双馈风力发电机组的运行特性

双馈风力发电机运行原理及发电控制技术研究摘要：随着化石燃料储量的减少，在电力工业中风能发电技术变得越来越重要，而风力发电机也因此得到了广泛的应用。

但目前，我国风力发电机的相关技术、应用广度和发展速率与国外相比仍存在明显差距。

为了迅速推广风力发电机的应用与发展，本文将以双馈风力发电机为例，向读者简要介绍其运行原理及相关控制技术。

关键词：双馈风力发电机；运行模式；控制技术中图分类号：tm315 文献标识码：a 文章编号：1001-828x（2013）06-0-01据调查，世界各国在风力发电中每年投入的资金总额已接近一千亿美元。

全球范围内，已开始进行研究和采用风力发电技术的国家约有一百个。

由此可见，在化石燃料日渐减少的现状下，风力发电技术极有可能与其它可再生能源（比如太阳能、水力等）发电技术一同取代火力发电。

在风力发电技术研究中，最基本的一个环节就是风力发电机的研究与应用。

到目前为止，常见的风力发电机有定桨定速型、变浆变速型等多种类型，而在后一种类型中，大部分都采用了双馈式设计。

下面，笔者将以此类风力发电机为例，简明扼要地介绍其组成结构、优点、运行原理以及相关控制技术。

一、双馈风力发电机的结构与特点顾名思义，“双馈”指的就是电机的定子与转子均可完成电力供应过程。

一般来说，双馈式发电机的主要部件有定、转子及其接线盒，传动机构、滑环系统与冷却设备等。

其中，转子结构主要存在成型绕组、矩形半线圈、散嵌绕组等形式；滑环系统主要包括碳刷、刷架、滑环、滑环风扇、滑环座、滑环维护罩等部分，而滑环又分为热套式和环氧浇注式两种类型；冷却设备主要分为风冷式、水冷式等多种形式。

从性质上区分，双馈式发电机应当归入异步式发电机的范畴，但这类发电机又拥有与同步式发电机相似的激磁绕组来调控励磁过程及功率因数。

因此，这种发电机兼有同步和异步式发电机的优点。

这类发电机体积小、成本低、无功功率的调节方式简便易行、抗电磁干扰能力较强。

同时，发电机的励磁过程与所连接的供电网络关系不大，可以直接由转子所处电路完成。

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。

双馈、直驱、半驱风力发电机工作原理双馈风力发电机、直驱风力发电机和半驱风力发电机是目前常见的风力发电机类型。

它们分别采用不同的工作原理，以实现风能的高效转化为电能。

双馈风力发电机是一种常用的风力发电机类型。

它由风轮、发电机和变频器组成。

风轮通过叶片将风能转化为机械能，驱动发电机旋转。

发电机是双馈结构，即具有两个馈线圈：一个是固定转子上的主馈线圈，另一个是转子上的副馈线圈。

主馈线圈与电网相连，副馈线圈通过变频器与电网相连。

当风力发电机转速变化时，电网电压和频率不变，主馈线圈的电流也保持不变。

副馈线圈的电流则通过变频器调节，以使发电机输出的电流和电网电压保持同步，实现电能的高效输送和稳定输出。

直驱风力发电机则是将风轮直接连接到发电机上，取消了传统的传动装置。

风轮通过叶片将风能转化为机械能，直接驱动发电机旋转。

直驱风力发电机通常采用永磁同步发电机作为发电机，它具有结构简单、高效率等优点。

此外，直驱风力发电机还可以在变速范围内实现高效的风能转化，适应不同风速下的发电需求。

半驱风力发电机是双馈风力发电机和直驱风力发电机的结合。

它采用了一种带有齿轮箱的直驱发电机，以实现风能的高效转化。

风轮通过叶片将风能转化为机械能，经过齿轮箱的变速作用后，驱动发电机旋转。

半驱风力发电机既兼具了直驱风力发电机的高效率特点，又克服了直驱风力发电机在变速范围内的限制。

通过合理设计齿轮箱的传动比，可以使发电机在不同风速下都能实现高效的发电。

总结起来，双馈风力发电机、直驱风力发电机和半驱风力发电机都是通过将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的方式实现风力发电。

它们分别采用了不同的工作原理，以实现风能的高效转化和稳定输出。

在不同的应用场景中，可以根据具体需求选择合适的风力发电机类型，以实现风能的最大利用和经济效益的最大化。

双馈异步风力发电机（DFIG）是一种常用于大型风力发电系统中的发电机。

它采用了双馈结构，即转子上的差动输出。

下面是双馈异步风力发电机的工作原理：
1. 变速风轮：风力通过变速风轮传递给风力发电机。

2. 风力发电机转子：发电机的转子由固定的定子和可旋转的转子组成。

转子上有三个绕组：主绕组、辅助绕组和外部绕组。

3. 风力传动：风力使得转子转动，转子上的主绕组感应出交变电磁力，产生主磁场。

4. 变频器控制：通过变频器，将固定频率的电网电压和频率转换为可调节的电压和频率。

5. 辅助转子绕组：辅助绕组连接到变频器，通过变频器提供的电压和频率来控制转子的电流。

6. 双馈结构：辅助转子绕组的电流经过转子上的差动输出到外部绕组，形成双馈结构。

外部绕组与电网相连。

7. 发电转换：转子上的双馈结构使得发电机能够将风能转化为电能，
并输出到电网中。

通过双馈异步风力发电机的工作原理，可以实现对风能的高效转换和可调节的发电功率输出。

同时，利用双馈结构，可以提高发电机对风速变化的适应性和控制性能，从而提高整个风力发电系统的效率和稳定性。

双馈异步和永磁同步风力
发电机特性分析摘要：本文分析了双馈异步和永磁同步风力发电机的工作原理，详细比
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率，可使定子频率恒定，即应满足：。

为定子电流频率，由于定子与电网相连，所以与电网频率相同；为转子机械频率，，p为电机的极对为转子电流频率。

n<n1（n1是定子旋转磁场的同步转速）时，处于亚同步运行状态，此时变流器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网；
n>n时，处于超同步运行状态，此时发电机同时由定子
统类似，只是所采用的发电机为永磁同步发电机。

式中，—电网频率（H z）；—发电机定子输出频率Hz）； K—功率变换器频率变比。

当转速变化时，发电机定子输出频率也跟随变化，通过功率变换器将定子发出的变频变压的电能转换为与电网频率幅值一致的稳定电能。

图3 DFIG和PMSG发电量比较
结论
（1）从结构分析来看，DFIG和PMSG在技术参数上各有优缺DFIG相比PMSG变流器容量小，易于安装和维护，成本低，发电机结构简单，重量和体积比同步发电机大大减小。

但低电压穿越功能不强，需要在变流器中额外增加模块，现在DFIG的市场认可度较高，但由于其低电压穿越能力不好，所以，如果国家以后出台并网要求相关规定后，市场将倾向于同步风力发电机组。

（2）就技术成熟度来讲，目前国内外DFIG技术成熟，国内大多数兆瓦级风机均采用该机型，而PMSG国内该方面的技术尚处于研发阶段，产业链不完善，基本要依赖进口。

（3）就成本来讲，双馈式风力发电机组比同步风力发电机
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双馈型风力发电变流器及其控制随着环保意识的日益增强和可再生能源的广泛应用，风力发电技术得到了快速发展。

双馈型风力发电变流器作为风力发电系统中的关键设备之一，在提高风能利用率和电能质量方面具有重要作用。

本文将介绍双馈型风力发电变流器的工作原理、特点优势及其控制方式。

双馈型风力发电变流器是一种交直流变换设备，可将风力发电机发出的交流电转换为直流电，再供给电力系统使用。

其工作原理是采用双馈（交流和直流）线路，通过电力电子器件（如IGBT、SGCT等）的开关动作，控制交流和直流电流的双向流动，实现能量的交直流转换。

高效性：双馈型风力发电变流器具有较高的能量转换效率，可实现风能的最大化利用。

灵活性：双馈型风力发电变流器可通过控制开关器件的占空比，调节输出电流的幅值、频率和相位，满足不同风速和负荷条件下的运行需求。

稳定性：双馈型风力发电变流器可有效平抑风速波动带来的影响，提高电力系统的稳定性。

维护性：双馈型风力发电变流器采用模块化设计，便于维护和检修，降低了运维成本。

矢量控制：通过控制交流侧电流的幅值和相位，实现有功功率和无功功率的解耦控制，提高电力系统的稳定性。

直接功率控制：采用瞬时功率采样，通过控制逆变侧电流的幅值和相位，直接控制有功功率和无功功率，具有快速的动态响应。

神经网络控制：利用神经网络技术，建立风力发电变流器数学模型，实现自适应控制和优化运行。

模糊控制：基于模糊逻辑理论，通过模糊控制器对变流器进行非线性控制，具有良好的鲁棒性和适应性。

双馈型风力发电变流器作为风力发电系统的关键设备之一，具有高效、灵活、稳定和维护简便等特点及优势。

其控制方式多种多样，包括矢量控制、直接功率控制、神经网络控制和模糊控制等，可根据实际应用场景选择合适的控制方式以实现最优运行。

随着风电技术的不断发展，双馈型风力发电变流器在未来将发挥更加重要的作用，为可再生能源的广泛应用和绿色能源转型提供强有力的支持。

随着环境保护和可持续发展的日益重视，风力发电作为一种清洁、可再生的能源，越来越受到人们的。

双馈异步风力发电机组与永磁直驱风力发电机组性能的比较分析首先是性能方面。

双馈异步风力发电机组是由一个固定转子和一个可转动转子组成的，通过转子之间的电磁耦合来传递功率。

双馈异步发电机具有较高的效率、适应力强和荷载能力大等优点。

它能够在不同风速下保持较高的效率，适应风速变化较大的情况。

而永磁直驱风力发电机组则利用永磁同步电机直接驱动发电，具有高效率、高可靠性、可控性好等特点。

由于没有传动装置，能量损失较小，因此永磁直驱发电机组的效率比双馈异步发电机组更高。

同时，永磁直驱发电机组的控制系统较为简单，响应速度快，具有更好的调节性能。

其次是控制方面。

双馈异步风力发电机组需要借助功率电子装置来实现转子的控制和发电机的转速调节。

控制系统复杂，对于变电网的响应速度也较慢。

而永磁直驱风力发电机组由于直接驱动，控制系统较为简单，并且响应速度较快。

永磁直驱发电机组的转速可以精确控制，实现最优的功率调节和跟踪，有利于提高发电效益。

最后是可靠性方面。

双馈异步风力发电机组由于有转子与转子间的电磁耦合，对风机的载荷波动和瞬态故障具有一定的鲁棒性，能够保持较高的转矩输出。

而永磁直驱风力发电机组的可靠性较高，因为没有传动装置，减少了故障点，提高了系统的可靠性。

但是，永磁材料的稳定性较差，容易受到温度和磁场的影响，对恶劣环境的适应能力相对较弱。

综上所述，双馈异步风力发电机组与永磁直驱风力发电机组在性能、控制、可靠性等方面存在差异。

双馈异步发电机组具有适应风速变化较大的能力，但控制系统复杂，响应速度较慢。

永磁直驱发电机组具有高效率、简单的控制系统和快速的响应速度，但对恶劣环境的适应能力较弱。

因此，在实际应用中需要根据具体情况选择适合的发电机组类型。

双馈式风力发电机运行原理解析根据相关调查显示，在全球各国中，因风力发电项目，每年投入1000亿元资金总额，约有100个国家开始研究、运用风力发电技术。

因此，随着化石燃料逐渐减少，社会生产需要太阳能技术、发电技术和水利技术，这些技术也有可能代替火力发电技术。

对于风力发电技术，加强风力发电机研究和运用具有十分重要的现实意义，大多数选择双馈式设计方式。

笔者结合自身多年的风电企业的从业经验，立足双馈式风力发电机角度，分析其运行原理、发电控制技术。

1 双馈式风力发电机的结构、特点双馈式风力发电机是由英国学者的设想而来，在自级联导发电机研发基础上，逐渐研发而来，双馈式发电机与绕线异步电机有着结构类似性，因定子、转子两部分均可以馈出、馈入电能，所以称之为双馈。

另外，因双馈式发电机利用转子形成交流，因此，双馈式发电机又叫做交流励磁发电机。

双馈式风力发电机，双馈主要指电机定子、转子，都能完成电力供应。

通常而言，双馈式发电机是由接线盒、转子、定子、冷却系统、滑环系统和传动结构构成。

转子结构一般为散嵌绕组、半线圈与成型绕组构成。

滑环系统包含滑环座、维护罩、碳刷、风扇等构成，滑环环氧浇注式、热套式类型，冷却系统包含水冷式和风冷式方式。

从某种性质来看，双馈式发电机属于异步式发电机范围，这类发电机具有同步式发电机的励磁绕组，一般用于功率因素、励磁过程的调控，所以双馈式发电机具有异步、同步两种优点。

针对双馈式发电机定子贴心，有相同形状凹槽的均匀分布，主要是用于嵌入定子绕组，通过定子三相电流，产生一定旋转磁场。

在转子中，利用嵌入绝缘导线，可组成三相绕组。

在转子上引出三相线，再连接转轴的集电环，通过电刷引出。

通常而言，定子和工频电网能够直接连接，转子通过变换器与电网连接，以便于转子的交流励磁。

同时，双馈式发电机的成本较低、体积较小，调节方式为无功率调节，且抗电磁的干扰能力强，具有简便易行的特点。

发电机励磁过程和供电网络没有直接联系，由转子即可直接完成所处电路。

双馈发电机原理双馈发电机是一种常用于大型风力发电机组的电机类型。

它具备高转速、高功率密度和低成本等优势，被广泛应用于风力发电领域。

本文将详细介绍双馈发电机的原理及其工作过程。

一、双馈发电机概述双馈发电机，又称为异步双馈发电机，是一种由转子和永磁体绕组组成的电机。

与传统的感应电机不同，双馈发电机在转子上额外增加了一个功率输出装置，该装置通常由电流互感器和功率变流器组成。

该装置的主要作用是将一部分电流经过功率变流器控制并重新注入到绕组中，从而实现对电机的控制和调节。

因此，双馈发电机在工作时可以通过改变转子上的电流来调整输出功率和电机的性能。

二、双馈发电机的原理基于转子上的功率输出装置。

当风力发电机叶片转动时，叶片产生的机械能被转化为转子上的电能。

转子上的电能被分为两部分，一部分经过转子的绕组直接注入电网；另一部分则经过功率输出装置控制后重新注入绕组。

功率输出装置主要由电流互感器和功率变流器组成。

电流互感器用于检测电流信号，并将信号传输给功率变流器。

功率变流器负责将电流信号转换为适当的电压和频率，然后将其注入到绕组中。

通过调节功率输出装置的参数，可以达到对电机功率输出的控制和调节。

三、双馈发电机工作过程双馈发电机在工作时，首先通过输入端子引入定子绕组的感应电流。

随后，该感应电流通过转子绕组和功率输出装置注入到转子上。

在此过程中，转子上的电流与输入电压之间存在一定的相位差。

转子上的电流与输入电压的相位差会导致一部分电能通过功率输出装置注入到绕组中，而不是直接输出到电网上。

这样一来，双馈发电机的输出电功率和频率就可以通过调节功率输出装置的参数进行控制和调节。

四、双馈发电机的优点1. 高转速：双馈发电机的转速通常比直联发电机要高，能够更好地适应风力发电机组的工作要求。

2. 高功率密度：双馈发电机采用双馈线圈结构，使得发电机的功率密度更高，可以实现更大的功率输出。

3. 低成本：由于双馈发电机采用了较简单的控制装置，相比其他类型的发电机，其成本相对较低。

双馈电机的原理双馈电机的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。

(1) 双馈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。

当双馈电机定子对称三相绕组由频率为f1(f1=p?n1/60)的三相电源供电时，由于电机转子的转速n＝(l-s)n1(s为转差率，n1为气隙中基波旋转磁场的同步速率)。

为了实现稳定的机电能量转换，定子磁场与转子磁场应保持相对静止，即应满足: ωr＝ω1-ω2 其中:ωr是转子旋转角频率; ω1是定子电流形成的旋转磁场的角频率;ω2是转子电流形成的旋转磁场的角频率。

由此可得转子供电频率f2＝s?f1，此时定转子旋转磁场均以同步速n1旋转，两者保持相对静止。

与同步电机相比，双馈电机励磁可调量有三个:一是与同步电机一样，可以调节励磁电流的幅值;二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位。

通过改变励磁频率，可调节转速。

这样在负荷突然变化时，迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小。

另外，通过调节转子励磁电流的幅值和相位，可达到调节有功功率和无功功率的目的。

而同步电机的可调量只有一个，即励磁电流的幅值，所以调节同步电机的励磁一般只能对无功功率进行补偿。