双馈风力发电机
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发电机定子侧电压电流的正方向按发电机惯例，转子侧电压电流的正方向按电动机惯例，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：
（3-5）
式中：
、 分别为定子侧的电阻和漏抗
、 分别为转子折算到定子侧的电阻和漏抗
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：一是可调节的励磁电流幅值；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，可改变发电机的转速，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，释放或吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小。
从矢量图中可以看出，对于传统的绕线式转子电机，当运行的转差率s和转子参数确定后，定转子各相量相互之间的相位就确定了，无法进行调整。即当转子的转速超过同步转速之后，电机运行于发电机状态，此时虽然发电机向电网输送有功功率，但是同时电机仍然要从电网中吸收滞后的无功进行励磁。但从图3-4中可以看出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。
双馈风力发电机
鲍立刚
电机0901班
130609107
关键词：双馈发电机、ABB变频器、
引言：电机是利用电磁感应原理工作的机械。随着生产的发展而发展的，反过来，电机的发展又促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电机的基本结构变化不大，但是电机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电机的理论基础上又发展出许多种类的控制电机，控制电机具有高可靠性﹑好精确度﹑快速响应的特点，已成为电机学科的一个独立分支。
若双馈风力发电机转子的旋转速度为nr，转子外加励磁电源产生的旋转磁场相对于转子的旋转速度为n2，定子同步磁场的旋转速度为n,，他们之间的关系为n,=n2+ n,因f=n, /60及人二n2 /60，故有nr /60+人=f。
从上式可知，当发电机转速nr变化时，可通过调节转子励磁电流频率人保持定子输出电流频率厂恒定，这是变速恒频运行的原理。当发电机次同步运行时，f >0转子绕组电流相序与定子相同;当发电机超同步运行时，人<0，转子绕组电流相序与定子相反;当发电机同步速运行时，f =0，转子进行直流励磁。
双馈发电机(doubly-fed induction generator，简称DFIG)在结构上类似绕线式异步电机，具有定、转子两套绕组。在控制中，DFIG转子一般由接到电网上的变频器进行交流励磁。变频器对转子回路电流实现频率、幅值和相位的调节，起到了励磁电源的作用。同步发电机励磁电流的可调量只有幅值，所以一般只能调节无功功率。而DFIG实行交流励磁，可调量有三个:励磁电流幅值、励磁电流频率以及励磁电流相位。由于DFIG励磁电流的可调量比同步发电机多了两个，使其在控制上更加灵活。可实现变速恒频运行、有功无功解祸等。
(1)研究各种提高双馈机不间断运行能力的措施，以缓解双馈机暂态过程中出现的过电流、过电压问题，提高风电场及电网的运行稳定性。
(2)研究各种暂态控制条件下双馈机的切除策略。
(3)研究系统故障时保证转子不超速，继续运行一定时间以提高故障穿越能
力的控制方法。
开发的变频器的根本目的并非为了节能，主要是交流传动代替直流传动，并满足过程化控制的要求。变频器技术是当今自动化技术中比较成熟、比较先进的技术，是电力技术、微电子技术、控制技术高度发展的产物。变频器的主要工作原理是:通过微电子器件、电力电子器件和控制技术，将供给电机定子的工频交流电源经过二极管整流成直流，再由IGBT等逆变为频率和电压都可调的交流电源，此电源再拖动电机和负载。
一、
设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为 ，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 称为同步转速，它与电网频率 及电机的极对数 的关系如下：
（3-1）
同样在转子三相对称绕组上通入频率为 的三相对称电流，所产生旋转磁场相对于转子本身的旋转速度为：
（3-2）
由式3-2可知，改变频率 ，即可改变 ，而且若改变通入转子三相电流的相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此，若设 为对应于电网频率为50Hz时双馈发电机的同步转速，而 为电机转子本身的旋转速度，则只要维持 ，见式3-3，则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持为 不变。
它应用广泛，种类繁多。性能各异，分类方法也很多。电机常用的分类方法主要有两种：一种是按功能用途分，可分为发电机﹑电动机，变压器和控制电机四大类。
在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单﹑调节性能好﹑耗损小﹑经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。
ABB 变频器
ABB集团是世界知名的技术集团之一。ABB传动装置的功率范围从0.12KW—4300KW，广泛应用于水泵、风机、传送带、压缩机和起重机等。ABB通用变频器的核心技术是目前最先进的异步电动机变频调速控制方式直接转矩控制（DTC）和被称为部件传动理念的COMP— ，最大的特点是通用型和专用型兼备，模块化特征显著，软件丰富，具有多种可供选择的用于选型、调试和维护的软件工具，它的自定义编程方式具有独到之处。直接转矩控制技术和自定义编程是ABB通用变频器的独到技术之一也是它的核心技术。
(1)允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组的运行效率。
(2)调节励磁电流幅值和相位，可调节发出的有功和无功功率。应用矢量控制可实现有功和无功功率的独立调节。
(3)变频器wk.baidu.com功率仅为电机额定容量的一部分，使变频器装置体积减小，成本降低，投资减小。
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移，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调节无功功率，还可以调节有功功率。
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。
交一直一交变频器为双PWM换流器，可实现四象限运行。电网侧换流器的主要任务是保证电流波形功率因数满足要求以及保证直流母线电压的稳定，转子侧换流器的主要任务是调节有功功率，实现最大风能捕获以及为转子回路提供励磁，调节定子无功功率。风轮机采用变桨距控制，当风速小于额定风速时，桨叶节距角基本为0度，当风速增加到大于额定风速时，变桨距装置动作，桨叶节距角逐渐变大，将发电机的输出功率限制在额定功率附近。
为激磁电抗
、 、 分别为定子侧电压、感应电势和电流
、 分别为转子侧感应电势，转子电流经过频率和绕组折算后折算到定子侧的值。
转子励磁电压经过绕组折算后的值， 为 再经过频率折算后的值。
普通的绕线转子电机的转子侧是自行闭合的，
根据基尔霍夫电压电流定律可以写出普通绕线式转子电机的基本方程式：
（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双馈电机的调节特性，使双馈电机表现出较其它电机更优越的一些特性。下面我们根据两种电机的基本方程画出各自的矢量图，从矢量图中说明引入转子励磁电源对有功和无功的影响。
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。
正文：
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，但是由于其具有独立的励磁绕组，可以象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，也有称为异步化同步电机。
3.同步运行状态：在此种状态下 ，转差频率 ，这表明此时通入转子绕组的电流频率为0，也即直流电流，与普通的同步电机一样。
下面从等效电路的角度分析双馈电机的特性。首先，作如下假定：
1.只考虑定转子的基波分量，忽略谐波分量
2.只考虑定转子空间磁势基波分量
3.忽略磁滞、涡流、铁耗
4.变频电源可为转子提供能满足幅值、频率、功率因数要求的电源，不计其阻抗和损耗。
根据双馈电机转子转速的变化，双馈发电机可有以下三种运行状态：
1.亚同步运行状态：在此种状态下 ，由转差频率为 的电流产生的旋转磁场转速 与转子的转速方向相同，因此有 。
2.超同步运行状态：在此种状态下 ，改变通入转子绕组的频率为 的电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速 与转子的转速方向相反，因此有 。
（3-3）
双馈电机的转差率 ，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为：
（3-4）
公式3-4表明，在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率（即 ）的电流，则在双馈电机的定子绕组中就能产生50Hz的恒频电势。所以根据上述原理，只要控制好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电了。
随着风电装机容量的不断增大和并网电压等级的不断提高，并网风电机组对电网的影响将不可忽视。本文以双馈风力发电机组为研究对象，对双馈机组的静态、暂态运行特性进行了理论与仿真分析，并在此基础上模拟了双馈风力发电机组随风速变化由次同步运行到超同步运行的演变过程，详细分析了其内在的机械、电气关系。
正因如此，使得交流励磁双馈发电机成为变速恒频风力发电领域的主流发电机。目前多个国家的电网对并网风电机组提出了更高的要求，如有功功率控制能力、无功电压调整能力以及故障穿越能力等，这就需要对风电机组的运行特性及其对电网的影响进行全面的研究。对于双馈风力发电机组的研究，还可以继续在以下方面展开:
交一直一交变频器为双PWM换流器，可实现四象限运行。电网侧换流器的主要任务是保证电流波形功率因数满足要求以及保证直流母线电压的稳定，转子侧换流器的主要任务是调节有功功率，实现最大风能捕获以及为转子回路提供励磁，调节定子无功功率。风轮机采用变桨距控制，当风速小于额定风速时，桨叶节距角基本为0度，当风速增加到大于额定风速时，变桨距装置动作，桨叶节距角逐渐变大，将发电机的输出功率限制在额定功率附近。由此可见双馈异步发电机有如下优点:
根据等效电路图，可得双馈发电机的基本方程式：
（3-5）
式中：
、 分别为定子侧的电阻和漏抗
、 分别为转子折算到定子侧的电阻和漏抗
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：一是可调节的励磁电流幅值；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，可改变发电机的转速，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，释放或吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小。
从矢量图中可以看出，对于传统的绕线式转子电机，当运行的转差率s和转子参数确定后，定转子各相量相互之间的相位就确定了，无法进行调整。即当转子的转速超过同步转速之后，电机运行于发电机状态，此时虽然发电机向电网输送有功功率，但是同时电机仍然要从电网中吸收滞后的无功进行励磁。但从图3-4中可以看出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。
双馈风力发电机
鲍立刚
电机0901班
130609107
关键词：双馈发电机、ABB变频器、
引言：电机是利用电磁感应原理工作的机械。随着生产的发展而发展的，反过来，电机的发展又促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电机的基本结构变化不大，但是电机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电机的理论基础上又发展出许多种类的控制电机，控制电机具有高可靠性﹑好精确度﹑快速响应的特点，已成为电机学科的一个独立分支。
若双馈风力发电机转子的旋转速度为nr，转子外加励磁电源产生的旋转磁场相对于转子的旋转速度为n2，定子同步磁场的旋转速度为n,，他们之间的关系为n,=n2+ n,因f=n, /60及人二n2 /60，故有nr /60+人=f。
从上式可知，当发电机转速nr变化时，可通过调节转子励磁电流频率人保持定子输出电流频率厂恒定，这是变速恒频运行的原理。当发电机次同步运行时，f >0转子绕组电流相序与定子相同;当发电机超同步运行时，人<0，转子绕组电流相序与定子相反;当发电机同步速运行时，f =0，转子进行直流励磁。
双馈发电机(doubly-fed induction generator，简称DFIG)在结构上类似绕线式异步电机，具有定、转子两套绕组。在控制中，DFIG转子一般由接到电网上的变频器进行交流励磁。变频器对转子回路电流实现频率、幅值和相位的调节，起到了励磁电源的作用。同步发电机励磁电流的可调量只有幅值，所以一般只能调节无功功率。而DFIG实行交流励磁，可调量有三个:励磁电流幅值、励磁电流频率以及励磁电流相位。由于DFIG励磁电流的可调量比同步发电机多了两个，使其在控制上更加灵活。可实现变速恒频运行、有功无功解祸等。
(1)研究各种提高双馈机不间断运行能力的措施，以缓解双馈机暂态过程中出现的过电流、过电压问题，提高风电场及电网的运行稳定性。
(2)研究各种暂态控制条件下双馈机的切除策略。
(3)研究系统故障时保证转子不超速，继续运行一定时间以提高故障穿越能
力的控制方法。
开发的变频器的根本目的并非为了节能，主要是交流传动代替直流传动，并满足过程化控制的要求。变频器技术是当今自动化技术中比较成熟、比较先进的技术，是电力技术、微电子技术、控制技术高度发展的产物。变频器的主要工作原理是:通过微电子器件、电力电子器件和控制技术，将供给电机定子的工频交流电源经过二极管整流成直流，再由IGBT等逆变为频率和电压都可调的交流电源，此电源再拖动电机和负载。
一、
设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为 ，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 称为同步转速，它与电网频率 及电机的极对数 的关系如下：
（3-1）
同样在转子三相对称绕组上通入频率为 的三相对称电流，所产生旋转磁场相对于转子本身的旋转速度为：
（3-2）
由式3-2可知，改变频率 ，即可改变 ，而且若改变通入转子三相电流的相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此，若设 为对应于电网频率为50Hz时双馈发电机的同步转速，而 为电机转子本身的旋转速度，则只要维持 ，见式3-3，则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持为 不变。
它应用广泛，种类繁多。性能各异，分类方法也很多。电机常用的分类方法主要有两种：一种是按功能用途分，可分为发电机﹑电动机，变压器和控制电机四大类。
在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单﹑调节性能好﹑耗损小﹑经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。
ABB 变频器
ABB集团是世界知名的技术集团之一。ABB传动装置的功率范围从0.12KW—4300KW，广泛应用于水泵、风机、传送带、压缩机和起重机等。ABB通用变频器的核心技术是目前最先进的异步电动机变频调速控制方式直接转矩控制（DTC）和被称为部件传动理念的COMP— ，最大的特点是通用型和专用型兼备，模块化特征显著，软件丰富，具有多种可供选择的用于选型、调试和维护的软件工具，它的自定义编程方式具有独到之处。直接转矩控制技术和自定义编程是ABB通用变频器的独到技术之一也是它的核心技术。
(1)允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组的运行效率。
(2)调节励磁电流幅值和相位，可调节发出的有功和无功功率。应用矢量控制可实现有功和无功功率的独立调节。
(3)变频器wk.baidu.com功率仅为电机额定容量的一部分，使变频器装置体积减小，成本降低，投资减小。
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移，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调节无功功率，还可以调节有功功率。
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。
交一直一交变频器为双PWM换流器，可实现四象限运行。电网侧换流器的主要任务是保证电流波形功率因数满足要求以及保证直流母线电压的稳定，转子侧换流器的主要任务是调节有功功率，实现最大风能捕获以及为转子回路提供励磁，调节定子无功功率。风轮机采用变桨距控制，当风速小于额定风速时，桨叶节距角基本为0度，当风速增加到大于额定风速时，变桨距装置动作，桨叶节距角逐渐变大，将发电机的输出功率限制在额定功率附近。
为激磁电抗
、 、 分别为定子侧电压、感应电势和电流
、 分别为转子侧感应电势，转子电流经过频率和绕组折算后折算到定子侧的值。
转子励磁电压经过绕组折算后的值， 为 再经过频率折算后的值。
普通的绕线转子电机的转子侧是自行闭合的，
根据基尔霍夫电压电流定律可以写出普通绕线式转子电机的基本方程式：
（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双馈电机的调节特性，使双馈电机表现出较其它电机更优越的一些特性。下面我们根据两种电机的基本方程画出各自的矢量图，从矢量图中说明引入转子励磁电源对有功和无功的影响。
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。
正文：
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，但是由于其具有独立的励磁绕组，可以象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，也有称为异步化同步电机。
3.同步运行状态：在此种状态下 ，转差频率 ，这表明此时通入转子绕组的电流频率为0，也即直流电流，与普通的同步电机一样。
下面从等效电路的角度分析双馈电机的特性。首先，作如下假定：
1.只考虑定转子的基波分量，忽略谐波分量
2.只考虑定转子空间磁势基波分量
3.忽略磁滞、涡流、铁耗
4.变频电源可为转子提供能满足幅值、频率、功率因数要求的电源，不计其阻抗和损耗。
根据双馈电机转子转速的变化，双馈发电机可有以下三种运行状态：
1.亚同步运行状态：在此种状态下 ，由转差频率为 的电流产生的旋转磁场转速 与转子的转速方向相同，因此有 。
2.超同步运行状态：在此种状态下 ，改变通入转子绕组的频率为 的电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速 与转子的转速方向相反，因此有 。
（3-3）
双馈电机的转差率 ，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为：
（3-4）
公式3-4表明，在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率（即 ）的电流，则在双馈电机的定子绕组中就能产生50Hz的恒频电势。所以根据上述原理，只要控制好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电了。
随着风电装机容量的不断增大和并网电压等级的不断提高，并网风电机组对电网的影响将不可忽视。本文以双馈风力发电机组为研究对象，对双馈机组的静态、暂态运行特性进行了理论与仿真分析，并在此基础上模拟了双馈风力发电机组随风速变化由次同步运行到超同步运行的演变过程，详细分析了其内在的机械、电气关系。
正因如此，使得交流励磁双馈发电机成为变速恒频风力发电领域的主流发电机。目前多个国家的电网对并网风电机组提出了更高的要求，如有功功率控制能力、无功电压调整能力以及故障穿越能力等，这就需要对风电机组的运行特性及其对电网的影响进行全面的研究。对于双馈风力发电机组的研究，还可以继续在以下方面展开:
交一直一交变频器为双PWM换流器，可实现四象限运行。电网侧换流器的主要任务是保证电流波形功率因数满足要求以及保证直流母线电压的稳定，转子侧换流器的主要任务是调节有功功率，实现最大风能捕获以及为转子回路提供励磁，调节定子无功功率。风轮机采用变桨距控制，当风速小于额定风速时，桨叶节距角基本为0度，当风速增加到大于额定风速时，变桨距装置动作，桨叶节距角逐渐变大，将发电机的输出功率限制在额定功率附近。由此可见双馈异步发电机有如下优点: