目录一、异步绕线双馈风力发电机概述二、直驱永磁同步风力发电机概述三、两种风力发电机组的简单比较四、浅谈两种风力发电机的建模 •双馈式风力发电机组的系统将齿轮箱传输到发电机主轴的机械能转化为电能，通过发电机定子、转子传送给电网发电机定子绕组直接和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变频器相连变频器控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能量，这时逆变器将直流侧能量馈送回电网在亚同步发电时，通过定子向电网馈送能量、转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态，变流系统双向馈电，故称双馈技术 1.1 双馈风力发电机原理概述 •其工作原理为 : 绕线转子双馈异步发电机的转子通入三相低频励磁电流形成低速旋转磁场 ,该磁场的旋转速度 与转子机械转速 相叠加 ,等于定子的同步转速 ,即从而在定子绕组中感应出相应于同步转速 的工频电压当发电机转速随风速变化而变化时 (一般的变化范围为的30% ,可双向调节 ) ,调节转子励磁电流的频率即可调节,以补偿 的变化 ,保持输出电能频率恒定 1.2 双馈风力发电机研究方法 三相异步电机数学模型•作如下的假设：•（1）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。
•（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的•（3）忽略铁心损耗•（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响 l无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等l异步电动机三相绕组可以是Y连接，也可以是Δ连接若三相绕组为Δ连接，可先用Δ—Y变换，等效为Y连接然后，按Y连接进行分析和设计 l定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的l转子绕组轴线a、b、c随转子旋转 异步电动机三相动态模型的数学表达式l双馈异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成l磁链方程和转矩方程为代数方程l电压方程和运动方程为微分方程 磁链方程 l异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和 电感矩阵电感矩阵l定子电感矩阵定子电感矩阵l转子电感矩阵转子电感矩阵 电感矩阵电感矩阵l定、转子互感矩阵定、转子互感矩阵l变参数、非线性、时变变参数、非线性、时变 电压方程电压方程l三相绕组电压平衡方程三相绕组电压平衡方程 电压方程电压方程l将电压方程写成矩阵形式将电压方程写成矩阵形式 电压方程电压方程l把磁链方程代入电压方程，展开把磁链方程代入电压方程，展开 转矩方程和运动方程转矩方程和运动方程 l转矩方程转矩方程l运动方程运动方程 l转角方程转角方程 异步电动机三相原始模型的性质异步电动机三相原始模型的性质l非线性强耦合性非线性强耦合性非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与转矩方程。
既存在定子和转子间的耦合，转矩方程既存在定子和转子间的耦合，也存在三相绕组间的交叉耦合也存在三相绕组间的交叉耦合l非线性变参数非线性变参数旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间的乘积，这是非线性的基本因素定转子的乘积，这是非线性的基本因素定转子间的相对运动，导致其夹角间的相对运动，导致其夹角 不断变化，不断变化，使得互感矩阵为非线性变参数矩阵使得互感矩阵为非线性变参数矩阵 异步电动机三相原始模型的非独立性异步电动机三相原始模型的非独立性l异异步步电电动动机机三三相相绕绕组组为为Y无无中中线线连连接接，，若若为为Δ连接，可等效为连接，可等效为Y连接l可可以以证证明明：：异异步步电电动动机机三三相相数数学学模模型型中中存存在一定的约束条件在一定的约束条件 异步电动机三相原始模型的非独立性异步电动机三相原始模型的非独立性l三三相相变变量量中中只只有有两两相相是是独独立立的的，，因因此此三三相相原原始始数数学学模模型型并并不不是是物物理理对对象象最最简洁的描述简洁的描述l完完全全可可以以而而且且也也有有必必要要用用两两相相模模型型代代替 坐标变换坐标变换l异异步步电电动动机机三三相相原原始始动动态态模模型型相相当当复复杂杂，，简化的基本方法就是坐标变换。
简化的基本方法就是坐标变换l异异步步电电动动机机数数学学模模型型之之所所以以复复杂杂，，关关键键是是因因为为有有一一个个复复杂杂的的电电感感矩矩阵阵和和转转矩矩方方程程，，它它们们体体现现了了异异步步电电动动机机的的电电磁磁耦耦合合和和能能量量转换的复杂关系转换的复杂关系l要简化数学模型，须从电磁耦合关系入手要简化数学模型，须从电磁耦合关系入手 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l两两极极直直流流电电动动机机的的物物理理模模型型，，F为为励励磁磁绕绕组组，，A为为电电枢枢绕绕组组，，C为为补补偿偿绕绕组组F和和C都都在在定定子子上上，，A在在转转子子上图 二极直流电动机的物理模型F—励磁绕组 A—电枢绕组 C—补偿绕组 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l把把F的轴线称作直轴或的轴线称作直轴或d轴，主磁通的方向就轴，主磁通的方向就是沿着是沿着d轴的；轴的；A和和C的轴线则称为交轴或的轴线则称为交轴或q轴l虽然电枢本身是旋转的，但由于换向器和电虽然电枢本身是旋转的，但由于换向器和电刷的作用，闭合的电枢绕组分成两条支路刷的作用，闭合的电枢绕组分成两条支路电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相同的。
同的 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动势当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在的轴线始终被电刷限定在q轴位置上，其效果轴位置上，其效果好象一个在好象一个在q轴上静止的绕组一样轴上静止的绕组一样l但它实际上是旋转的，会切割但它实际上是旋转的，会切割d轴的磁通而产轴的磁通而产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组不同生旋转电动势，这又和真正静止的绕组不同l把这种等效的静止绕组称作把这种等效的静止绕组称作“伪静止绕组伪静止绕组” 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消，或者由于其作用方向与消，或者由于其作用方向与d轴垂直而对主磁轴垂直而对主磁通影响甚微通影响甚微l所以直流电动机的主磁通基本上由励磁绕组所以直流电动机的主磁通基本上由励磁绕组的励磁电流决定，这是直流电动机的数学模的励磁电流决定，这是直流电动机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因型及其控制系统比较简单的根本原因 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l如如果果能能将将交交流流电电动动机机的的物物理理模模型型等等效效地地变变换换成成类类似似直直流流电电动动机机的的模模式式，，分分析析和和控控制制就就可可以大大简化。
以大大简化l坐标变换正是按照这条思路进行的坐标变换正是按照这条思路进行的l不不同同坐坐标标系系中中电电动动机机模模型型等等效效的的原原则则是是：：在在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l在在交交流流电电动动机机三三相相对对称称的的静静止止绕绕组组A、、B、、C中中，，通通以以三三相相平平衡衡的的正正弦弦电电流流，，所所产产生生的的合合成成磁磁动动势势是是旋旋转转磁磁动动势势F，，它它在在空空间间呈呈正正弦弦分分布布，，以以同同步步转转速速（（即即电电流流的的角角频频率率））顺顺着着A-B-C的相序旋转的相序旋转l任任意意对对称称的的多多相相绕绕组组，，通通入入平平衡衡的的多多相相电电流流，，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l三三相相变变量量中中只只有有两两相相为为独独立立变变量量，，完完全全可可以以也应该消去一相也应该消去一相l所所以以，，三三相相绕绕组组可可以以用用相相互互独独立立的的两两相相正正交交对对称称绕绕组组等等效效代代替替，，等等效效的的原原则则是是产产生生的的磁磁动势相等动势相等。
坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l所谓独立是指两相绕组间无约束条件所谓独立是指两相绕组间无约束条件l所谓对称是指两相绕组的匝数和阻值相等所谓对称是指两相绕组的匝数和阻值相等 l所谓正交是指两相绕组在空间互差所谓正交是指两相绕组在空间互差900 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路图6-3 三相坐标系和两相坐标系物理模型 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l两两相相绕绕组组，，通通以以两两相相平平衡衡交交流流电电流流，，也也能产生旋转磁动势能产生旋转磁动势l当当三三相相绕绕组组和和两两相相绕绕组组产产生生的的旋旋转转磁磁动动势势大大小小和和转转速速都都相相等等时时，，即即认认为为两两相相绕绕组与三相绕组等效，这就是组与三相绕组等效，这就是3/2变换 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l两两个个匝匝数数相相等等相相互互正正交交的的绕绕组组d、、q，，分分别别通通以以直直流流电电流流，，产产生生合合成成磁磁动动势势F，，其其位置相对于绕组来说是固定的位置相对于绕组来说是固定的l如如果果人人为为地地让让包包含含两两个个绕绕组组在在内内的的铁铁心心以以同同步步转转速速旋旋转转，，磁磁动动势势F自自然然也也随随之之旋旋转起来，成为旋转磁动势。
转起来，成为旋转磁动势l如如果果旋旋转转磁磁动动势势的的大大小小和和转转速速与与固固定定的的交交流流绕绕组组产产生生的的旋旋转转磁磁动动势势相相等等，，那那么么这这套套旋旋转转的的直直流流绕绕组组也也就就和和前前面面两两套套固固定的交流绕组都等效了定的交流绕组都等效了 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l当当观观察察者者也也站站到到铁铁心心上上和和绕绕组组一一起起旋旋转转时时，，在在他他看看来来，，d和和q是是两两个个通通入入直直流流而而相互垂直的静止绕组相互垂直的静止绕组l如如果果控控制制磁磁通通的的空空间间位位置置在在d轴轴上上，，就就和和直直流流电电动动机机物物理理模模型型没没有有本本质质上上的的区区别别了l绕绕组组d相相当当于于励励磁磁绕绕组组，，q相相当当于于伪伪静静止止的电枢绕组的电枢绕组 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路图图 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的物静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的物理模型理模型 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l三相绕组三相绕组A、、B、、C和两相绕组之间的和两相绕组之间的变换，称作三相坐标系和两相正交坐变换，称作三相坐标系和两相正交坐标系间的变换，简称标系间的变换，简称3/2变换。
变换lABC和两个坐标系中的磁动势矢量，和两个坐标系中的磁动势矢量，将两个坐标系原点重合，并使将两个坐标系原点重合，并使A轴和轴和轴重合 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组磁动势在磁动势在αβ轴上的投影应相等轴上的投影应相等 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）图6-5 三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势矢量 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l写成矩阵形式写成矩阵形式 l按照变换前后总功率不变，匝数比为按照变换前后总功率不变，匝数比为 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵矩阵 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称2/3变换）的变换矩阵变换）的变换矩阵 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l考虑到考虑到 l也可以写作也可以写作 l电压变换阵和磁链变换阵与电流变换阵相同电压变换阵和磁链变换阵与电流变换阵相同 静止两相静止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（2s/2r变换）变换） l从静止两相正交坐标系从静止两相正交坐标系αβ到旋转正到旋转正交坐标系交坐标系dq的变换，称作静止两相的变换，称作静止两相-旋转正交变换，简称旋转正交变换，简称2s/2r变换，其变换，其中中s表示静止，表示静止，r表示旋转，变换的原表示旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相等。
则同样是产生的磁动势相等 静止两相静止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（2s/2r变换变换）） 图图6-6 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢量磁动势矢量 静止两相静止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（2s/2r变换变换）） l旋转正交变换旋转正交变换l静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换阵变换阵 静止两相静止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（2s/2r变换）变换） l旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换阵变换阵 l电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同阵相同 1. 异步电机在两相任意旋转坐标系（dq坐标系）上的数学模型 两相坐标系可以是静止的，也可以是旋转的，其中以任意转速旋转的坐标系为最一般的情况，有了这种情况下的数学模型，要求出某一具体两相坐标系上的模型就比较容易了 • 变换关系 设两相坐标 d 轴与三相坐标 A 轴的夹角为 s ， 而 ps = dqs 为 d q 坐标系相对于定子的角转速，dqr 为 dq 坐标系相对于转子的角转速。
ABCFsdqssdq • 变换过程ABC坐标系 坐标系dq坐标系3/2变换C2s/2r （1）磁链方程 dq坐标系磁链方程[式（附3-8）]为 或写成 （6-103a） （6-103b） ——dq坐标系转子等效两相绕组的自感 式中—— dq坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感；—— dq坐标系定子等效两相绕组的自感； • 异步电机在两相旋转坐标系dq上的物理模型 dqsdqdrirdisdirqusddsqrqsurdurqusqisq图6-50 异步电动机在两相旋转坐标系dq上的物理模型 （2）电压方程 在附录3-2中得到的dq坐标系电压方程式[式（附3-3）和式（附3-4）]，略去零轴分量后，可写成 （6-104） 将磁链方程式（6-103b）代入式（6-104）中，得到 dq 坐标系上的电压—电流方程式如下 （6-105） 即得 （6-106a） 其中 ——电机转子角速度 （3）转矩和运动方程 dq坐标系上的转矩方程为 （6-107） 运动方程与坐标变换无关，仍为 （6-87） 1.3双馈风力发电机 一起看一个视频•保存在u盘中 2.1 直驱永磁风力发电机原理概述 •直驱式风力发电机组的风轮直接驱动发电机，主要由风轮、传动装置、发电机、控制系统等组成。
为了提高低速发电机效率，直驱式风力发电机组采用大幅度增加极对数（一般极数提高到100左右）来提高风能利用率，采用全功率变流器实现风力发电机的调速直驱永磁风力发电机组的最大特点是取消了升速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴，转子的转速随风速而改变，发电机发出的交流点频率也随之变化利用大功率电力电子变化器，可将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出控制逆变电流可以调节输出功率，从而改变电机转速，进而实现最大功率追踪由于风力机转速比较低，直驱永磁同步发电机的定子一般做成多级结构，转子采用永磁结构，省去了励磁绕组，消除了励磁损耗，从而提高了系统效率同时，转子侧没有滑环，增加了系统运行的安全性和可靠性这种机组的不足之处在于所用的永磁材料价格较高，而且变流器为全功率变流器，容量大、体积大、价格高，因此系统的成本比较高。