双馈式感应发电机(DFIG)说明
双馈风力发电机双PWM变换器控制及实现
Ps , Qs
Transformer 3
Pgrid , Qgrid
3
3
Pr , Qr
Capacitor
3
PWM converter
PWM converter
风为我控，引领未来
一、双馈发电机工作原理
2.双馈发电机特点
具有较好的转速适应能力，能实现变速恒频发电 具有独立的有功、无功调节能力
3.双馈发电机运行状态
亚同步转速运行(定、转子电流同相序) r 1 同步转速运行 f2 0
1 2 r
f 2 f1
r 1
f 2 f1
超同步转速运行(定、转子电流反相序)
Turbine
r 1
调节输入转子的电 流相序和频率时， 双馈电机便可以运 行在亚同步、同步 及超同步状态。
1 2 r
具有深度进相运行能力
具有良好的稳定运行能力 Turbine
Gearbox Wind DFIG
Ps , Qs
Transformer 3
Pgrid , Qgrid
3
3
Pr , Qr
Capacitor
3
PWM converter
PWM converter
风为我控，引领未来
一、双馈发电机工作原理
双馈风力发电机的工作原理
E′ I′ ⎪
⎪ ⎪ ⎨
.
=
2
.
⎛ ⎜ 2⎜ ⎝
R2′ s
+
jX
′
2
⎞ ⎟⎟⎠
⎪.
.
.
E E′ I ⎪
⎪
=
1
=−
2
(
m
jX
m
)
.
.
.
⎪⎩
I 1 = I ′2− I m
（3-6）
从等值电路和两组方程的对比中可以看出，双馈电机就是在普通绕线式转子电机
的转子回路中增加了一个励磁电源，恰恰是这个交流励磁电源的加入大大改善了
功功率，但是同时电机仍然要从电网吸收滞后的无功进行励磁。但是从图（3-4）
中可以看出在引入了转子励磁电压之后，定子电压和电流的相位发生了变化，因
此使得电机的功率因数可以调整，这样就大大改善了发电机的运行特性，对电力
系统的安全运行就有重要意义。
双馈发电机的功率传输关系
风力机轴上输入的净机械功率（扣除损耗后）为 Pmech ，发电机定子向电网输出的
P2
Pmech
机械功率
图（3-8）亚同步运行时双馈电机的功率流向示意图
综合超同步和亚同步两种运行状态可以得到下面的一般关系 Pmech 与 P1 的关系为 Pmech = (1− s)P1
P2 与 P1 的关系为 P2 = sP1
双馈式风力发电机结构原理及功率分析
双馈式风力发电机结构原理及功率分析
1 双馈式风力发电机的结构
双馈发电机（Doubly—Fed 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
双馈式电机交流励磁变速恒频发电系统图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。
n+(-)60f1/p=60f2/p
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f1来确保f2恒定不变，达到变速恒频的目的。
双馈风力发电机工作原理
-2-
U E I ⎧
⎪
.
.
.
=−
1
−
1
(1 R1 + jX1 )
⎪.
U ′ ⎪ E I ′ ′ ⎪
⎨
2 =− s
双馈电机的基本工作原理
设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为 p ,根据旋转磁场理
论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在 电机的气隙中形成一个旋转的磁场，这个旋转磁场的转速 n1 称为同步转速，
它与电网频率 f1 及电机的极对数 p 的关系如下：
n1
=
60 f1 p
双馈风力发电机工作原理讲义
本 章 的 主 要 内 容 是 讲 述 双 馈 感 应 发 电 机 （ Doubly-Fed Induction Generator，简称 DFIG）的工作原理及其励磁控制，我们通常所讲的双馈异步发 电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双 馈电机。双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其有独立的励磁绕组，可以 像同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机（Alternating Current Excitation Generator ACEG）也有称为异步化同步电机（Asynchronized Synchronous Generator）同步电机由于是直流励磁，其可调量只有一个电流的 幅值，所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量 有三个：一是可调节励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位 。 这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量，通过改变励磁频率，可改 变电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷突变时，可通过快速控制励 磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或者吸收负荷，对电网 扰动远比常规电机小。改变转子励磁的相位时，由转子电流产生的转子磁场 在气 隙 空 间 的 位 置 上 有 一 个 位 移 ，这就 改 变 了 发 电 机 电 势 与 电 网 电 压 相 量 的 相对位置，也就改变了电机的功率角。这说明电机的功率角也可以进行调节 。 所以交流励磁不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。交流励磁电机 之所以有这么多优点，是因为它采用的是可变的交流励磁电流。但是，实现 可变交流励磁电流的控制是比较困难的，本章的主要内容讲述一种基于定子 磁链定向的矢量控制策略，该控制策略可以实现机组的变速恒频发电而且可 以实 现 有 功 无 功 的 独 立 解 耦 控 制 ，当前 的 主 流 双 馈 风 力 发 电 机 组 均 是 采 用 此 种控制策略。
双馈风力发电机的工作原理
Pmech
机械功率
图（3-8）亚同步运行时双馈电机的功率流向示意图
综合超同步和亚同步两种运行状态可以得到下面的一般关系 Pmech 与 P1 的关系为 Pmech = (1− s)P1
P2 与 P1 的关系为 P2 = sP1
超同步时有 Pmech > P1 ，亚同步时有 Pmech < P1 双馈电机的数学模型
则 P2 < 0 ，转子向电网馈送电磁功率。
下面考虑发电机超同步和亚同步两种运行状态下的功率流向 （1）超同步运行状态，顾名思义，超同步就是转子转速超过电机的同步转速时 的一种运行状态，我们称之为正常发电状态。（因为对于普通的异步电机，当转 子转速超过同步转速时，就会处于发电机状态。）
电网
P1
Pmech
双馈风力发电机工作原理讲义
本 章 的 主 要 内 容 是 讲 述 双 馈 感 应 发 电 机 （ Doubly-Fed Induction Generator，简称 DFIG）的工作原理及其励磁控制，我们通常所讲的双馈异步发 电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双 馈电机。双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其有独立的励磁绕组，可以 像同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机（Alternating Current Excitation Generator ACEG）也有称为异步化同步电机（Asynchronized Synchronous Generator）同步电机由于是直流励磁，其可调量只有一个电流的 幅值，所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量 有三个：一是可调节励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位 。 这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量，通过改变励磁频率，可改 变电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷突变时，可通过快速控制励 磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或者吸收负荷，对电网 扰动远比常规电机小。改变转子励磁的相位时，由转子电流产生的转子磁场 在气 隙 空 间 的 位 置 上 有 一 个 位 移 ，这就 改 变 了 发 电 机 电 势 与 电 网 电 压 相 量 的 相对位置，也就改变了电机的功率角。这说明电机的功率角也可以进行调节 。 所以交流励磁不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。交流励磁电机 之所以有这么多优点，是因为它采用的是可变的交流励磁电流。但是，实现 可变交流励磁电流的控制是比较困难的，本章的主要内容讲述一种基于定子 磁链定向的矢量控制策略，该控制策略可以实现机组的变速恒频发电而且可 以实 现 有 功 无 功 的 独 立 解 耦 控 制 ，当前 的 主 流 双 馈 风 力 发 电 机 组 均 是 采 用 此 种控制策略。
双馈异步发电机原理
双馈异步发电机原理
双馈异步发电机（Double Fed Induction Generator，DFIG）是一种
常用于风力发电系统的电机。它具有一定的功率调节能力和较高的发
电效率，在现代能源领域得到广泛应用。本文将就双馈异步发电机的
原理进行介绍。
一、简介
双馈异步发电机由固定部分（定子）和旋转部分（转子）组成。定
子绕组中通以三相对称电流，形成旋转磁场，而转子通过刚性转子轴
与风力发电机的转动相连。定子与转子的耦合通过定子绕组和转子绕
组之间传递电流来实现。这就是为什么它被称为“双馈”发电机的原因。
二、工作原理
当双馈异步发电机以风力发电机的转动速度运转时，风轮带动发电
机旋转，同时将机械能转化为电能。定子的电压通过电网和电池汇流
条供电。为了实现双馈异步发电机的控制，定子绕组由逆变器供电，
逆变器通过电网进行功率调节，并使双馈异步发电机保持在最佳工作
状态。
三、主要特点
1. 调节能力：双馈异步发电机的电压和频率可以通过逆变器调节，
从而实现对功率输出的精确控制。这使得它在风能系统中成为一种理
想的发电机。
2. 高效性能：相比传统发电机，双馈异步发电机在输送能量时能够
减小电流的损耗，提高发电效率。
3. 提高动态响应：双馈异步发电机可以通过逆变器的调节来提高其
动态响应能力，使其能够更快速地适应变化的风速和负载。
4. 减少对电网的影响：双馈异步发电机可以通过逆变器来控制发电
功率，减少对电网的负荷影响，提高电网的稳定性和可靠性。
四、应用领域
双馈异步发电机在风力发电系统中得到广泛应用。其调节能力和高
效性能使其成为风能转换系统的核心组件。同时，双馈异步发电机也
双馈发电机工作原理
双馈发电机工作原理
双馈发电机（Doubly Fed Induction Generator，简称DFIG）是一种常见的风力发电机的类型，其工作原理基于异步电机的原理。DFIG是由一个转子和一个固定转子组成的，其中转子通常由铜或铝制成。
DFIG的工作原理如下：
1.转子：DFIG的主要部分是转子，它是由绕组组成的。绕组中的导线将电能传递给转子，以形成旋转磁场。旋转磁场通过与固定转子的磁场交互，产生电动势。转子上的绕组通常是属于定子的，即与固定转子的绕组相连。转子的绕组也被称为发电机侧的绕组。
2.固定转子：固定转子是固定在发电机的外部的，由静子绕组组成。静子绕组通常是三相绕组，其绕组与电网相连，接收来自电网的电能。静子绕组的电能由定子中的定子绕组接收，它们通过拖曳转子旋转磁场生成的电动势传输。定子绕组也被称为电网侧的绕组。
3.转子绕组：转子绕组是双馈发电机的关键组成部分之一、它有两个绕组：一个是通过滑环连接到固定转子的绕组，另一个是通过短路圈连接到直流环。这两个绕组可以使发电机在双馈模式和全功率模式之间切换。
当DFIG处于双馈模式时，转子的旋转磁场通过滑环绕组传递电动势到定子绕组，然后通过定子绕组传输到电网。这种方式下，电网接收到的电能比转子绕组输入的电能要大。
当DFIG处于全功率模式时，转子的旋转磁场通过短路圈绕组传递电动势到直流环绕组，然后通过直流环绕组传输到定子绕组。这种方式下，输出到电网的电能比输入到转子绕组的电能要大。
DFIG的双馈模式和全功率模式的切换是由电力电子装置控制的，这个装置通常被称为转子侧变流器。
双馈式、直驱式风力发电对比
双馈式、直驱式风力发电对比
双馈式与直驱式是变速恒频风力发电机组的两种主要机型，二者各有优势并相互竞争，同时它们在技术上也相互促进。双馈式风力发电机双馈异步风力发电机（DFIG，Double Fed Induction Generator）是一种绕线式感应发电机，双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了”柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。双馈式风力发电机具有以下优点：1、能控制无功功率，并通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制。2、双馈感应发电机无需从电网励磁，而从转子电路中励磁。3、它还能产生无功功率，并可以通过电网侧变流器传送给定子。直驱式风力发电机直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generators），是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。直驱式（无齿轮）风力发电机始于20多年前，由于电气技术和成本等原因，发展较慢。随着近几年技术的发展，其优势才逐渐凸现，丹麦、德国都是在该技术领域发展较为领先的国家，国内的永磁直驱技术也得到了飞速进步。直驱永磁风力发电机有以下优点：1、发电效率高：直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著。2、可靠性高：齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。同时，机组在低转速下运行，旋转部件较少，可靠性更高。3、运行及维护成本低：采用无齿轮直驱技术可减少风力发电机组零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。
双馈风力发电机双PWM变换器控制及实现
转子侧变流器要求
1
网侧变流器要求
二、双馈用变流器的要求及拓扑
1.双馈发电机用变流器的要求
1
二、双馈用变流器的要求及拓扑
2.双馈发电机用变流器的形式 ➢两电平电压型双PWM变流器 ➢多电平双P W M 变流器 ➢ 晶闸管相控交－交直接变流器 ➢矩阵式双PWM变流器 ➢钳位谐振双PWM变流器
1
二、双馈用变流器的要求及拓扑
5.双馈发电机能量流动关系
1
一、双馈发电机工作原理
5.双馈发电机能量流动关系
发电机转子能量是在电网和电机之间双向流动的，这也是双馈 发电机中“双馈”的本质。此外，接转子回路的变流器，即发 电机转子励磁的电源必须是一个能量能够双向流动的变流器。
1
二、双馈用变流器的要求及拓扑
1.双馈发电机用变流器的要求
双馈风力发电机双PWM变 换器控制及实现
主要内容
一、双馈发电机工作原理 二、双馈用变流器的要求及拓扑 三、转子侧PWM变流器及对DFIG控制 四、网侧PWM变流器及其控制 五、SVPWM变换技术原理 六、双PWM变流器的DFIG系统及设计 七、结论和讨论
1
一、双馈发电机工作原理
1.什么是双馈发电机
两电平电压型双PWM变流器 多电平双P W M 变流器 晶闸管相控交－交直接变流器 矩阵式双PWM变流器 钳位谐振双PWM变流器
双馈风力发电机原理
双馈风力发电机原理
双馈风力发电机(DFIG)是一种常用于风力发电系统的发电机类型。它采用双馈结构，具有高效、可靠和灵活的特点。本文将介绍双馈风力发电机的原理和工作方式。
一、双馈风力发电机的结构组成
双馈风力发电机主要由转子、定子和功率电子装置组成。转子由主转子和辅助转子构成，主转子装有定子绕组，辅助转子则利用功率电子装置与电网相连。
二、双馈风力发电机的工作原理
双馈风力发电机采用变频技术，可以自动调节发电机的转速和电网之间的电流和电压。当风能转换为机械能并带动风力发电机转动时，风力发电机通过转子将机械能转换为电能。双馈风力发电机的主要原理是利用定子绕组在电磁铁芯上产生磁场，通过主转子的转动，使得辅助转子携带的电流与主转子相互作用，从而产生电磁转矩。这一转矩通过主轴传递给风力发电机的转子，进而带动风力发电机旋转。这种旋转的力矩可以带动发电机的发电部分，将机械能转化为电能并输出到电网上。
三、双馈风力发电机的优点
1. 高效：双馈风力发电机通过使用变频技术，能够根据风力的变化自动调节风力发电机的转速，保持最佳的效率。
2. 可靠：双馈风力发电机采用双馈结构，辅助转子通过功率电子装置与电网相连，能够在故障情况下保持风力发电机的正常运行。
3. 灵活：双馈风力发电机能够实现无级变速，适应不同风力条件下的工作要求。
四、双馈风力发电机的应用
双馈风力发电机广泛应用于风力发电场。风力发电场中的风力发电机通常需要适应风速和风向的变化，而双馈风力发电机正是这样的一种装置。它不仅能够适应不同风力条件下的工作要求，还能够通过变频技术将电能高效地输送到电网上。
双馈式集电环
双馈式集电环
双馈式集电环（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）是一种风力发电机的主要组成部分，用于将风能转化为电能。以下是一些关于双馈式集电环的基本信息：
1. 结构：双馈式集电环由一个定子和一个转子组成。定子连接在风车的叶片上，而转子则连接在主轴上。当风车旋转时，叶片会切割磁力线，产生电流，这个电流通过定子流入地面，然后被转化为电能。
2. 工作原理：在双馈式集电环中，定子和转子都是线圈，都可以产生电流。当风车旋转时，转子的电流也会随之改变，从而改变定子的磁场，进一步调整发电机的输出功率，使其始终与风速的变化保持一致。
3. 优点：双馈式集电环的优点是能够有效地调整发电机的输出功率，使其始终与风速的变化保持一致，从而提高发电效率。此外，由于转子是连接在主轴上的，因此双馈式集电环也能够承受更大的风荷载。
4. 缺点：双馈式集电环的缺点是结构复杂，成本较高，而且需要定期维护和调整。
总的来说，双馈式集电环是一种非常有效的风力发电设备，但在使用时也需要注意其特性和限制。
双馈式感应发电机(DFIG)简介
未來風力發電機將朝大型化（單機裝置容量5~10MW）及離岸式（Offshore）發展，風力發電機技術之主流為無刷交流勵磁雙饋感應式發電機及永磁同步發電機兩大類變速恒頻風力發電技術。國內學術界及產業界應對變速恒頻交流勵磁雙饋發電機之相關技術投入更多資源，方能建立自主研發及維護之能力。
圖八GE 1.5se風力發電機之PLC控制架構圖
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旋轉的磁場，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旋轉時，在電機氣隙中形成一個同步旋轉的磁場是等效的。
双馈式感应发电机(DFIG)简介
圖六GE 1.5se DFIG之輸出與轉子頻率關係曲線
圖七 GE 1.5se電力轉換器之硬體架構圖
四、PWM電力轉換器
GE 1.5se風力發電機IGBT電力轉換器之硬體架構如圖七所示，電力轉換器之控制模組透過CAN Bus與Bachmann PLC連線，其控制核心為tms320vc33150 MHz之數位信號處理器（DSP），DSP 與週邊設備之邏輯信號連接是由現場可程式化邏輯閘陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)所規劃。電力轉換器之控制運算及程序需透過專用之規劃軟體編輯控制程式，再分別載入DSP及FPGA中。圖八為GE 1.5se風力發電機之PLC控制架構圖，圖中可看出塔架底部之Main Controller透過光纖網路(Ethernet)連接至機艙中之Nacelle Controller，再經由CAN_bus透過轉軸滑環(Rotor Slip Ring) 連接至輪轂(HUB)中之Pitch Controller，來控制三支葉片之旋角。
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。
双馈风力发电机的特点与功能分析
双馈风力发电机的特点与功能分析
摘要：风力是重要的清洁能源，风力所具备的可再生性以及无污染性使得其
受到广泛关注和应用，双馈发电机的并网控制方法和异步发电机相似，主要原理
是通过滑差率来调节负荷，发电机的转速和输出功率近似成线性关系，所以只要
保持发电机的转速和同步转速相接近就能实现并网。基于此，本文对双馈风力发
电机概述以及双馈式双馈风力发电机控制的措施进行了分析。
关键词：双馈风力发电机；概述；措施
1 双馈风力发电机概述
双馈感应发电机(DoublyFedInductionGenera-tor，DFIG)集同步发电特性和
异步发电特性于一体，可通过定子和转子向电网实现双向馈电。当前双馈风力发
电机大体可以分为同步电机好异步电机两类，实际应用中可以细分为鼠笼异步发
电机、双馈发电机、同步发电机以及永磁同步发电机。双馈风力发电机是一种绕
线式感应发电机，属于异步发电机。由于双馈异步电动机的定子绕组直接同电网
相连接，转子绕组通过变流器和电网连接，并由变频器实现对饶子绕组电源电压、相位以及频率和幅值的自动调控，因而在运行中，机组可以在不同的转速下维持
恒频发电。然而，虽然双馈发电机具备机械承受应力小、运行噪音小、变频器容
量小以及启动效率高的特点，但双馈发电机的电气损耗较大，还需配备齿轮箱，
造价较为昂贵。不过相比同步双馈风力发电机，双馈风力发电机能够更好的实现
电能稳定输出，实用性较强。
2 双馈式双馈风力发电机控制的措施
2.1 混合储能模块特性及控制策略
混合储能模块经响应速度为ms级的变流器与直流母线相连，可快速响应功
双馈风力发电机的工作原理
Pmech
机械功率
图（3-8）亚同步运行时双馈电机的功率流向示意图
综合超同步和亚同步两种运行状态可以得到下面的一般关系 Pmech 与 P1 的关系为 Pmech = (1− s)P1
P2 与 P1 的关系为 P2 = sP1
超同步时有 Pmech > P1 ，亚同步时有 Pmech < P1 双馈电机的数学模型
电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率 s 按转子转速小于同步转速为正 ， 参照异步电机的分析方法，可得双馈发电机的等效电路，如图（3-1） 所示 根据等效电路图，可得双馈发电机的基本方程式：
-2-
U E I ⎧
⎪
.
.
.
=−
1
−
1
(1 R1 + jX1 )
⎪.
U ′ ⎪ E I ′ ′ ⎪
⎨
2Βιβλιοθήκη Baidu=− s
功功率，但是同时电机仍然要从电网吸收滞后的无功进行励磁。但是从图（3-4）
中可以看出在引入了转子励磁电压之后，定子电压和电流的相位发生了变化，因
此使得电机的功率因数可以调整，这样就大大改善了发电机的运行特性，对电力
系统的安全运行就有重要意义。
双馈发电机的功率传输关系
风力机轴上输入的净机械功率（扣除损耗后）为 Pmech ，发电机定子向电网输出的
dfig 和 dfim的控制策略
双馈感应风力发电机（DFIG）和双馈异步风力发电机（DFIM）是两种常见的风力发电技术，它们的控制策略如下：
1. DFIG控制策略
DFIG控制策略的主要目的是控制发电机输出电压和频率，以使其与电网同步。具体而言，DFIG控制策略包括以下几个方面：
-速度控制：控制发电机转子的转速，以匹配电网的频率和电压。
-电流控制：控制发电机输出电流的大小和相位，以满足电网的功率和电压要求。
-功率控制：控制发电机输出功率的大小和相位，以满足电网的负载需求。
-并网控制：控制发电机并网点的电压和频率，以保证与电网的同步运行。
2. DFIM控制策略
DFIM控制策略的主要目的是控制发电机输出电压和频率，以使其与电网同步，并保证系统的稳定性和可靠性。具体而言，DFIM控制策略包括以下几个方面：
-电压控制：控制发电机输出电压的大小和相位，以满足电网的功率和电压要求。
-频率控制：控制发电机输出频率的大小和变化率，以匹配电网的频率和电压。
-功率控制：控制发电机输出功率的大小和相位，以满足电网的负载需求。
-并网控制：控制发电机并网点的电压和频率，以保证与电网的同步运行。
此外，DFIM还需要进行转子电流控制，以防止过大的转子电流对电机造成损害。在DFIM 中，转子电流控制通常采用矢量控制方法，即通过控制电流的大小和相位来实现转子磁场的精确控制。
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双馈式感应发电机（DFIG）简介
大明
双馈电机（或称为交流励磁电机），它早在四十年代就已经出现。随着电力电子技术和数字控制技术的发展，双馈电机在电气性能方面所具有的一系列优点和巨大的潜力，已经引起国外的高度重视。双馈式感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG) 使用绕线式转子，由于电力可经由转子侧之电力转换器双向流动，因此发电机馈入电力系统的界面同时包括定子侧（Line side）及转子侧（Rotor side），其电力转换器功率仅为发电机额定功率之20~30%，故成本较低，而且发电机可变速围可达同步转速之±30%，因此性能/价格比值最高，为目前大型风力发电机中最普遍采用之组态。全球前10大风力发电机制造商的产品中有六成以上的变速风力发电机采用双馈式感应发电机，本文将介绍双馈式感应发电机的基本原理与特性。
一、双馈式感应发电机（DFIG）基本原理
双馈式感应发电机（DFIG）是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机，其转子具有三相励磁绕组结构。当通以某一频率（转差频率）的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场所对应的转速等于同步转速，则在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，在定子侧感应出同步频率的感应电势。从定子侧看，这与同步发电机直流励磁的转子以同步转速旋转时，在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是等效的。
双馈式感应发电机与一般感应发电机不同之处在于联接其转子侧之PWM脉宽调变电力转换器具有四象限之运转能力，电力转换器提供低频（转差频率）的交流电流(或电压)进行励磁，调节励磁电流(或电压)的幅值、频率、相位，来实现定子恒频恒压输出，其定子输出特性与同步发电机十分类似，所以有一些文献指出，双馈式感应发电机可以视为同步发电机与感应发电机之综合体。
从能量流动的特性来看，与采用直流励磁的同步发电机相比，同步发电机励磁的可调量只有直流励磁电流的幅值一个，所以同步发电机励磁一般只能对无效功率进行调节，而双馈式感应发电机，其励磁的可调量除了励磁电流的幅值外，还有励磁电流的频率和相位。通过改变励磁电流的频率可以改变发电机的转速，达到调速的目的；通过改变励磁电流的相位，来改变发电机的空载电势与电力系统电压向量之间的相对位置，从而改变发电机的功率角，可以调节发电机的有效功率。
一般感应电机(异步电机) : (1)在转子转速低于同步转速时，处于电动工作状态， (2)当转子转速高于同步转速时，处于发电工作状态，而对于双馈式电机来说，除了上述两种工作状态之外，还具有另外两种工作状态 : (3)欠同步发电工作状态， (4)过同步电动工作状态。双馈式感应发电机之欠同步与过同步转速发电时之功率流向分别如图一(a)及图一(b)所示。其中，s为转差率，Ps为DFIG定子输出功率，Pg为DFIG输出至电力系统之功率。
图一(a) 欠同步转速发电(0 图一(b) 过同步转速发电(s<0) 之功率流向 二、双馈式感应电机之运转特性 GE 1.5se 型风力发电机之基本结构如图二，风力发电机由一具有绕线转子(wound rotor) 之感应发电机、滑环(slip rings) 如图三、转子回路上之AC-DC-AC PWM电力转换器以及先进的电子控制器所组成。GE1.5se 型双馈式感应发电机之同步转速为每分钟1200 转(rpm)，且有一变频电力转换器与发电机转子连接可使发电机之转速固定于800 至1600 rpm 之围，产生稳定60Hz 之高质量输出。 于风速超过14m/s时转速固定于1440 rpm，发电机输出可达额定值1500KW。由于仅转子回路中约 20%~30%之输出电力须经AC-DC -AC 转换器之调变，不似Gearless Type 风力发电机中所有之输出电力均须调变，因此调变所产生之损失明显减少，电力转换器所占之空间与重量亦显著降低，在其额定容量之运转效率可达97%以上。GE 1.5se双馈式感应发电机其运转特性为： （1）过同步运转模式(Over-synchronous mode)：以高于同步速度之转速运转，为高风速时之运转模式，发电机定子输出75%电力，转子则经由电力转换器输出约25% 之电力。 （2）同步运转模式(Synchronous mode)：以同步速度转速运转，在部分负载工作围下，发电机定子负责输出100%之电力。 （3）欠同步运转模式 (Sub-synchronous mode)：以低于同步速度之转速运转，为低风速时之运转模式，在部分或轻负载工作围下，发电机定子负责100%之电力输 出。 图二 GE 1.5se 型风力发电机基本结构图 图三绕线转子感应发电机转子之滑环(Slip rings)及碳刷（Carbon brush） 三、DFIG交流励磁变速恒频之运行原理 双馈式感应发电机变速恒频运行的原理可以用图四来进一步说明。图四中n1为定子旋转磁场的转速，即同步转速；n2为转子旋转磁场相对于转子的转速；nr为转子的转速； f1、f2分别为发电机之定、转子电流的频率；P为绕线式转子之极数（Pole）。由电机学的知识可知，双馈式感应发电机在稳态运转的时候，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止，即 n1 = n2 + nr 因 n1=(120 f1) / P及 n2=(120 f2) / P，故有 (120 f1) / P = (120 f2) / P + nr 所以 f1 = f2 + (P nr)/120 从上式可知，当风力发电机转子之转速nr随着风速的变化而变动时，可通过调节转子励磁电流的频率f2使定子输出电力之频率f1保持恒定，也就是与电力系统频率一致，即可实现风力发电机的变速恒频运行。当定子旋转磁场以同步转速旋转时，转子旋转磁场相对于转子以转差角频率旋转，感应电机于不计损耗的理想条件下有： Pr = s Ps Pg = Ps - Pr s = (ns – nr) / ns 其中，s为转差率；ns为同步转速；Ps为定子输出电功率；Pr为输入至转子之电功率；Pg为双馈式感应发电机之输出电功率。PWM电力转换器随着风速的变化会自动进行下列三种工作模式之切换： （1）当转子转速低于同步转速时：发电机处于欠同步运转模式，转子旋转磁场旋转方向和转子转向相同，即f2 > 0，此时转差率s > 0故Pr > 0，PWM电力 转换器向发电机转子输入有效功率并提供发电机转子正相序励磁。 （2）当转子转速高于同步转速时：发电机处于过同步运转模式，转子旋转磁场旋转方向和转子转向相反，即f2 < 0，此时转差率s < 0故Pr < 0，PWM电力 转换器输出有效功率至电力系统并提供发电机转子负相序励磁。 （3）当转子转速等于同步转速时：发电机处于同步运转模式，转子不需提供旋转磁场，即f2 = 0，此时转差率s = 0故Pr = 0， PWM电力转换器向发电机 转子提供直流励磁。 图五为GE 1.5se DFIG之输出与转速关系曲线，图中可看出当转子转速低于同步转速时，PWM电力转换器向发电机转子输入有效功率；当转子转速高于同步转速时，发电机转子向PWM电力转换器输出有效功率。图六为GE 1.5se DFIG之输出与转子频率关系曲线。