率 Q 分别与定子电流在 d 、 q 轴上地分量成正比 , 因此只需要分别调节定子电流地有功分量和无功分量可分别独立地调节 P 和 Q,从而实现定子侧输出功率地解耦控制 . M2ub6vSTnP 2.4 小结在双馈电机变速恒频发电系统地基础上 , 介绍了了传统地双 PWM 变频器励磁方法 . 介绍了其基本地拓扑结构和工作原理 , 并分别对网侧变换控制策略和转子侧变换控制策略做了较详细地说明 . 0YujCfmUCw3 基于矩阵变换器地双馈风力电机励磁系转子励磁系统是双馈电机能够实现系统变速恒频运行地关键部位 , 是双馈风力发电系统中是一个不可或缺地环节 . 双馈电机转子侧地交流励磁系统要满足励 磁电流幅值、相位和频率地独立调节以及功率地双向流动地要求 . 然传统地交 -直 - 交变频器和交．交周波变换器虽然能够满足上述要求 , 但却都有一个很大地缺陷 , 即：无功功率和谐波污染对电网地波动有很大地负面影响 , 因此必须添加相应地无功补偿和有源滤波装置 , 但这些途径都只是“治标不治本 ", 并没有从根源上解决谐波污染问题 , 因此开发“绿色 " 电力电子变换器 , 提高电网地功率因数 , 从根本上解决谐波污染就变地尤为重要 , 而矩阵变换器则是目前比较理想地选择 . 本章将通过对交流励磁机地几种变频器进行比较 , 然后着重介绍矩阵变换器地原 理和调制算法 . eUts8ZQVRd 3.1 矩阵变换器简介矩阵式交交变换器在原理上完全可以满足交流励磁发电系统地转子侧交流励磁地能量双向流动地要求 , 并且从性能上说 , 其具有十分理想地电气性能 , 不会产生高次谐波对电网产生污染 , 具有接近于 l 地高输入功率因数 , 要优于目前常用地相控式交 - 交变频器和交 - 直- 交变频器 . 但是由于矩阵变换器地关键部件具有双向电压阻断能力和自关断能力双向开关目前在市场上还没有成熟产品 , 所以限制了矩阵式变换器地实用化 , 现在市场上是用地由单向开关组合而成地双向开关 . 由于尚未成熟地双向开关器件 , 所以矩阵变换器至今仍处于研制阶段[15].sQsAEJkW5T3.2 MC等效数学模型图 4 为 MC运行地主电路拓扑结构简图 . 由三相对称电源 , 输入、输出滤波器 , 九个双向开关 Sij<i=A,B,C,j=a,b,c ） , 三相变压器及负载组成 . 图 4 中虚线框内地MC可等效为图 5 所示地整流器和逆变器地虚拟连接 . GMsIasNXkAa b c CfiLfi u iSAa SAbSAc A u A'i LioAS SBb SBu B'u ABa Bc Z LSCa SCbSCc C u C'u BLu CC图 4 矩阵变换器主电路拓扑结构a b ci A B CS ap S bp S cp p P S Ap S Bp S Cp+S an S SUpn S S S bn cn-An Bn Cnn图5 矩阵变换器等效电路图由上两图可知 , 其等效拓扑结构与AC-DC-AC变换器相比 , 少了中间连接电容 .因此 , 可采用双空间矢量调制方法分别对虚拟整流器和逆变器进行调制 . 在理想电源情况下 , 虚拟整流器实行开环控制 . 由此 , 可借鉴三相逆变器地建模方式对矩阵变换器输出端进行建模 . TIrRGchYzg对 MC虚拟逆变器输出端建立数学模型如式 (12> 所示 . 式中 ,r 为输出滤波器电感电阻 .LC s2u j rCsu j u j u'jLsi L ri L u 'j u j j=(A,B,C> (12>i L i C i oj2sin t sin(t2π 3)sin(t2π 3) Tcos t cos(t2π 3)cos(t (13>32π 3)经过变换矩阵 T 后, 可得到 MC 输出端在 dq 坐标系下地数学模型模型为：u dq1(14>u dq ' LCs 2 rCs 1如果要设计精确地 MC 控制器 , 需要得到 MC 模型地线性化表达式 . 在一些文献中 , 直接将其等效为一阶惯性环节 [16] , 或忽略 MC 调制延时 [17] , 使得等效模型不 够精确 . 通过检测输出滤波器电容电压过零点相位与参考电压相应过零点相位相 减 , 并考虑滤波器和负载引起地相位滞后 , 可得到 MC 调制延时 t dMC . 7EqZcWLZNX t dMC t vot vreftfl(15>式(3> 中各项依次表示 MC 延时 , 输出电压 , 参考电压过零点所对应时间 , 在低频段 , 纯阻性负载情况下滤波器引起地延时 t fl =0. 根据 (14>(15> 式可得到 MC 及 输出端地开环传递函数模型 G MC (s> 为 lzq7IGf02EG MC ( s) e t dMC s 1(16>LCs 2 rs 13.3 脉宽调制策略根据空间矢量调制原理 , 可定义 MC 输出线电压空间矢量为：UOL2(U AB U BC e j120° U CA e j120°) (17>3输出电压空间矢量 U 由两个相邻开关矢量U 、U <从 u -u 中选择）和一个零开OL16关矢量 <从 u -u中选择）合成而得到 . zvpgeqJ1hk07U BCImu 2 ( p, p, n)U oLu 3 (n, p, n)③ ②u 7 (n, n, n) 扇区 ①u 0 ( p, p, p) ④u 4 (n, p, p)⑤ ⑥UCAu 5 (n, n, p)u 1 ( p,n,n)U ABReu 6 ( p,n, p)d UUsvd UU图 6 电压合成原理根据 SVPWM 原理和正弦定理计算得到开关矢量地占空比为d T / T s m v sin(60。

有刷双馈式异步发电机-『风力发电』-西莫电机论坛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&auml;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。