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1、姓名：刘健华 手机：,1.5MW异步双馈发电机,主要发电机和变频器厂家,1、发电机：东电、东风电机、上汽、湘潭、南洋、永济、南汽、兰州电机等。2、变频器：ABB，CONVERTEAM、Emerson、德能，禾望等。,主要内容,双馈电机概述风力发电机电气系统双馈发电机双馈异步电机的概念等效电路和参数计算abc坐标系 转矩和磁链方程dq变换矢量控制方程,发电机,参数结构工作原理,发电机参数,发电机结构,发电机结构,壳体,前端盖,后端盖,滚动球轴承及端盖，绝缘隔离,滚动球轴承及端盖，绝缘隔离及热套安装,轴,转子铁芯组件,转子绕组线圈,用于导入外部空气流的外部通风风扇,定子铁芯组件,定子绕组线圈,转子
2、接线盒,定子接线盒,辅助端子接线盒,空/空热交换器,对外排空口,滑环腔室,滑环,编码器,接地碳刷,定子雷电保护盒,转子雷电保护盒,发电机结构,发电机结构,发电机结构,发电机结构,发电机工作原理,雷电保护,发电机工作原理,辅助接线盒,发电机工作原理,辅助接线盒,双馈异步风力发电机系统,系统主回路构成：双馈异步发电机 交直交双向功率变换器,发电机形式四极双馈异步发电机额定出力1500kW转速(rpm)10001800额定电压690V变频器脉宽调制变频器变频器功率300kW,双馈异步风力发电机系统的特点,（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）部分功率变换，变流器成本相对较低；（3）电能质量好（输出
3、功率平滑，功率因数高）；（4）并网简单，无冲击电流；（5）降低桨距控制的动态响应要求；（6）改善作用于风轮桨叶上机械应力状况；（7）双向变流器结构和控制较复杂；（8）电刷与滑环间存在机械磨损。,主要内容,风力发电机电气系统双馈感应发电机（DFIG）双馈异步电机的概念等效电路和参数计算abc坐标系 转矩和磁链方程dq变换矢量控制方程,双馈异步风力发电机系统,双馈异步发电机绕线型转子三相异步发电机的一种；定子绕组直接接入交流电网；转子绕组端接线由三只滑环引出，接至一台双向功率变换器；转子绕组通入变频交流励磁；转子转速高于同步转速时也可运行于发电状态；定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕组端口
4、电功率的流向取决于转差率,DFIG 概念建立,定转子绕组旋转磁场异步和同步单边励磁和双边励磁,双馈异步发电机,定子 转子,DFIG 概念建立,定转子绕组旋转磁场异步和同步单边励磁和双边励磁,定转子旋转磁势相对静止,所有磁场为媒介实现机电能量转换的装置，均需确保定转子旋转磁势相对静止同步电机转子为直流励磁且以同步速旋转，定子磁势以同步速运行，两者之间相对静止；异步电机虽然转子转速与同步速“异步”，但定转子磁势相对定子均以同步速运行，两者之间相对静止；,感应电机的运行状态与转差率,定子旋转磁场的转速ns与转子转速n之差称为转差转差n与同步转速ns的比值称为转差率，用s表示，即：,当给转子通入三相交
5、流电后，转子电流产生旋转磁动势 F2，转子本身以转速n在旋转。从定子侧观察时，F2在空间的转速应等于定子电流旋转磁动势,定转子磁动势之间的速度关系,当给转子通入三相交流电后，转子电流电动势和电流的频率 f2 应为转子电流产生的旋转磁动势 F2 相对于转子的转速n2：,转子磁动势,如何控制转子电流频率,失步问题如果定子磁势和转子合成磁势间的夹角不能保持稳定，或超过稳定运行区域，电机将失步双馈电机转子通入直流电流或开环通入固定频率交流电流时，转速与电网频率同步，但是这种运行方式存在失步危险。因此需要对双馈电机进行闭环控制，也就是通过检测电网频率和转子角速度，是转子变频输出频率自动跟踪转子滑差频率，
6、从而完全避免失步危险。,双馈异步发电机概念,为什么叫异步？转子转速低于同步速（定子合成磁场的转速），两者之间存在一定的差异（即转差）为什么叫双馈？所谓双馈是指绕线式异步电机的定、转子绕组皆通过两个独立的三相对称电源供电，即双边励磁，这一点与感应电机单边励磁有明显不同。定子绕组的电源为固定频率的工业电源，转子电源电压的幅值、频率和相位则需按运行要求分别进行调节。,双馈电机外特性,电气参数计算？定转子有功功率转子电压电流转子频率,功率分配,（a）低于同步速运行,（b）高于同步速运行图2.4 双馈风力发电机的功率流向,VSCF双馈风力发电机，在低于同步速（亚同步速）运行时，需要向转子馈入电能，发电机
7、总的输出功率等于定子绕组输出功率与转子绕组励磁功率之差；而在高于同步速（超同步速）运行时，转子绕组也向外输出功率，发电机总的输出功率等于定子绕组输出功率与转子绕组输出功率之和。,功率分配小结,图2.5 双馈风力发电机定转子绕组的功率分配,双馈电机外特性,电气参数计算定转子有功功率转子电压电流转子频率,双馈异步风力发电机的等值电路,S0 时,S0 时，右边的转子支路转变为一个电流源。,主要内容,风力发电机电气系统双馈感应发电机（DFIG）双馈异步电机的概念等效电路和参数计算abc坐标系下 转矩和磁链方程dq变换矢量控制方程,定子磁场定向矢量控制,将定转子电压、电流和磁链各量投影到由定子磁场确定的
8、同步旋转坐标系中，进行调节控制的方法。,具体控制方法,双馈电机采用磁场定向矢量控制磁场定向矢量控制基于电机的动态方程通过控制电机电流矢量与定向磁场矢量的夹角和大小，实现对无功功率和瞬态转矩（或有功功率）的控制。,定子磁场定向矢量控制,abc坐标系下的电压、转矩和磁链方程坐标变换和dq变换转子电流控制转矩转子电流转矩分量无功功率转子电流励磁分量转子电流转子电压,三相异步电动机的物理模型,三相异步电动机的物理模型,电机三相等效电路,定子绕组 转子绕组,1.定子电压方程,三相定子绕组的电压平衡方程为,转子电压方程,与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为,上述各量都已折算到定子侧，为了简单起
9、见，表示折算的上角标“”均省略，以下同此。,式中,Rs,Rr定子和转子绕组电阻。,A,B,C,a,b,c 各相绕组的全磁链；,iA,iB,iC,ia,ib,ic 定子和转子相电流的瞬时值；,uA,uB,uC,ua,ub,uc 定子和转子相电压的瞬时值；,电压方程的矩阵形式,将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子 p 代替微分符号 d/dt,（6-67a）,或写成,（6-67b）,磁链方程,每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组的磁链可表达为,（6-68a）,或写成,（6-68b）,定、转子绕组间的互感，由于相互间位置的变化，可分别表示为,当定、转子两相绕组轴
10、线一致时，两者之间的互感值最大，就是每相最大互感 Lms。,（6-73）,（6-74）,（6-75）,磁链方程,为了方便起见，可以将它写成分块矩阵的形式,（6-76）,式中,是与定子绕组交链的最大互感磁通对应的电感；,是与转子绕组交链的最大互感磁通对应的电感；,分别为定子漏电感和转子漏电感；,为转子的位置角。,（6-77）,（6-78）,值得注意的是，和 两个分块矩阵互为转置，且均与转子位置 有关，它们的元素都是变参数，这是 系统非线性的一个根源。为了把变参数转换成常参数须利用坐标变换。,（6-79）,坐标变换的基本思路,从上节分析异步电机数学模型的过程中可以看出，这个数学模型之所以复杂，关键
11、是因为有一个复杂的 66 电感矩阵，它体现了影响磁链和受磁链影响的复杂关系。因此，要简化数学模型，须从简化磁链关系入手。,定子磁场定向矢量控制,abc坐标系下的电压、转矩和磁链方程坐标变换和dq变换转子电流控制转矩转子电流转矩分量无功功率转子电流励磁分量转子电流转子电压,（1）交流电机绕组的等效物理模型,a）三相交流绕组,（2）等效的两相交流电机绕组,F,i,i,1,b）两相交流绕组,三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量,坐标变换公式,设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在、轴上的投影都应相等，,（6-89）,写成矩阵形式，得,考虑变换前后总功率不
12、变，在此前提下，可以证明,匝数比应为,（6-90）,（6-91）,令 C3/2 表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则,（6-92）,三相两相坐标系的变换矩阵,按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵，同时还可证明，它们也是磁链的变换阵。,旋转的直流绕组与等效直流电机模型,c）旋转的直流绕组,两相静止两相旋转坐标系0/dq0变换,Ir,ir,ir,定子磁链d轴,定子磁链q轴,转子轴与转子a相绕组中心线一致,定子轴与定子a相绕组中心线一致,idr,iqr,电压和磁链的旋转变换阵也与电流（磁动势）旋转变换阵相同。,is(Fs),1,s,im,it,M,T,令矢量 is 和M轴的夹角为
13、s，已知 im、it，求 is 和 s，就是直角坐标/极坐标变换，简称K/P变换。,直角坐标/极坐标变换（K/P变换）,三相静止坐标系（abc）-两相同步旋转坐标系（dq0）定子,定子电流和定子电压由静止abc坐标系变换成定子磁场定向旋转坐标系d、q分量,三相静止坐标系（abc）-两相静止坐标系（）定子,定子电流和定子电压由静止abc坐标系变换两相静止坐标系、分量，可得到需要的定子磁链与定子轴夹角。,三相旋转坐标系（abc）-两相同步旋转坐标系（dq0）转子,（6-91）,转子电流和转子电压由旋转abc坐标系变换成定子磁场定向旋转坐标系d、q分量,定子磁场定向矢量控制,abc坐标系下的电压、转
14、矩和磁链方程坐标变换和dq变换转子电流控制转矩转子电流转矩分量无功功率转子电流励磁分量转子电流转子电压,双馈电机在dq坐标系的数学模型,为dq坐标系下同轴定子与转子绕组间的等效互感；为dq坐标系下两相定子绕组的自感；为dq坐标系下两相转子绕组的自感。,双馈电机在dq坐标系的数学模型,定子电阻rs 常常可以忽略,假设定子接无穷大电网，在稳态的情况下，同步旋转坐标系中的各相电压和电流均为直流量，其微分项为零。,旋转坐标系d轴定向在定子磁链方向,转子电流的力矩分量,转子电流的励磁分量,转矩定子瞬时无功功率以上是定子磁链幅值稳定情况,转子电压转子电流,转子电流的d、q项可由转子电压的d、q分量分别控制
15、，但是有交叉耦合项，定子磁链及其导数也有影响。这些可看作系统的扰动。,转子电压转子电流,如果对扰动进行补偿：,电压实现了转子电流的解耦控制，同时电压对电流的方程都是简单的一阶惯性环节。可以得到很好的电流控制特性。,定子磁场检测,Ir,ir,ir,定子磁链d轴,定子磁链q轴,转子轴与转子a相绕组中心线一致,定子轴与定子a相绕组中心线一致,idr,iqr,1,是定子磁链d轴与定子轴的夹角,定子电压定向稳态运行矢量控制框图,PWM交直交逆变器-定子磁链定向矢量控制-小结,总结,PWM脉冲,PI,是定子磁链d轴与定子轴的夹角,双馈异步风力发电机的运行原理,引入转子交流励磁变流器，控制转子电流；转子电流
16、的频率为转差频率，跟随转速变化；通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网电压决定的定子磁场，从而在转速高于和低于同步转速时都能保持发电状态；通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子输出的无功功率；转子绕组参与有功和无功功率变换，为转差功率，容量与转差率有关（约为全功率的s倍）。,厂内用的变频器,双馈异步风力发电机系统,交直交双向功率变换器两套PWM控制型三相开关桥“背靠背”，中间存在电容支撑的直流母线；在任一时刻，一套三相桥处于脉冲整流状态；而另一套处于逆变状态；发电机侧三相开关桥采用定子磁场定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法；电网侧三相开关桥采用电网电压定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法；可实现发电机输出的有功和无功功率解耦控制。,总体电路,总结,变频器根据转速调整励磁电流,恢复到此转速的最优功率点,桨距角不变,开环，失步,闭环,稳定,从VSCF双馈发电机励磁控制的角度来看，若转子励磁电流幅值和频率不随转速变化，当风速变化时，反映到定子电流上就是幅值和相位发生变化，即功率因数发生变化。,增加了最大功率点跟踪控制的结构框图,电网电压定向稳态运行实验波形,参考文献,电机与拖动刘锦波，张承慧交流电机及其系统的分析高景德，王祥珩，李发海西北工业大学风机培训，林辉上海大学变频器讲座，陈国呈风力发电机及其系统，柴建云,
