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1、雙饋式感應發電機（DFIG）簡介劉大明雙饋電機（或稱為交流勵磁電機），它早在四十年代就已經出現。隨著電力電子技術和數 位控制技術的發展，雙饋電機在電氣性能方面所具有的一系列優點和巨大的潛力，已經引起國內 外的高度重視。雙饋式感應發電機（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）使用繞線 式轉子，由於電力可經由轉子側之電力轉換器雙向流動，因此發電機饋入電力系統的界 面同時包括定子側（Line side）及轉子側（Rotor side），其電力轉換器功率僅為發電 機額定功率之2030%，故成本較低，而且發電機可變速範圍可達同步轉速之30%，因此 性能/價格比值最高，
2、為目前大型風力發電機中最普遍採用之組態。全球前10大風力發 電機製造商的產品中有六成以上的變速風力發電機採用雙饋式感應發電機，本文將介紹 雙饋式感應發電機的基本原理與特性。一 雙饋式感應發電機（DFIG）基本原理雙饋式感應發電機（DFIG）是在同步發電機和非同步發電機的基礎上發展起來的一 種新型發電機，其轉子具有三相勵磁繞組結構。當通以某一頻率（轉差頻率）的交流電 時，就會產生一個相對轉子旗轉的磁場，轉子的實際轉速加上交流勵磁產生的旋轉磁場 所對應的轉速等於同步轉速，則在電機氣隙中形成一個同步旋轉磁場，在定子側感應出 同步頻率的感應電勢。從定子側看，這與同步發電機直流勵磁的轉子以同步轉速旌轉時
3、， 在電機氣隙中形成一個同步旋轉的磁場是等效的。雙饋式感應發電機與一般感應發電機不同之處在於聯接其轉子側之PWM脈寬調變電 力轉換器具有四象限之運轉能力，電力轉換器提供低頻（轉差頻率）的交流電流（或電壓） 進行勵磁，調節勵磁電流（或電壓）的幅值、頻率、相位，來實現定子恒頻恒壓輸出，其 定子輸出特性與同步發電機十分類似，所以有一些文獻指出，雙饋式感應發電機可以視 為同步發電機與感應發電機之綜合體。從能量流動的特性來看，與採用直流勵磁的同步發電機相比，同步發電機勵磁的可 調量只有直流勵磁電流的幅值一個，所以同步發電機勵磁一般只能對無效功率進行調 節，而雙饋式感應發電機，其勵磁的可調量除了勵磁電流的
4、幅值外，還有勵磁電流的頻 率和相位。通過改變勵磁電流的頻率可以改變發電機的轉速，達到調速的目的；通過改 變勵磁電流的相位，來改變發電機的空載電勢與電力系統電壓向量之間的相對位置，從 而改變發電機的功率角，可以調節發電機的有效功率。一般感應電機（非同步電機）：（1）在轉子轉速低於同步轉速時，處於電動工作狀態， （2）當轉子轉速高於同步轉速時，處於發電工作狀態，而對於雙饋式電機來說，除了上 述兩種工作狀態之外，還具有另外兩種工作狀態：（3）欠同步發電工作狀態，（4）過同 步電動工作狀態。雙饋式感應發電機之欠同步與過同步轉速發電時之功率流向分別如圖 一（a）及圖一（b）所示。其中，s為轉差率，Ps為
5、DFIG定子輸出功率，Pg為DFIG輸出至 電力系統之功率。圖一(a)欠同步轉速發電(0sl)之功率流向圖一(b)過同步轉速發電(s 0，此時轉差率s 0故Pr 0 PWM電力 轉換器向發電機轉子輸入有效功率並提供發電機轉子正相序勵磁。(2) 當轉子轉速高於同步轉速時：發電機處於過同步運轉模式，轉子徙轉磁場疑轉方向和轉子轉向相反，即f2 0 *此時轉差率s 0故Pr 0，PWM電力轉換器輸出有效功率至電力系統並提供發電機轉子負相序勵磁。(3) 當轉子轉速等於同步轉速時：發電機處於同步運轉模式，轉子不需提供旋轉 磁場，即f2 = 0,此時轉差率s = 0故Pr = 0，PWM電力轉換器向發電機
6、轉子提供直流勵磁。圖五為GE 1.5se DFIG之輸出與轉速關係曲線，圖中可看出當轉子轉速低於同步轉 速時，PWM電力轉換器向發電機轉子輸入有效功率；當轉子轉速高於同步轉速時，發電機 轉子向PWM電力轉換器輸出有效功率。圖六為GE 1.5se DFIG之輸出與轉子頻率關係曲 線ODFIG圖四 雙饋戚應發電機之交流勵磁變速恒頻運行原理Grid Power vs. Generator SpeedSpeed (RPM)1800 rpm (minimum speed)11200 rpm (synchronous spwd)I1440 rpm (nominal spxd)11600 rpm (maxi
7、mum speed)圖五 GE L5se DFIG之输出與轉速關係曲線十60 Hz3X Stator VoltsatO RPMRotor Volts3X Stator Voltsat 2400 RPM1.730 MVJSlipd1.5 MW Rotor FrequencyHertzRotor Speed 0RPM圖六AEAAPower575 VI A l|/1 / I /I-60 HzII-12-208001200I144016002400RPMRPMRPMRPMRPMGE 1.5se DFIG之輸出與轉子頻率關係曲線xsocvco fbk ctrs discrete ms dcretoout
8、sINPUT MODULEEthernetCANOpenpvm ctrs pwm (feadband (wn lockout IOC. laui dsat faUl vco fbk ctrsbus iTFPGA的 m cus pwm feodband (wn loctoul icc. di.dt fadt dsat fault vco fbk ctrsRS-232see回 PWserial uarttachometer feedbacktocho fbkUACCtochodrsCONVERTER CONTROLLEROUTPUTROTORAEBI-2 MODULECONVERTERAEBI-1OUTPUT MODULEiqbt gate amp IAEBM A1shunl Al |igbt g 妣 o 而AEBM B1| igbt ms amp |AEBM C1shunt Cl 1shunl Bl ILINE圖七GE 1.5se力轉換器之硬it架構圖IGBTIGBTCONVERTER
