双馈式感应发电机(DFIG)说明

1、双馈式感应发电机（DFIG）简介 刘大明 双馈电机（或称为交流励磁电机），它早在四十年代就己经出现。随着电力电子技术和数 字控制技术的发展，双馈电机在电气性能方面所具有的一系列优点和乜大的潜力，己经引起国内 外的高度重视。双馈式感应发电机（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）使用绕线 式转子，由于电力可经由转子侧之电力转换器双向流动，因此发电机馈入电力系统的界 面同时包括定子侧（Line side）及转子侧（Rotor side）,其电力转换器功率仅为发电 机额定功率之2030%,故成本较低，而且发电机可变速范围可达同步转速之30%,因此 性能/价格比值最

2、高，为口前大型风力发电机中最普遍采用之组态。全球前10大风力发 电机制造商的产品中有六成以上的变速风力发电机采用双馈式感应发电机，本文将介绍 双馈式感应发电机的基本原理与特性。 一、双馈式感应发电机（DFIG）基本原理 双馈式感应发电机（DFIG）是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种 新型发电机，其转子具有三相励磁绕组结构。当通以某一频率（转差频率）的交流电时， 就会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场所对 应的转速等于同步转速，则在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，在定子侧感应出同步 频率的感应电势。从定子侧看，这与同步发电机直流励磁的转子以同步转速

3、旋转时，在 电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是等效的。 双馈式感应发电机与一般感应发电机不同之处在于联接其转子侧之PWM脉宽调变电 力转换器具有四象限之运转能力，电力转换器提供低频（转差频率）的交流电流（或电压） 进行励磁，调节励磁电流（或电压）的幅值、频率、相位，来实现定子恒频恒压输出，其 定子输出特性与同步发电机十分类似，所以有一些文献指出，双馈式感应发电机可以视 为同步发电机与感应发电机之综合体。 从能量流动的特性来看，与采用直流励磁的同步发电机相比，同步发电机励磁的可 调量只有直流励磁电流的幅值一个，所以同步发电机励磁一般只能对无效功率进行调节， 而双馈式感应发电机，其励磁的可调量除了

4、励磁电流的幅值外，还有励磁电流的频率和 相位。通过改变励磁电流的频率可以改变发电机的转速，达到调速的LI的；通过改变励 磁电流的相位，来改变发电机的空载电势与电力系统电压向量之间的相对位置，从而改 变发电机的功率角，可以调节发电机的有效功率。 一般感应电机（异步电机）：（1）在转子转速低于同步转速时，处于电动工作状态，（2） 当转子转速高于同步转速时，处于发电丄作状态，而对于双馈式电机来说，除了上述两 种工作状态之外，还具有另外两种工作状态：（3）欠同步发电工作状态，（4）过同步电 动工作状态。双馈式感应发电机之欠同步与过同步转速发电时之功率流向分别如图一） 及图一 （b）所示。其中，s为转差

5、率，Ps为DFIG定子输出功率，Pg为DFIG输出至电力系 统之功率。 图一(b)过同步转速发电(s0)之功率流向 二、双馈式感应电机之运转特性 GE 1.5se型风力发电机之基本结构如图二，风力发电机由一具有绕线转子(wound rotor)之感应发电机、滑环(slip rings)如图三、转子回路上之AC-DC-AC PWM电力转 换器以及先进的电子控制器所组成。GE1. 5se型双馈式感应发电机之同步转速为每分钟 1200转(rpm),且有一变频电力转换器与发电机转子连接可使发电机之转速固定于800 至1600 rpm之范围内，产生稳定60Hz之高质量输出。 于风速超过14m/s时转速固

6、定于1440 rpm,发电机输出可达额定值1500KWa由于仅 转子回路中约209广30%之输出电力须经AC-DC-AC转换器之调变，不似Gearless Type风 力发电机中所有之输出电力均须调变，因此调变所产生之损失明显减少，电力转换器所 占之空间与重量亦显著降低，在其额定容量之运转效率可达97%以上。GE l.ose双馈式 感应发电机其运转特性为： (1) 过同步运转模式(Over-synchronous mode):以高于同步速度之转速运转，为高 风速时之运转模式，发电机定子输出75%电力，转子则经山电力转换器输出约25% 之电力。 (2) 同步运转模式(Synchronous mo

7、de):以同步速度转速运转，在部分负载工作范 围下，发电机定子负责输出100% 请预览后下找! 之电力。 Fid bug Doubly Fed induction Generator mv distribution j害豊q Ed lina 公 tern bus cons- cb i：/：/ Hu-， contactor Rctof SidG GE Power Conversion 1-5 MW wind converter stator bus l/VtbK tacho fbk stator snc sw control system cb control (tnp) i system bu

8、s fbks local hmi & scad pc grid rronlcc 但 k T 3ac T de 一 c ontre 1 Lme&do BP* 07 ccn：3ctc 0,此时转差率s 0故Pr 0, PWM电力 转换器向发电机转子输入有效功率并提供发电机转子正相序励磁。 (2) 当转子转速高于同步转速时：发电机处于过同步运转模式，转子旋转磁场旋 转方向和转子转向相反，即f2 0,此时转差率s 0故Pr 0, PWM电力 转换器输出有效功率至电力系统并提供发电机转子负相序励磁。 (3) 当转子转速等于同步转速时：发电机处于同步运转模式，转子不需提供旋转 磁场，即f2 = 0,此时转

9、差率s二0故Pr二0, PWM电力转换器向发电机 转子提供直流励磁。 图五为GE 1.5se DFIG之输出与转速关系曲线，图中可看出当转子转速低于同步转 速时，PWM电力转换器向发电机转子输入有效功率；当转子转速高于同步转速时，发电机 转子向PWM电力转换器输出有效功率。图六为GE 1. 5se DFIG之输出与转子频率关系曲 线。 DFIG 请预览后下我! 图四双馈感应发电机之交流励磁变速恒频运行原理 Grid Power vs. Generator Speed O 20 00000000 18016014012010080604020 008 Speed (RPM) 800 rpm (m

10、inimum speed) 1200 rpm (synchronous speed) 1440 rpm1600 rpm (nominal speed) (maximum speed) 图五 GE 1. 5se DFIG之输出与转速关系曲线 图兀 GE 1.5se DFIG之输出与转子频率关系曲线 99n use relay outs vco fbk ctr$ Ascrete ins dscrete outs intuse relay oirts SJ0BGUU8 gen use cone ns pwer en oont ms u.&Ha.soo&o AEAA voh fok vcoms clf

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13、o PhnC 闪诒dnvft d剜 X didt 52 1. V, T 臥 vco OUTPUT AEB2 MODULE ROTOR wio AEBM OUTPUT MODULE LINE CONVERTER GE 1.5se电力转换器之硬件架构图 四、PWM电力转换器 GE 1.5se风力发电机IGBT电力转换器之硬件架构如图七所示，电力转换器之控制 模块透过CAN Bus与Bachmann PLC联机，其控制核心为tms320vc33 150 MHz之数字信 号处理器(DSP) , DSP与外围设备之逻辑信号连接是由现场可程序化逻辑门阵列 FPGA(Field Programmable G

14、ate Array)所规划。电力转换器之控制运算及程序需透过专 用之规划软件编辑控制程序，再分别加载DSP及FPGA中。图八为GE 1.5se风力发电机 之PLC控制架构图，图中可看出塔架底部之Main Controller透过光纤网络(Ethernet) 连接至机舱中之Nacelle Controller,再经山CAN_bus透过转轴滑环(Rotor Slip Ring) 连接至轮毂(HUB)中之Pitch Controller,来控制三支叶片之旋角。 五、结语 采用双馈式感应发电机，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机 转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率

15、、幅值和相位也不受转 子速度和瞬时位置的影响，使机电系统之间的刚性连接变为柔性连接。基于上述诸多优 点，山双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为訂前国际上风力发电方面的研 究重点和必然的发展趋势。 未来风力发电机将朝大型化(单机装置容量外10MW)及离岸式(Offshore)发展， 风力发电机技术之主流为无刷交流励磁双馈感应式发电机及永磁同步发电机两大类变速 恒频风力发电技术。国内学术界及产业界应对变速恒频交流励磁双馈发电机之相关技术 投入更多资源，方能建立自主研发及维护之能力。 请预览后下找! 匚 ANBUS realbme fibre optic network (FAST-Busr Ethernet) Extended/remote Visualization Pitch Controller 图八GE 1. 5se风力发电机之PLC控制架构图 六、参考数据 1. GE Manual, GE POWER CONVERSION 1 5MW WIND COWERTER PRODUCT OVERVIEW J , 2004。 2. /uk/images/stories/pdf/bae_wind_e.pdf： Bachmann Ml WTG Controller Syste