双馈变频器原理

风力发电机组双馈变频器原理

一． 风力发电机的主要类型

1．异步发电机

z 笼鼠式异步发电机

特点：应用于早期的风力发电机，离网型的小型发电机，结构简单，性能稳定，成本低。

缺点：并网运行时，转速必须超过同步转速，在风速较小的时候效率很差。一般做成大小两个发电机，或者改变定子绕组以改变同步转速，按照风速段转换。

z 绕线转子异步发电机

特点：转子绕组外接电阻，在风速变化的时候，改变外接电阻的大小以控制输出的功率。风速大的时候多余的能量可以消耗在转子电阻上。

z 双馈异步发电机

特点：使用双馈变频器对转子进行交流励磁，随着转子物理转速的变化，改变交流励磁的交流电的频率，幅值，相序以及相位，以使定子输出的电压幅值和电流频率保持恒定，同时可以向电网输出感性或容性的无功。

2．同步发电机

z 永磁同步发电机

特点：转子由永磁材料制成，结构简单，不易损坏和维护方便，容量可以做到很大。转子可以做成很多级，这样可以使其同步转速降低，配合全功率变流器，在低风速的时候也可以发电。一般用于海上风机。

z 直流励磁同步发电机

特点：现在的水力和火力发电机组使用的形式，转子由直流励磁，改变励磁电流的大小，可以调节输出的功率大小和因数。

二． 双馈异步发电机原理

1．旋转磁场

旋转磁场就是一种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。从理论分析和实践证明，在对称三相绕组中流过对称三相交流电时会产生这种旋转磁场。

三相对称绕组就是三个外形、尺寸、匝数都完全相同、首端彼此互隔120º、对称地放置到定子槽内的三个独立的绕组

由电网提供的三相电压是对称三相电压，由于对称三相绕组组成的三相负载是对称三相负载，每相负载的复阻抗都相等，所以，流过三相绕组的电流也必定是对称三相电流。

2．旋转磁场的转速和转向

以异步电动机为例，说明旋转磁场的转速和方向同励磁电流的关系。

① ωt=0 º时，合成磁场方向：向下

()()°−=°−==240sin 120sin sin

t I i t I

i t I

i m C m

B m A ωω

ω

②ωt=60º时，合成磁场方向顺时针转过60º。

③ωt=120º时，合成磁场方向顺时针又转过60º，共120 º。

④ωt= 180º时，合成磁场方向顺时针又转过60º，共180 º。

当三相对称电流通入三相对称绕组，必然会产生一个大小不变，且在空间以一定的转速不断旋转的旋转磁场。一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°。则一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°。

则

160f n s =/P （转/分）

旋转磁场的旋转方向由通入三相绕组中的电流的相序决定的。即当通入三相对称绕组的对称三相电流的相序发生改变时，即将三相电源中任意两相绕组接线互换，旋转磁场就会改变方向。

3．变速恒频发电原理

风力发电一个不同于火力发电和水力发电的地方，就是风力的随机变化性。风速随机变化，风向也随机变化，这样发电机获得的机械能是不稳定的，发电机转子的机械转速会在大范围内变化，假如使用同步发电机，那么输出的电压幅值和频率都是不稳定的。为了弥补转子速度和同步转速之间的转速差，可以在转子绕组中进行交流励磁，根据上面的旋转磁场的论述，交流励磁电流会在转子绕组中感应出一个相对自身旋转的磁场。这样转子中的磁场相对于定子的实际转速就有两个部分组成，一个是转子的机械转速，一个是电磁转速。二者的矢量和构成产生定子中感应电动势的实际转速。

当发电机并网发电时，发电机的同步转速是恒定的，同电网频率和定子极对数有关。

60fs/Ps= nr+60fr/Pr

式中： fs 为定子电压频率；

Ps 为电机定子的极对数；

Pr 为电机转子的极对数；

nr 为双馈发电机的转速；

fr 为转子励磁电流频率。

由上式可知，当转速nr 发生变化时，若调节fr 变化，可使fs 保持恒定不变，实现双馈发电机的变速恒频控制。

4．双馈变频器工作原理

上面讲到，，双馈异步发电机在形式上和绕线转子电动机是一致的，要实现风力发电机组的变速恒频发电控制，转子绕组经过滑环，由双馈变频器提供交流励磁，双馈变频器由电网供电。

双馈发电机组原理图

双馈变频器电路拓扑结构图

4.1．双馈变频器的结构

双馈变频器一般使用交直交这种形式，两边各有一个PWM变流器，和电网连接的一般称为网侧变流器，和转子连接的一般称为转子侧变流器，中间使用直流环节将两边连接起来。变流器可以实现整流和逆变这两种基本的功能。功率元件一般使用IGBT，并同二极管反并联。中间回路使用电容建立直流环节。

4.2．工作原理

电网的三相交流电经过网侧变流器的整流作用，在中间环节建立起来直流电压。此时转子侧变流器处于逆变状态，将中间直流电压逆变为三相交流电压，输出给转子绕组进行励磁。

“双馈”其本意是能量的双向反馈，上面讲到的情况是能量流动的一种形式，属于电网给变频器供电，变频器对转子绕组进行励磁，对转子绕组进行馈电。能量的流向是从电网流向转子。

另外的一种形式是发电机转子处于发电状态，向双馈变频器输出能量，此时转子侧变流器处于整流状态，中间直流环节不变，网侧变流器处于逆变状态，将中间直流母线电压逆变为和电网电压幅值和频率一致的交流电，将能量反馈给电网。

以上就是双馈异步发电的简单理论原理。

5．双馈发电机的三种工作状态

按照发电机转子转速和同步转速之间的关系，双馈发电机有三种不同的工作状态。它的这种特点，使双馈发电机组能在很宽的一段风速范围内稳定发电。这也是它比常规异步发电机性能先进的地方。

5.1．亚同步状态

转子的机械转速小于发电机的同步转速。（0

双馈变频器对双馈异步发电机的转子进行励磁的最终目的，就是在转子绕组中产生一个旋转的磁场，这个磁场的转速和转子的机械转速合成为转子发电的实际转速，以便达到电机的同步转速。使异步发电机像同步发电机一样运行。

此时的能量流动关系是，变频器给转子供电，能量由电网流向转子。定子输出的能量由两部分组成，一是轮毂传递的机械能，一是转子从电网得到的能量。而输送到电网的能量是机械能。

5.2．同步状态

转子的机械转速等于发电机的同步转速。（S=0）

双馈变频器给转子以直流励磁，此时双馈异步发电机就是同步发电机运行。除了转子绕组的一些损耗外，转子不消耗能量用于励磁发电。机械能全部转化为电能从定子输出到电网。

5.3．超同步状态

转子的机械转速大于发电机的同步转速。（S<0）

此时发电机定子和转子都处于发电状态，转子侧变流器处于整流状态，网侧变流器处于逆变状态。转子发出的电能反馈给电网。

一般的双馈发电机组的额定速度都在同步转速以上，对于同步速为1500r/min 的双馈异步发电机，发电机组的额定转速一般在1700r/min，对于双馈变频器的控制来说，同步转速是一个临界状态，双馈变频器无法在此状态长期稳定运行，所以额定转速一般在同步速以上。