[整理]东汽FD70FD77风电机组变流器系统原理及应用

东汽FD70/FD77风电机组变流器系统原理及应用1 变速恒频发电系统的工作原理

1.1 交流电机的旋转磁场

以单相交流电机为例，单相交流电机有2 个绕组，它们在空间上相差90˚正交分布，分别给2 个绕组加入时间上相差90˚的交流电。如图1（a）所示，发电机定子上正交分布有2 个绕组，一个是AX，另一个是BY。2 个绕组加上的电流波形如图1（b）所示。我们规定从A 流进X 流出或从B 流进Y 流出为正方向；从X 流进A 流出或从Y 流进B 流出为负方向。

图1 单项交流电机绕组

在t0 时刻，A 绕组上通过的电流为零；B 绕组上通过的电流为负的最大值。根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。

在t1 时刻，A 绕组上通过的电流为正的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从上至下方向↓。

在t2 时刻，A 绕组上通过的电流为零，B 绕组上通过的电流为正的最大值，根据电磁定律，t2 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从右至左方向←。

在t3 时刻，A 绕组上通过的电流为负的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t3 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从下至上方向↑。

在t4 时刻，正好回到t0 时刻的状态，两个绕组合成的磁场方向为从左至

右方向→。电流变化一个周期，两个绕组合成的磁场旋转一周。

旋转磁场的转速为n=60f/p。

同理，如果三相绕组在空间上按120˚对称分布，三相绕组在时间上分别加上相位相差120˚的三相交流电。同样要在转子铁芯周围形成一个旋转磁场。

旋转磁场的转速n=60f/p。

其中，f 为三相交流电频率。P 为磁极对数。

1 变速恒频发电系统的工作原理

1.1 交流电机的旋转磁场

以单相交流电机为例，单相交流电机有2 个绕组，它们在空间上相差90˚正交分布，分别给2 个绕组加入时间上相差90˚的交流电。如图1（a）所示，发电机定子上正交分布有2 个绕组，一个是AX，另一个是BY。2 个绕组加上的电流波形如图1（b）所示。我们规定从A 流进X 流出或从B 流进Y 流出为正方向；从X 流进A 流出或从Y 流进B 流出为负方向。

图1 单项交流电机绕组

在t0 时刻，A 绕组上通过的电流为零；B 绕组上通过的电流为负的最大值。根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。

在t1 时刻，A 绕组上通过的电流为正的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t0 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从上至下方向↓。

在t2 时刻，A 绕组上通过的电流为零，B 绕组上通过的电流为正的最大值，根据电磁定律，t2 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从右至左方向←。

在t3 时刻，A 绕组上通过的电流为负的最大值，B 绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t3 时刻，两个绕组合成的磁场方向为从下至上方向↑。

在t4 时刻，正好回到t0 时刻的状态，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→。电流变化一个周期，两个绕组合成的磁场旋转一周。

旋转磁场的转速为n=60f/p。

同理，如果三相绕组在空间上按120˚对称分布，三相绕组在时间上分别加上相位相差120˚的三相交流电。同样要在转子铁芯周围形成一个旋转磁场。

旋转磁场的转速n=60f/p。

其中，f 为三相交流电频率。P 为磁极对数。

若定子或转子绕组，在任一时刻合成的磁场只有一对磁极（磁极对数p=1），即只有两个磁极，对旋转磁场而言, 三相电流变化一周, 合成磁场也随之旋转一周，如果是50Hz 的交流电，旋转磁场的同步转速就是3000r/min。

如果定子绕组合成的磁场有两对磁极（磁极对数p=2），即有四个磁极，可以证明，电流变化一个周期，合成磁场在空间旋转180˚，由此可以推导得出：p 对磁极旋转磁场每分钟的同步转速为n=60f/p。

当磁极对数一定时，如果改变交流电的频率，则可改变旋转磁场的同步转速，这就是变频调速的基本原理。1.5MW风电机组的同步转速是1500r/min, 所以双

馈发电机的定子/转子绕组磁极对数是2，即旋转磁场每分钟的转速为n=30f。也即频率f=50Hz，同步转速n0=30×50=1500r/min。

图2 转子与定子结构示意图

1.2 变速恒频发电机结构和原理

双馈发电机的定子通过开关和电网连接，转子通过碳刷引出和变频器输出连接。如图2 所示，观察方向从左至右，转子旋转方向为顺时针旋转；相对定子不动，转子转速为n。

风电机组转速小于同步转速1500r/min 时，在转子绕组上加上低频交流电，在转子线圈周围就会形成旋转磁场。这个旋转磁场的转速，相对于转子轴（相当于转子不动）来定义，转速为n1，方向与转子旋转方向n 相同。n 和n1 方向相同，两者同向相加，合成为转子旋转磁场n0。转子绕组旋转磁场，相对于转子轴而旋转；转子旋转磁场，相对于定子绕组而旋转。

风电机组转速大于同步转速1500r/min 时，改变转子电流的相序，可以改变转子绕组旋转磁场的方向，使得转子绕组旋转磁场的方向n2 与转子旋转方向n 相反。改变转子电流的频率可以改变转子绕组旋转磁场的速度，n 和n2 方向相反，两者反向相减，合成为转子旋转磁场n0=1500r/min。

例如：当风电机组转速为1200r/min 时，在转子绕组上加上一个正向旋转的三相交流电，频率为10Hz，则转子旋转磁场的转速n0=n+n1=1200+30×

10=1500r/min。以1500r/min 的旋转磁场切割定子绕组，则在定子绕组上感应出50Hz 的交流电。当风电机组转速为1800r/min 时，在转子绕组上加上一个反向旋转的三相交流电，频率为-10Hz，则转子旋转磁场的转速n0=n+n2=1200+30×10=1500r/min。

变流器通过实时跟踪发电机转子的转速，从而实时调整变流器输出的转子电流频率和相序，可以保证转子旋转磁场的转速始终保持为同步转速1500r/min，从而保证发电机发出的电压频率为工频50Hz，无论发电机的转速是多少

（1100r/min~1800r/min），发电机输出电压频率都是50Hz，实现变速恒频发电。

变流器主要完成电源频率的变换，网侧NPR IGBT 负责将690V 电源电压整流成1000V 以上的直流母线电压或者将直流母线电压逆变成工频50Hz 的690V 电源电压反馈回电网；机侧MPR IGBT 负责将直流母线电压逆变成频率

（0Hz~40Hz）可调、幅值和相位可调的交流电压加到转子绕组上，或者将发电机转子绕组发出的变频交流电压整流成直流母线电压，再由网侧IGBT 将直流母线电压逆变成工频50Hz 的690V 电源电压反馈回电网（图3）。

图3 电源频率变换示意图