双馈风力发电机运行原理分析研究性报告论文

双馈风力发电机运行原理分析

Operation principle analysis of doubly - fed wind  power generator

   摘要：双馈风力发电机由于其的优点, 己成为并网型风力发电机的主流机型之一。从交流电机的基本理论出发 ,对双馈风力发电机的电磁关系进行了详细的阐述,得出了双馈风力发电机的等效电路图及相量图, 分析了双馈风力发电机的能量传递关系 。

   Abstract：Because of its advantages, DFIG has become one of the main models of grid-connected wind turbines. From the basic theory of AC motor, the electromagnetic relationship of DFIG is expounded in detail. The equivalent circuit diagram and phasor diagram of DFIG are obtained, and the energy transfer of DFIG wind turbine is analyzed relationship.

  关键词：双馈 ;风力发电机 ;原理

  KEYWORDS：double-fed；Wind power generator；principle

  引言：随着石化能源危机的来临以及人们环保意识的加强 ,风力发电机技术得到迅猛的发展 。目前的并网型风力发电技术主要有双馈异步 、永磁直驱 、普通异步等三种技术。在这三种技术中,双馈异步由于其体积小、重量轻 、所需变频器容量小、供电质量高等特点, 可望成为大型风力发电机的主力机型。本文从电机的基本理论出发,详细地阐明了双馈风力发电机的基本原理，简单认识一下双馈风力发电机。

1 双馈风力发电机

1． 1 双馈发电机系统交流励磁双馈风力发电机系统如图 1 所示。运行时将其定子绕组接入电网，转子绕组由频率、相位、幅值可调的电源供给三相低频励磁电流，在转子中形成一个低速旋转的磁场，这个磁场转速与转子的机械转速相加等于定子磁场同步速，从

而发电机定子绕组中感应出同步转速的工频电压［3］。当风速变化时转速随之变化，此时相应改变转子电流的频率和转子旋转磁场的转速以补偿电机转速变化，就达到了变速恒频的目的［4］   

                     图 1 交流励磁双馈风力发电机系统

1． 2 双馈发电机原理

图 2 表示了几套坐标系的空间位置关系。

                             图 2 坐标变换系统

图 2 中，α1-β1 为两相静止坐标系，α2-β2 为以转子速度旋转的两相坐标系，d-q 为两相同步速旋转坐标系，为了分析控制变量关系按电动机惯例建立双馈型异步发电机数学模型和电机电压和磁链方程为

uds = Rsids + Pψds － ω1ψqs

uqs = Rsiqs + Pψqs + ω1ψds

udr = Rridr + Pψdr － ω2ψqr            

uqr = Rriqr + Pψqr + ω2ψdr                （1）

ψds = ψs = Lsids + Lm idr

ψqs = Lsiqs + Lm iqr

ψdr = Lridr + Lm ids

ψqr = Lriqr + Lm iqs                         （2）

式中，Rs、Rr—定、转子绕组等效电阻; Ls、Lr、Lm—d，q 轴定、转子绕组自感及互感; ids、iqs、idr、iqr—d，q轴定、转子电流; uds，uqs，uqr，udr—d，q 轴定、转子电压; ψds、ψqs、ψds、ψqr—d，q 轴定子、转子磁链; ω1、ωs—同步角速度和滑差角速度［5］。

2 双馈式风力发电机的运行方式

双馈风力发电机运行方式主要有两种: 一种是独立运行的供电系统，也称离网运行。主要向

常规电网不能到达而又必须使用电力的用户提供电力服务; 另一种是作为常规电网的电源，与电网并联运行。主要向大电网输送电能。

2． 1 独立运行风力发电机组

    独立运行发电机组，最常见的是直流总线型和交流总线型两种［6］。

    ( 1) 直流总线型独立运行风力发电机组

由以下几个主要部件组成: 风力发电机、充电控制器、塔架、蓄电池组、直流-交流逆变器( 如果系统内有交流负载) 。所有的发电设备和电控设备都在直流端汇合，称为直流总线。直流总线是一个很大的汇流排。目前大部分离网独立发电站都采用直流总线。

( 2) 交流总线型独立运行风力发电机组

交流总线型独立运行风力发电系统中所有的部件都通过交流总线汇合。交流总线型独立运行风力发电机组引入了 AC /DC 双向逆变器，当发电设备发电时，可以通过逆变器向蓄电池充电( AC到 DC 转换) 而蓄电池向设备充电时，蓄电池中的直流电通过该逆变器像设备提供交流电( DC /到AC 转换) 。

2． 1． 1 独立运行风力发电机组性能

风力发电机组通常由若干主要技术性能指标来描述。

( 1) 切入风速与切出风速

切入风速与切出风速之间的风段为工作风速，这个区间越大，风机发电吸收的风能也越多。

( 2) 额定风速与额定输出功率

风力发电机产生额定输出功率时的最低风速，成为额定风速。在额定风速下发电机产生的功率，称为额定输出功率。

( 3) 最大功率与安全风速

最大输出功率是风力发电机组运行在额定风速以上时，发动机可能发出的最高功率值。安全风速是风力发电机组在保证安全的前提下，所能承受的最大风速。

( 4) 风能利用系数与整机效率

风能利用系数越高，说明风轮吸收的风能越大，该风力机的空气动力性能越好。整机效率即风力机( 叶轮) 的风能利用效率、传动效率、发电机的机电转化效率、偏航滞后效率等各效率之积。

( 5) 调速机构和制动系统

调速机构限制风力发电机组在高风速下的旋转速度，保证高风速下的机组运行安全。调速机构要求调速功能可靠、反应灵活调速过程平稳、调速误差小。在超过安全风速运行或紧急情况时，需要制动机构实现停车。制动系统要求制动功能可靠、制动反应灵活、制定过程平稳、制动时限小。

3双馈风力发电机电磁关系分析

双馈风力发电机为带滑环绕线型三相异步发电机 ,转子绕组接到一个频率、幅值、相序均可调节的逆变电源 ,从而使发电机在规定的转速运行范围内保证发电机向电网发出功率。这种运行方式也可以看作转子加交流励磁电流的同步发电机运行 , 只不过转子转速 、定子边的功率因数可以调节 ,但定子边的电压电流的频率固定 。由于它既有同步发电机的特点, 又有异步发电机的特点 ,所以我们对其分析既可以按同步发电机方法也可以按异步电动机方法。所不同的是同步发电机方法是把转子的交流电流看作同步发电机的励磁电流 ,定子电流产生的磁场看作电枢反应磁场,而对异步电动机法,我们认为励磁磁场还是由定子电流建立的,只是在转子上另外附加一个电源用来改变转子电流的相位从而改变定子电流的相位 。两者分析的结果应是一致的。我们下面的分析从异步发电机出发并采用异步电动机惯例进行双馈发电机的原理分析。

按异步电动机惯例[ 4] 得出双馈电机的等效电路图如图 1所示。

设发电机的转速为 n,电机转子中通入频率为 f的电流,由该电流产生的磁场相对于转子的转速为:

n2 =60 f/p2(1)

式中, p2 为转子绕组极对数

R1 — 为原边绕组电阻, X1 — 原边绕组漏抗值, R2— 付边绕组电阻值,

X2 — 付边绕组漏抗值, Rm— 激磁电阻, Xm— 激磁电抗值。U1— 电网电

压, E1 激磁电势在定子边值, E2— 激磁电势折算到转子边值, U2— 转子

绕组附加电源

     图 1 双馈风力发电机等到效电路图

则电机转子磁场相对于定子静止绕组的转速为 :

n1 =n±n2                    (2)

式中当转子磁场相对于转子的转速 n2 与转子的转速 n同向时, 也即转子转速低于同步转速时取“ +”,当两者方向相反时, 也即转子转速高于同步转速时取“ -” 号 。这时转子磁场就以 n1 的速度切割定子绕组 ,在定子绕组中感应电动势。由电机学[ 4] 可知 , 这时定子绕组感应电动势的频率为:

f1 =(n1 p1)/60=(n±n2)p1/60     (3)

式中, p1 为定子绕组极对数 ,且 p1 =p2可以推出如果要保证双馈风力发电机定子向外输出电源的频率为 f1 不变,则对应不同的转子转速 n时,转子外加电流的频率应为 :

f2 =±(f1 -np/60)               (4)

转子转速低于同步转速时取 “ +”, 此时转子外加电源相序与定子相同 ;转子转速高于同步转速时取“ -”,此时转子外加电源相序与定子相反 ;而当转子转速接近或等于同步转速时,从理论上来讲,转子的外加电源应是频率很低的交流电甚至是直流电, 此时电机相当于同步发电机 ,而对于外加逆变器来说 ,其供电情况是逆变器的工作条件最为恶劣的情况 。表 1给出了双馈风力发电机各旋转磁场及转子外加电源频率与发电机转速之间的关系 。

             表 1 转速与磁场转向及相序关系表

4双馈风力发电机相量图

由图 1的等效电路图可得出 :

Im=I1+l2

U1=E1+I1(R1+jX1)

U2=E2+I2(R2+jsX2)

E1=KeE2/s

式中 , s为电机的转差率,当 nn1 时, s为负 。Ke为电压比例系数, 与匝数有关。所以

可分别得出 nn1 时的电路相量图如图 2所

示。

     (a)nn1 双馈发电机相量图

                  图 2 双馈电机相量图

5双馈风力发电机能量传递分析

从图 2相量图可以看出 ,由于电网电压不变 ,我们可以认为发电机的励磁电流基本不变 , 随着风速改变而引起电机的转速改变时, 只要不断调整转子外加电压的大小及相位 、相序, 就能改变定子电流的相位、大小 ,从而调节发电机定子输出的有功功率和无功功率。对转子而言 ,从相量图可以看出 ,在转子转速小于由电网电压频率决定的同步转速时, 电机转子外加电压与转子电流的夹角小于 90度 ,当转子转速大于电网电压频率决定的同步转速时 ,电机转子外加电压与转子电流的夹角大于 90度 ,而转子的功率为 P2 =U2I2 cosφ2 ,所以可以看出当 nn1 时 ,转子向电网发出功率 。图 3为双馈风力发电机的能量传递图 。从图中可以看出 ,在转子转速小于同步转速时 ,风力机传给发电机的机械功率除去各种损耗后, 一部分能量消耗在转子所接的逆变器上, 其余功率转换成电功率从定子绕组输出 。而在转子转速大于同步转速时 ,风力机与转子侧变频器同时向发电机输入功率 , 在除去各种损耗后 ,全部功率转换成电功率从定子绕组输出。

              图 3 双馈风力发电机能量传递图

结论

(1)双馈风力发电机中 “双馈 ”的含义是指定子、转子能同时向电网供电 ,但这种情况仅在发电机转子的转速大于同步转速时才能实现, 而在低于同步转速时 ,仅有定子向电网发电 ,转子必须从电网中吸收电能 。

(2)要保证双馈风力发电机的变速恒频 , 就必须在发电机的转速发生变化时, 相应的改变变频器输出的频率 。

(3)由于转子可在电机转速低于或高于同步转速时 ,分别从电网吸收电能或向电网发出电能,因此转子所外加的变频器应是能四象限运行的变频器。

参考文献

[ 1] 代洪涛, 邹秋滢, 林成武.变速恒频双馈风力发电机控制系统研究

[ J] .沈阳工业大学学报, 2003, 25(3):479 -481.

[ 2] 王亮, 林成武, 姚鹏.双馈风力发电机的直接转矩控制技术[ J] .沈

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[ 3] 赵栋利,郭金东, 许洪华.变速恒频双馈风力发电机有功、无功解

耦控制研究与实现[ J] .太阳能学报, 2006, 27(2):174 -179.

[ 4] 李发海,陈汤铭, 郑逢时.电机学[ M] .北京:科学出版社, 1993.