双馈风机基础知识学习

Introduction
“变浆距风力机+双馈发电机”作为新型风力发电机组，是目前研究的热点，国内对双馈发电机的研究主要集中在单机建模、空载并网、柔性并网、并网后有功功率和无功功率的解耦控制、低电压穿越运行。

风电场协调控制等方面。

双馈异步发电机其结构与绕线式异步电机类似，定子绕组接电网(或通过变压器接电网)，交流励磁电源给转子绕组提供频率、相位、幅值都可调节的励磁电流，从而实现恒频输出。

交流励磁电源只需供给转差功率，大大减少了容量的需求。

由于发电机的定、转子均接交流电（双向馈电），双馈发电机由此得名，其本质上是具有同步发电机特性的交流励磁异步发电机，双馈风力发电系统中转子侧交直交变流单元功率仅需要25％一40％的风力机额定功率，大大降低了功率变流单元的造价；双馈异步风力发电机体积小，运输安装方便，发电机成本较低。

但双馈发电机由于使用定转子两套绕组，增加了发电机的维护工作量，还降低了发电机的运行可靠性。

转子绕组承受较高的dv／dt，转子绝缘要求较高。

对于有刷电机，当电网电压突然降低时，电流迅速升高，扭矩迅速增大，需经常更换发电机碳刷、滑环等易损耗部件。

1 变速恒频风力发电机组系统结构
1.1 风轮
风轮是吸收风能并将其转化成机械能的部件。

风以一定速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能。

自然界的风速不是恒定的，风力机获得的机械能是随风速的变化而不断变化。

由风力机的空气动力学特性可知，风力机输出机械功率的为P wt ,产生的气动转矩为T wt [1]。

231(,)2
wt p p C R v λβρπ= 230.5()wt wt T l
p T v R C πρλ==Ω 其中，ρ为空气密度（kg/m 3），一般为1.25 kg/m 3；R 为风力机叶片的半径（m ）；v 为风速（m/s ）；l Ω为叶片旋转速度；C p 为风力机的功率系数，也称风能利用系数，是评价风力机效率的重要参数，C T 为风力机的转矩系数，由贝兹理论可知，一般C p =1/3:2/5，其理论极限值为0.593。

它与风速、叶片转速、叶片直径、浆叶节距角均有关系，是叶尖速比λ和浆距角β的函数。

p
T C C λ=
l R v
λΩ= 对于变桨距型风力发电机组，C p 特性可近似表示为：
112111(,)0.5176(116
0.45)0.0068P C e λλββλλ-=--+ 其中31110.0350.081
λλββ=-++。

在早期的定桨距风力发电机组中，风轮大多采用三桨叶与轮毂刚性联接的结构。

随着风力发电机组设计水平的不断提高，在大型风力发电机组，特别是兆瓦级机组的设计中，采用变桨距风轮。

变桨距风轮叶片根部加装变桨轴承，叶片可以沿自身的轴线旋转，改变风轮的桨矩角，进而改变攻角。

当风速变化时，定桨矩风轮的桨叶迎风角度不能随之变化，故减速比一定，启动风速高，限速困难，输出功率不稳定。

而变桨矩风轮能够根据风速对桨矩角进行调节，使桨叶受力较
小。

在低风速时因而尽可能多地吸收风能转化为电能，同时在高风速能有效控制转速，保持功率稳定输出。

1.2 增速齿轮箱
风轮的转速较低，无法达到发电机的额定转速，通常利用增速齿轮箱将转速提高，使得发电机有效率地发电。

由于风力发电机组起停频繁，风轮又具有很大的转动惯量，所以通常风轮的转速都设计在20到30r／rain，机组容量越大，转速越低。

增速齿轮箱须满足不同发电机、不同容量的机组要求。

1.3 双馈异步电机
变速恒频风力发电机组采用双馈异步电机可以在不同转速下发出恒频的电能。

通常将定子绕组接入工频电网，将转子绕组接入频率、幅值、相位都可以调节的交流励磁电源。

通过对交流励磁电源的控制就可以调节异步电机的转速和功率。

在低风速时，调节电机转速，追踪与捕获最大风能。

在额定风速以上时，对功率进行限制。

1.4交流励磁电源
交流励磁电源主要由网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器组成。

交流励磁电源给转子绕组提供频率、相位、幅值都可调节的励磁电流。

通过控制励磁电流的频率可调节发电机的转速或有功功率；通过控制励磁电流的幅值和相位可以调节发电机的无功功率。

交流励磁电源传输的仅是转差功率，十分高效经济。

这样的结构适合于大、中容量的风力发电系统。

1.5 变桨矩执行机构
变桨距执行机构可将控制系统的变桨矩指令物理实现。

目前变桨距执行机构主要有两种方案：液压执行机构和电机执行机构。

液压执行机构以其响应频率快、
扭矩大、便于集中布置和集成化等优点在目前的变桨距机构中占有主要的地位。

电机执行机构以其结构简单，能对桨叶进行单独控制，适合要求高的场合。

1.6 晶闸管软并网
目前国内外采用异步发电机的风力发电机组并网方式主要有直接并网、降压并网、通过晶闸管软并网。

软并网是目前风力发电机组普遍采用的并网方法，其优点是可以得到一个平稳的并网过渡过程，不会出现冲击电流。

1.7 控制和检测系统
风力发电机组作为一个智能运行的大系统，必须具备控制系统和检测系统。

控制系统是风力发电机组的大脑，指挥发电机组的运行和控制电能稳定性。

控制系统需完成机组运行流程控制、偏航和桨距角控制、电机转速控制、电机功率控制、通信、安全链等功能。

检测系统主要完成风速风向、各种温度、发电机转速、发电机功率和各种电压电流的检测。

2 双馈异步发电机系统工作原理[2]
2.1 双馈异步发电机工作原理
根据电机学原理，同步发电机在稳态运行时，它输出端电压的频率与发电机转速有着严格的关系： 60
pn f 式中f 为发电机输出电压频率；p 为发电机的极对数；n 为发电机旋转速度。

当转子三相对称绕组中通入三相对称交流电，电机气隙内将产生旋转磁场， 此旋转磁场的转速与所通入的交流电的频率有关：
2260f n p
= 式中，2f 为转子三相绕组通入的三相对称交流电频率；p 为绕线转子异步电机的极对数；2n 为转子三相绕组通入频率为2f 的三相对称电流后所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度。

从式中可知，改变频率2f ，就可以改变2n 。

当改变通入转子的三相电流的相序时，还可以改变转子旋转磁场的方向。

因此，若设1n 为对应于电网频率为50HZ 时的发电机的同步转速，而n 为电机转子本身的旋转速度，则只要维持21n n n +=，则异步电机定子绕组感应电势的频率将始终维持为1f 不变。

双馈异步发电机的滑差率11
n n s n -=。

通入机转子三相绕组内的电流频率为： 2111211
()606060pn p n n pn n n f f s n --==== 根据上式分析可知，在双馈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滑差频率（即1f s ）的电流，在双馈异步电机的定子绕组中就能产生恒频电能，实现了变速恒频。

双馈异步电机运行时的功率关系：
11m p p sp =-
式中，m p 是发电机输入功率；1p 是定子输出功率；1sp 是滑差功率。

双馈异步电机转子在不同转速下，具有以下三种运行状态：
（1） 亚同步运行状态。

1n n <。

（2） 超同步状态。

1n n >。

（3） 同步运行状态。

1n n =。

2.2 交流励磁电源工作原理
双馈异步发电机有亚同步运行、同步运行和超同步运行三种工作状态。

因此 要求交流励磁电源能够提供幅值、频率和相位可调的转子励磁电流。

通过交流励 磁电源的控制可调节发电机的转速和功率。

交流励磁电源主要由网侧PWM 变换 ’
器和转子侧PWM 变换器组成。

双PWM 变换器(Back-to-Back PWM)变换器技术成熟，应用最为广泛。

很多生产商为这种结构提供了专用的功率模块。

由于变换器传输的是滑差功率，变换器功率一般为发电机功率的25％"-40％。

图Back-to-Back PWM 变换器
双PWM 变换器原理图如上图所示。

图中ga u 、gb u 、gc u 为三相电网电压，L 包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，R 为包括外接电抗器中的电阻和交流电源的内阻。

双PWM 变换器主要由两个完全相同的电压型三相桥式PWM 变换器构成，他们之间通过直流母线连接。

双PWM 变换器是一种交一直一交结构，两个变换器可以进行独立控制。

双PWM 变换器不仅具有良好的输出性能，还可以改善输入性能。

它可获得任意功率因数的正弦输入电流，并且具有能量双向流动的能力。

这些特点使它成为了理想的变速恒频风力发电机交流励磁变换器，并被广泛地应用与实践。

由于
双馈异步发电机常在不同状态下运行，两个PWM变换器的工作状态也随之变化，所以不再以它们工作于整流或逆变的状态来区分它们，而是按照它们的位置命名为网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器。

1.网侧PWM变换器
网侧PWM变换器需要保证交流励磁电源良好的输入特性，即输入电流的波形接近正弦。

理论上网侧PWM变换器可获得任意功率因数。

当双PWM变换器进入稳定工作状态时，母线上的直流电压恒定，网侧PWM变换器的三相桥臂被正弦脉宽调制技术驱动。

当开关频率很高时，由PWM原理可变换器的交流侧电压含有正弦基波电压和一些频率很高的谐波电压。

由于电感的滤波作用，频率很高的谐波电压产生的电流非常小。

当调制正弦信号与电网频率一致时，输入电流近似于正弦。

采用正弦脉宽调制方式对G1、G2、G3、G4、G5、G6进行触发控制，由PWM 原理可知，在ab、be、ca端将产生SPWM波。

U ab、U bc、U ca中含有和正弦信号波同频率且幅值成正比的基波分量，以及一些频率很高的谐波。

由于电感的滤波作用，频率很高的谐波电压可以忽略。

当调制正弦信号的频率和电网频率相同时，i ga、i gb、i gc也为与电源频率相同的正弦波。

电网电压和频率一般是恒定的，i a, i b,i c 幅值和相位仅由u ab、u bc、u ca中基波分量的幅值和相位决定。

网侧PWM变换器工作在整流状态时，IGBT和二极管组成多组boost升压斩波电路。

这使直流母线电压比输入的线电压高，并能保持直流母线电压稳定。

2．转子侧PWM变换器
变速恒频风力发电机组运行的目标主要有两个：一是实现最大风能获取；二是对发电机的无功功率进行控制。

对于双馈异步发电机，这两个目标都是控制
DFIG的转子电流实现。

而转子电流受控于转子侧PWM变换器。

三相静止坐标系下的DFIG数学模型是一个强耦合的系统，对有功功率和无功功率的解耦控制是很难的。

而利用矢量技术便可解决这个问题。

转子电流通过坐标变换实现有功分量与无功分量的解耦。

控制DFIG转子电流有功分量就可以控制DFIG的转速或者定子侧输出的有功功率。

控制DFIG转子电流无功分量就可以控制DFIG定子侧输出的无功功率。

转子电流都是由转子侧PWM变换器提供。

采用电压空间矢量调制(SVPWM)方式对变换器中的开关器件进行控制。

SVPWM源于交流调速中为获得圆形旋转磁场的磁链追踪，所以SVPWM又称磁链追踪新PWM法。

它是以三相对称正弦波电压供电下三相对称电动机定子理想圆为基准，由三相桥不同开关模式下所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，在追踪的过程中，桥臂的开关模式作适当的变换，从而形成PWM波。

相比于传统的SPWM方式，SVPWM方式具有直流母线电压利用率高，电流波形畸变小和更易于数字化实现等优点。

3双馈发电机的动态数学模型[3]
3、1三相静止坐标下交流励磁双馈发电机的多变量数学模型
在研究双馈异步电机的多变量非线性数学模型时，常作如下的假设：
1)忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120电角度，所产生的磁动势
沿气隙周围按正弦规律分布。

2)忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。

3)忽略铁心损耗。

4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。

定子侧电压正方向与电流正方向符合发电机惯例，正值电流产生负值磁链；转子侧电压正方向与电流正方向符合电动机惯例，正值电流产生正值磁链。

这时，异步电动机的数学模型由下述磁链方程、电压方程、运动方程和功率方程组成。

3．1．1双馈发电机的磁链方程
定、转子的磁链方程可以表达为：
A AA A
B A
C Aa Ab Ac A B BA
BB BC Ba Bb Bc B C CA CB CC Ca Cb Cc C a aA
aB aC a ab ac a b bA bB bC ba b bc b c cA cB cC ca cb c c L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i ψψψψψψ---⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎪--- ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪---= ⎪ ⎪⎪--- ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪--- ⎪ ⎪---⎝⎭⎝⎭⎝⎭
⎪⎪ 3．1.2 电压方程
定、转子绕组的电压方程可以表达为：
0000000000010000
00000000000000A A A s B B B s C C C s a a a r b b b r
c c c r u i R u i R u i R p u i R u i R u i R ψψψψψψ-⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-=+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭
把转子电压
a b c u u u 、、，转子电流a b c i i i 、、，转子磁链a b c ψψψ、、，P 为微
分算子。

3．1.3 运动方程
双馈发电机内部电磁关系的建立，离不开输入的机械转矩和由此产生的电磁转矩之间的平衡关系。

起动时，输入的机械转矩T m 使电机转速上升，感应产生的电磁转矩T e 也随着增加，忽略电机转动部件粘性摩擦，当T m 和T e 达到平衡时，
电机转速趋于稳定。

m m e dw T T J dt
-= 式中，w m 为电机转动的机械角速度，与转子电气角速度w r 之间有：
r p m w n w =
3．1.4 功率方程
发电机定子侧输出的瞬时功率表达式为：
1A A B B C C p u i u i u i =++
需要指出的是，瞬时功率的实际意义并不大，通常人们用另外三个功率量来反映正弦电路能量交换的情况，即有功功率P 、无功功率Q 和视在功率S 。

电机的功率还可以用复功率来表示，定子侧复功率由定子侧复数电流和定子侧复数电压按下式确定：
*11s s S U I P jQ ==+&&
其中，*s I &是s I &的共轭复数，P 1是定子有功功率，Q 1是定子无功功率；
**11Re(),Im()s s s s P U I Q U I ==&&&&
类似地，可以写出转子侧功率表达式：
**22Re(),Im()r r r r P U I Q U I ==&&&&
根据上文开始时的正方向规定，当只P 1>0时表示双馈电机定子向电网输出电功率；当只P 1<0时表示双馈电机定子由电网吸入电功率；而当只P 2>0时表示双馈电机转子由电网吸收电功率；当只P 2<0时表示双馈电机转子向电网输出电功率。

3．2同步旋转坐标系下的双馈异步电机
按照前面的正方向规定，定子侧正方向按发电机惯例，正值电流产生负值磁
链；转子侧正方向按电动机惯例，正值电流产生正值磁链。

利用坐标变换，可以得到同步坐标系(即d —q 坐标系)下的双馈异步电机数学模型。

按照前面的正方向规定，定子侧正方向按发电机惯例，正值电流产生负值磁链；转子侧正方向按电动机惯例，正值电流产生正值磁链。

利用坐标变换，可以得到同步坐标系(即d —q 坐标系)下的双馈异步电机数学模型。

1) 由空间三相坐标系下的电压方程和3s ／2r 、2s ／2r 坐标变换，可得到d —q
坐标系下的电压方程：
1111()()
ds s ds ds qs qs s qs qs ds dr
r dr dr qr r qr r qr qr dr r u R i p w u R i p w u R i p w w u R i p w w ψψψψψψψψ=--+⎧⎪=---⎪⎨=+--⎪⎪=++-⎩ 式中，w 1为同步旋转速度。

2) 类似地，利用变换矩阵可得到d —q 坐标系下的磁链方程：
ds s ds m dr qs s qs m qr dr
r dr m ds qr
r qr m qs L i L i L i L i L i L i L i L i ψψψψ=-⎧⎪=-⎪⎨=-⎪⎪=-⎩ 其中，32ms L L =为d —q 坐标系下等效定转子绕组间互感；32
s ls ms L L L =+为d-q 坐标系下等效定子每相绕组全自感；32
s lr ms L L L =+为d-q 坐标系下等效定子每相绕组全自感。

3) 运动方程
变换到d —q 坐标系下后，机电运动方程形式没变，但是电磁转矩方程有变化：
()r L e n r e p m ds qr qs r J dw T T P dt d w dt T n L i i i i θ⎧-=⎪⎪⎪=⎨⎪=-⎪⎪⎩
上述各式中u ，i ，ψ和T e 分别为电压、电流、磁链、电磁转矩；n p 为电机极对数；r ，L 分别为电阻、电感；w l 为定子同步电角速度；w s 为转差电角速度，11*s r w w w s w =-=；w r 为转子电角速度，s 为转差率；下标s ，r 分别表示定子、转子分量；下标m 表示定转子间的相互作用量；下标d ，q 分别表示d 轴和q 轴分量。

4 双馈异步发电机控制原理
4.1 双馈异步发电机定子电压控制原理
当定子绕组开路，双馈发电机作空载运行时，根据电机知识，定子绕组开路相电压的有效值为：
011104.44w U f N K φ=
式中，f 1为定子绕组的电压频率；N 1和k w1分别为定子绕组每相串联匝数和绕组 系数；0φ为每极磁通。

0φ与转子电流有关：
02()f I φ=
由上式可知，转子绕组励磁电流值决定每极磁通。

当定子绕组电压频率f 1为恒定值时，每极磁通又决定了定子电压大小。

因此在不同转速下只要保持转子绕组励磁电流不变便可使定子绕组端电压保持不变。

并网前需要保持发电机端电压与电网电压基本一致，减小并网电流。

可以通过电流反馈调节转子励磁电流，从而实
现转子励磁电流恒定控制。

4.2 双馈异步发电机转速控制原理
根据异步电机原理，电机运行时定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止， 可以得出运行时电机转速与定、转子绕组电流频率和相序关系：
12r ωωω=±
式中，1ω为定子旋转磁场的电角速度；2ω为转子旋转磁场的电角速度；r ω为转子旋转的电角速度。

电机的运行状态决定上式中的正负符号。

当电机亚同步运行，上式取正；当电机超同步运行，上式取负。

发电机并网运行时，只要控制通入转子绕组的三相电频率，就可以调节发电机转速。

双馈异步电机有一定的调速范围，只有达到调速范围内才能对发电机转速进行调节。

4.3 双馈异步发电机有功、无功控制原理
三相静止坐标系下双馈异步电机(DFIG)的数学模型是一个强耦合的系统，要进行有功功率和无功功率的解耦控制是很困难的。

而利用矢量技术便可解决这个问题。

转子电流通过坐标变换可实现有功分量与无功分量的解耦。

控制转子电流的有功分量和无功分量就可以独立调节DFIG 的有功和无功功率。

同步旋转d-q 轴系下双馈异步发电机定子输出的有功、无功计算表达式为：
1.5()1.5()s sd sd sq sq s
sq sd sd sq P u i u i Q u i u i =+⎧⎨=-⎩ 取无穷大电网电压矢量的方向为d 轴，即sd s u U =；0sq u =。

上式可变为：
1.51.5s s sd s s sq
P U i Q U i =⎧⎨=-⎩ 发电机的定子电流是不易控制的。

同步旋转d-q 轴系下定子电流变化量与转子励磁电压变化量之间的关系为：
11rd p sd rq p sq u K i u K i ββ⎧∆=∆⎪⎪⎨⎪∆=∆⎪⎩
式中，β为与电机参数有关的系数；p K 为比例调节系数，一般p K >0。

因此，对双馈异步发电机有功和无功的调节可转化为对转子励磁电压d-q 轴分量控制。

[1] 变速恒频双馈风力发电双PWM变换器的研究
[2] 2MW变速恒频风力发电机组控制系统的研究与设计
[3] 变速恒频双馈风电机组控制策略研究。