新型高压内双馈风力发电机及其电磁特性研究

第３５卷第２２期　２０１５年１１月２０日　中国电机工程学报　

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＥＥ　Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．２２　Ｎｏｖ．２０，２０　１　５　

￣２０１５　Ｃｈｉｎ．Ｓｏｃ．ｆｏｒ　Ｅｌｅｃ．Ｅｎｇ．５８６９　

ＤＯＩ：１０．１３３３４￣．０２５８．８０１３．ｐｃｓｅｅ．２０１５．２２．０２２　文章编号：０２５８—８０１３（２ｏ１５）２２—５８６９—０８　中图分类号：ＴＭ７４３；ＴＭ７１５　

新型高压内双馈风力发电机及其电磁特性研究　辛征　，王秀和１，孙树敏２　（１．山东大学电气工程学院，山东省济南市２５００６１；　２．国网山东省电力公司电力科学研究院，山东省济南市２５０００２）　

Ｎｅｗ　ｐｅ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｉｎｎｅｒ　Ｄｏｕｂｌｙ－Ｆｅｄ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｗｉｎｄ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ＸＩＮ　Ｚｈｅｎｇ　，ＷＡＮＧ　ＸｉｕＨｅ　，ＳＵＮ　Ｓｈｕｍｉｎ２　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆＳｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ　２５００６１，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｔａｔｅ　Ｇｒｉｄ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉｎａｎ　２５０００２，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｉｒｓｔ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａ　ｎｅｗ　ｗｉｒｉｎｇ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｍｅｇａｗａ￣　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｇ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｔｗｏ　ｓｅｔｓ　ｏｆ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｏｒ．　Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｉｓ　ｏｕｔｐｕｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｓｓｉｓｔａｎｔ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎｐｕｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｔａｒｔ—ｕｐ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎｎｅｒ　ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏ￣Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｔｅｓｔ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｗｉｎｄ　ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ　ａｓｓｉｓｔａｎｔ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｏｒ　ｃａｎ　ｏｂｔａｉｎ　ｓｔａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｕｔｐｕｔ，ｗｈｉｃｈ　ｆｕｌｌｙ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈｅｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｙ．　

ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｉｎｎｅｒ　ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；　ａｓｓｉｓｔａｎｔ　ｗｉｎｄｉｎｇ；ｈｉｇｈｅｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｙ；　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　

摘要：为满足兆瓦级风力发电机组的高压大容量需求，文中　提出一种新型高压内双馈风力发电机，定子上有两套绕组，　主绕组输出高电压到电网，辅助绕组输出的低电压为转子变　流器的输入电压。阐述了该发电机的结构、工作原理、励磁　启动方式，采用有限元方法对发电机的电磁性能进行了仿真　与分析，并进行了样机试验。仿真结果与样机试验结果表明：　在不同风速情况下，高压内双馈风力发电机辅助绕组端可为　变流器提供稳定的低压电源，并且定子端可获得频率稳定的　电压输出，满足了双馈风力发电机的高压和大容量要求。　

关键词：内双馈风力发电机；辅助绕组；高压大容量；　电　磁特性　

０　引言　双馈异步风力发电机（ｄｏｕｂｌｙ．ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＤＦＩＧ）因励磁变频器容量小、造价低、　可实现变速恒频运行等优势成为风电机组中的主　流机型，兆瓦级双馈风力发电机组的发展代表着世　界风力发电技术发展的主要方向Ｌｌ　Ｊ。目前我国运行　的风力发电机组的额定功率大多为１．５～５．０ＭＷ，由　于高压变频器价格昂贵、结构复杂且控制要求较　高，普遍采用低压变频器，因此机组的输出电压一　般设计为６９０Ｖ［川。　随着风力发电技术及海上风电的大规模发展，　迫切需要研发更大容量的风力发电机组，若仍采用　６９０Ｖ输出电压，意味着输出电流的增加，给风力发　电机的生产工艺带来相当大的困难，解决这一问题的　一个有效途径就是提高发电机的输出电压。发电机输　出电压提高后，若还要继续采用价格低的低压变频　器，则需要增加一个降压变压器为转子变流器提供较　低的供电电压，这又大大增加了系统的制造成本。　目前国内外对双馈风力发电机的研究主要集中　在稳态特性、机电暂态模型、控制策略、低电压穿　越及各种故障下的动态响应等方面　］，而对单机容　量的提高主要集中在增加风机体积，加长叶片长度　来得到　１，而对于高压大容量风力发电机的技术与　工艺研究几乎为空白。无刷双馈电机（ｂｒｕｓｈｉｅｓｓ　ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ　ｍａｃｈｉｎｅ，ＢＤＦＭ）是近十几年来研究较多　的一种发电机，具有结构简单、无刷可靠、功率因　数可调、所需变频器容量较小等优点，既能以电动　机变频调速方式运行，又适合作为发电机用于风力　５８７０　中国电机工程学报　第３５卷　或是水力变速恒频发电等。近几年，国内外学者对　ＢＤＦＭ的本体结构、参数计算、稳定性分析和智能　控制方法［１７－１８］等进行了较为深入的研究，但也都没有　涉及高压大容量电机的研究领域。内反馈电动机是近　年来随着串级调速技术的发展而产生的异步电动机，　在定子上增加了一套辅助绕组以实现电动机调速。国　内一些学者对内反馈电动机的数学建模、本体设计以　及调速控制方面进行了研究　ｊ，都是以改善电动　机的调速性能为目的，没有涉及发电机领域。　为解决大型发电机组高压化所遇到的问题，本　文提出一种新型的高压内双馈风力发电机，在双馈　发电机的定子上增加一套辅助绕组，为低压转子变　流器提供合适的输入电压，在不提高转子变流器电　压等级的前提下，可将发电机的输出电压提高到　１０ｋＶ。本文论述了该发电机的结构与工作原理，分　析了其静态电磁特性（磁场分布、反电势等），设计　制造了一台原理样机，并进行了试验，理论分析、　仿真结果和试验结果证明该发电机可以输出较好　的正弦电压；通过调节转子励磁电流，可以在不同　转速下，获得频率稳定的定子电压输出波形，完全　适合变速恒频恒压的风力发电场合。　

１　内双馈风力发电机的结构　图ｌ为内双馈风力发电机的结构示意图。　组　

图１内双馈风力发电机的结构示意图　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｉｎｎｅｒ　ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　该发电机在双馈风力发电机的基础上，在定子　槽内增加了一套辅助绕组，定子主绕组（电枢绕组）　与辅助绕组按一定匝数比同槽布线，但二者之间没　有电的连接。考虑到定子主绕组的漏感越小越好，　而适当加大辅助绕组的漏感有利于辅助绕组励磁　变换器输出的滤波或减小励磁变换器输出端串联　的滤波电感值，以及绕组安放工艺的方便性以及维　修方便等因素，主绕组安放在槽的上部，辅助绕组　安放在槽的底部。　内双馈风力发电机组的叶片通过变速齿轮箱　与发电机的转子轴相连，发电机主绕组、辅助绕组　

和转子绕组的连接方式如图２所示。　图２内双馈风力发电机系统图　Ｆｉｇ．２　Ｉｎｎｅｒ　ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｉａｇｒａｍ　内双馈发电机的定子主绕组通过变压器接入　

电网。交一直一交变流器一侧接转子绕组，调节转子　绕组输入电压的频率、相位、幅值和相序，实现发　电机的恒频输出；另一侧接定子辅助绕组，因辅助　绕组与主绕组同槽放置，在某种意义上相当于一台　变压器，当主绕组有电压输出时，通过电磁感应在　辅助绕组内感应出相同频率、相同相位的电压，为　变流器提供交流输入。调节主副两种绕组的匝数比　可以调节辅助绕组的端电压为６９０　Ｖ，以满足低压　变流器的电压等级要求，而定子主绕组可输出　１０　ｋＶ或更高的电压，既可输出高电压，又采用低　成本的低压变流器，便于实现发电机组的高压大容　量化。　

２内双馈风力发电机的工作原理　２．１　工作原理　定子主绕组电流频率与辅助绕组电流频率相　同，根据感应电机定子辅助绕组与转子绕组电流产　生的旋转磁场相对静止的原理，可以得到内双馈风　力发电机运行时电机转速与定子辅助绕组、转子绕　组电流频率之间的关系。　。＝　（１）　

２＝　×ｎ±　（２）　ＯＵ　

式中：　ｌ为定子主绕组电流频率；　２为定子辅助绕　组电流频率；Ｐ为电机的极对数；ｎ为风力发电机　的转速；７：为转子绕组的电流频率。　当风速发生变化时，相应调整转子励磁电流的　频率．　，可使．　、．　２保持恒定，即与电网频率保持　一致，实现风力发电机的变速恒频控制。　设ｎ　为同步转速，当ｎ＜ｎ１时，风力发电机处　于亚同步速运行，式（２）取正号；当ｎ＞ｎ１时，风力　发电机处于超同步速运行，式（２）取负号；当ｎ＝ｎ１