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20〜30%，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，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， 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(0
GE 1.5se雙饋式 感應發電機其運轉特性為：(1) 過同步運轉模式(Over-synchronousmode):以高於同步速度之轉速運轉*為高 風速時之運轉模式，發電機定子輸出75%電力，轉子則經由電力轉換器輸出約25% 之電力2) 同步運轉模式(Synchronous mode):以同步速度轉速運轉»在部分負載工作範 圍下，發電機定子負責輸出100%之電力3) 欠同步運轉模式(Sub-synchronousmode):以低於同步速度之轉速運轉»為低 風速時之運轉模式，在部分或輕負載工作範圍下，發電機定子負責100%之電力PropellerASlipringmy distributionQ“d bus513PI&Mid-Voltage Transformorcony cbline bus「otor busustator bus 1/V fbk Tacho tacho fbksraior sync 3w controlsystem cb control (trip)GE Power conversion1.5 MW Wind Converterrotor ov contactorline filterlineSlQC⑹system bus Ibtownd turbine ifoCANcpe nenetrs232 serial1enetgnd mofitochcai hmi& scad pcturbine control !erLaptop toolboxenet iGfiet switchpropretary protocol1丄I media convfiberopticfiber optic patk enet remote ccotrol and scada data collecl ondvar contra!圖二GE 1.5se型風力發電機基本結構圖InsulatorV：Hr♦匕Kotor u indingconneclions圖三 鏡線轉子感應發電機轉子之滑環(Slip rings)及碳刷(Carbon brush)三、DFIG交流勵磁變速恒頻之運行原理雙饋式感應發電機變速恒頻運行的原理可以用圖四來進一步說明。
圖四中nl為定子 旋轉磁場的轉速，即同步轉速；n2為轉子旋轉磁場相對於轉子的轉速；nr為轉子的轉速；fl、f2分別為發電機之定、轉子電流的頻率；P為繞線式轉子之極數(Pole)由電機 學的知識可知，雙饋式感應發電機在穩態運轉的時候，定子旋轉磁場和轉子旗轉磁場在 空間上保持相對靜止，即nl = n2 + nr因 nl=(120 fl) / P 及 n2=(120 f2) / P，故有(120 fl) / P = (120 f2) / P + nr所以fl = f2 + (P nr)/120從上式可知，當風力發電機轉子之轉速nr隨著風速的變化而變動時，可通過調節轉 子勵磁電流的頻率f2使定子輸出電力之頻率fl保持恒定，也就是與電力系統頻率一致， 即可實現風力發電機的變速恒頻運行當定子徒轉磁場以同步轉速旋轉時，轉子旋轉磁 場相對於轉子以轉差角頻率旋轉，感應電機於不計損耗的理想條件下有：Pr = s PsPg = Ps - Prs = (ns - nr) / ns其中，s為轉差率；ns為同步轉速；Ps為定子輸出電功率；Pr為輸入至轉子之電功 率；Pg為雙饋式感應發電機之輸出電功率PWH電力轉換器隨著風速的變化會自動進行 下列三種工作模式之切換：(1) 當轉子轉速低於同步轉速時：發電機處於欠同步運轉模式，轉子徙轉磁場疑 轉方向和轉子轉向相同，即f2 > 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 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 (maximum 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 MVJSlipd 1.5 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^xsoc§vco fbk ctrs discrete ms d^cretooutsINPUT MODULEEthernetCANOpenp\vm ctrs pwm (feadband (wn lockout IOC. laui dsat faUl vco fbk ctrsbus i«TFPGA的 m cus pwm