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1、双馈式风力发电机结构原理和功率研究摘要：文章详细介绍了双馈式风力发电机组的机构组成、 工作原理，分析了风力发电系统中双馈式风力发电机的工作 特性，详尽分析了含双馈式风力发电机的系统中功率的流向 以及流动过程。关键字：双馈式风力发电机、原理、功率The Strueture and Principle and Power Analysis of Doubly一Fed Induction GeneratorBai Wenjun(China Three Gorges University， College of Electrical Engineering & Renewable Energy , Y
2、ichang 443002 , China)ABSRTACT: This paper describe the structure and principle of the Doubly一Fed Induction Generator in detail ， and then analysis the operating characteris tics of the Doubly一Fed Indue tion Genera tor in the wind power generation system, at the last , analysis the flow and liquidit
3、y of the power system which contain the Doubly一Fed Induction Generator.Keywords :DoublyFed Induction Generator ，Strueture, Power0引言随着人们对可再生能源的重视和科学技术的进步，风电 正受到越来越多的关注，其在整个电力系统中所占的比重也 日益增加。众所周知，风电的产生正是通过风力推动桨叶转 动，同时带动发电机的转动，将风能转化为机械能从而产生 电能，然而，风速却不是恒定不变的，这就造成桨叶的转速 的不稳定，导致了发电机所发出的电能的电压和频率的波 动，因此，怎样使风力
4、发电机发出稳定的电能是困扰了人们 多年的问题。为了使风力发电系统能够发出稳定的电能，人们从多种 科学角度对风机进行了控制，包括：通过对风机采用变桨距 控制，改变风机的桨距角（即风机叶片与风轮平面的夹角）, 从而改变风机叶片的迎风角度，调整风机对风能的利用率的 方式；利用桨叶翼型的本身所具有的失速特性，让风机在风 速大于额定风速的情况下，利用气流的攻角增大到失速的条 件下，在桨叶的表面产生涡流，从而使风机的效率降低，由 此来限制发电机的输出功率的方式等等。随着双馈式发电机的出现及应用，其在很大程度上改善 了风力发电不稳定的情况，为风机并网运行做出了很大的贡 献。1双馈式风力发电机的结构双馈发电机
5、（DoublyFed Induction Generator,简 称DFIG）最初的设想来自于一位英国学者，是在自级联异步 电机的基础上发展出来的。其在结构上与绕线异步电机较为 类似，由于其转子和定子两部分都能馈入或馈出能量，因此 得名“双馈”，同时，由于双馈式发电机是通过转子来产生 交流磁场，所以，双馈式发电机也被形象的称为交流励磁发 电机。双馈式发电机的结构一般是由转子、定子和气隙三个组 成的。在双馈式电机定子的铁心上，均匀的分布着同形状的 凹槽，它的主要作用就是用来嵌入定子绕组，使得通过定子 的三相电流能够产生旋转磁场，同样，在转子中也有嵌入用 绝缘导线组成的三相绕组，如图1,从示意图中
6、可以清楚的 看到，转子上引出的三相线先连接到位于转轴上的集电环 上，然后再由电刷引出。一般情况下，定子是直接接到工频 电网上，而转子则通过变换器连接到电网上，以用于转子进 行交流励磁用。2双馈式风力发电机的原理在分析双馈式风力发电机的工作原理之前，先引入双馈 式电机交流励磁变速恒频发电系统，这样能更好的帮助我们 分析双馈式发电机在系统中是如何工作的以及其在整个系 统中的作用。图2所示即为双馈式发电机交流励磁变速恒频发电系统 的基本组成示意图。图的最左端为风机的桨叶，当桨叶通过 风力的推动转动时，连杆经过齿轮箱的变速后带动发电机转 动。当风速发生变化时，势必带动发电机的转速发生变化， 此时，可以
7、通过变频器有针对的控制输入到转子侧的励磁电 流的频率，来改变转子磁场的旋转速度，这样，就能使定子 侧感应出同步转速，将变速恒频发电变为现实。我们可以用 一个数学表达式来表示这种关系：(21)式中各符号意义如下：f为电网频率；fr为转子的电流频率；nm为发电机的机械转速；np为电机的极对数。发电机的机械角速度与电机的极对数np以及电角 速度com之间的关系为：wr=npwmo由以上关系式可以推 断，当发电机的转速发生变化时，即式2-1中的发生变化 时，要保持电网的频率不发生变化，我们可以通过控制转子 的电流频率，即fr来确保f恒定不变，达到变速恒频的目 的。当发电机的转速小于同步转速，即rcol
8、时，该发电 机处于超同步状态之下，在此状态下，同样通过励磁变换器, 转子回路向电网馈出电能，励磁变换器的能量方向与亚同步 状态下相反，同时，定子回路也向电网馈出电能；当发电机 的转速与同步转速相等，即r=o 1时，此时可以看作普通 的同步电机，式21中fr=O,变流器向转子提供直流励磁。3双馈式风力发电机的功率流向分析同样以变速恒频风力发电系统为例，在该系统中，发电 机的定子直接接入电网中，转子通过由两个背靠背的连接的 电压型PWM变换器组成的交直交变换器与电网相连。通过前 文的原理分析我们可以清楚的认识到，双馈电机工作的阶段 分为次同步和超同步两个阶段，再加上转子侧的转差功率的 传递方向的不同，我们可以把双馈发电机的功率分为四个不 同的状态，即超同步发电、超同步电动、次同步发电以及次 同步电动。为方便分析，我们将定子侧的功率定义为P1,转 子侧的转差功率定义为P2,电机的机械功率定义为PJ,同 时规定，若定子向电网输送电能，则P1为正，从电网吸收 电能，则P1为负；若转子向电网馈送电能，则P2为正，从 电网吸收电能，则P2为负；若电机吸收机械功率，则PJ为 正，输出机械功率，则PJ为负。四种状态下功率流向分析 如下：
