双馈风力发电机及控制原理
双馈式风力发电机原理
双馈式风力发电机原理双馈式风力发电机介绍双馈式风力发电机是一种常见的风力发电装置。
它具有较高的效率和良好的适应性，被广泛应用于风力发电场。
下面将逐步解释双馈式风力发电机的原理。
风能转换风是一种自然资源，可以转化为电能。
风力发电机通过转换风能为机械能，再将机械能转化为电能，实现风能的利用。
双馈式风力发电机在风能转换过程中采用了特殊的设计，使得发电效率更高。
基本原理双馈式风力发电机的基本原理如下：1.风能转化为旋转动能：风力发电机的叶片接收到风的动能，产生旋转运动。
2.传递旋转动能：旋转的轴通过齿轮传动等方式，将旋转动能传递给转子。
3.转子的双馈结构：转子包含一对主磁极和一对辅助磁极，其中辅助磁极是可调节的。
4.感应发电原理：主磁极在转子上产生的磁场与定子上的线圈相互作用，产生感应电动势。
5.电能传输：感应电动势经过变频器和其他电气设备进行调节和转换后，传输到电网中。
双馈式结构优势双馈式风力发电机采用双馈结构，具有以下优势：•提高稳定性：通过调整辅助磁极的位置，可以实现对转速和功率的精确控制，提高系统的稳定性。
•减小成本：辅助磁极的可调节性降低了对控制系统的要求，减小了成本。
•适应性强：双馈式风力发电机适应性强，可以适应不同的风速和转速变化。
总结双馈式风力发电机通过利用风能转化为电能，实现了对风力资源的有效利用。
它采用双馈结构，通过调节辅助磁极的位置，实现对转速和功率的精确控制，提高了系统的稳定性和功率输出。
双馈式风力发电机具有较高的效率和适应性，是目前风力发电场常用的装置之一。
第七章_双馈风力发电机工作原理
二、 双馈发电机的功率传输关系
风力机轴上输入的净机械功率（扣除损耗后）为 Pmech ，发电机定子向电网输出 的电磁功率为 P1 ，转子输入/输出的电磁功率为 P2 ，s 为转差率，转子转速小于同步 转速时为正，反之为负。 P2 又称为转差功率，它与定子的电磁功率存在如下关系：
P2 = s P1
如果将 P2 定义为转子吸收的电磁功率，那么将有：
（3-5）
式中：
R1 、 X 1 分别为定子侧的电阻和漏抗
' ' 、 X2 分别为转子折算到定子侧的电阻和漏抗 R2
X m 为激磁电抗 分别为定子侧电压、感应电势和电流 、I 、E U 1 1 1
' 分别为转子侧感应电势，转子电流经过频率和绕组折算后折算 ' 、I E 2 2 到定子侧的值。
' / s 为U ' 转子励磁电压经过绕组折算后的值， ' 再经过频率折算后的 U U 2 2 2 值。
频率归算： 感应电机的转子绕组其端电压为 U 2 ，此时根据基尔霍夫第二定律，可写出转 子绕组一相的电压方程：
=I ( R + jsX ) − U E 2 2s 2 2s 2s
=〉
E 2s ( R2 + jX ) − U 2 =〉 E =I ( R2 + jX ) − U 2 =I 2s 2s 2 2s 2s s s s s s
为转子电流； R 为转子每相电阻。图 3-1 表示与式 5-20 相对应的 式中， I 2s 2
= E 2 s 为转子不转时的感应电动势。 转子等效电路。 E 2 s
即转子转速低于同步转速时的运行状态，我们可以称之为补偿发电状态（在亚 同步转速时，正常应为电动机运行，但可以在转子回路通入励磁电流使其工作于发 电状态）
双馈风力发电机工作原理
双馈风力发电机工作原理双馈风力发电机由三个主要部分组成：风轮，机械传动系统和电气系统。
风轮是由叶片和轮毂组成的，它负责将风能转化为旋转能量。
机械传动系统则负责将旋转能量转移到发电机上。
而电气系统则将机械能转化为电能，并送入电网中。
首先，风轮在风速的推动下开始旋转。
当风速足够高时，风轮旋转的速度也相应增加。
旋转的风轮通过主轴将旋转能量传输给发电机的转子。
与传统的固定速度（常规）发电机不同的是，双馈风力发电机是一种变速发电机。
它的转子上设有两组绕组：定子绕组和转子绕组。
定子绕组固定在发电机的圆柱形部分上，而转子绕组则固定在转子上。
定子绕组与电网直接相连，通过电网供电并产生旋转磁场。
转子绕组上也有一个与电网连接并可以提供电能的回路。
这个循环是通过一个双级功率变换器实现的，这也是双馈风力发电机名称的由来。
双级功率变换器是由一个转子侧变频器和一个定子侧变频器组成的。
当风轮旋转的速度发生变化时，定子绕组上的旋转磁场也会发生变化。
这个变化的旋转磁场会产生感应电动势，使转子绕组上的电流发生变化。
这个变化的电流经由双级功率变换器输入到定子绕组上。
由于双级功率变换器的存在，电流可以根据需求进行加减，从而实现功率的控制。
通过双级功率变换器，转子绕组上的电流可以与定子绕组上的电压相互配合，从而实现最佳的功率传输。
定子侧的变频器控制着定子绕组上的电流和频率，保持电网的稳定性和功率质量。
而转子侧的变频器则控制着转子绕组上的电流和频率，提高了发电机的效率和可靠性。
总的来说，双馈风力发电机通过风轮将风能转化为旋转能量，然后将旋转能量通过机械传动系统传输给发电机的转子。
转子上的双级功率变换器帮助将机械能转化为电能，并将其送入电网中。
通过双级功率变换器的灵活控制，双馈风力发电机能够提高整个系统的效率和稳定性，从而更好地利用风能资源。
双馈、直驱、半驱风力发电机工作原理
双馈、直驱、半驱风力发电机工作原理双馈、直驱和半驱风力发电机是目前常见的几种风力发电机构。
它们分别采用不同的工作原理来转换风能为电能，并在风力发电行业中得到广泛应用。
我们来了解一下双馈风力发电机的工作原理。
双馈风力发电机是一种采用异步发电机的结构，其转子由两部分组成：一个是固定子，另一个是转子。
风力通过叶片传递给转子，转子通过传动系统将机械能转化为电能。
在双馈风力发电机中，转子的定子通过拖动转子的磁场，使得风力发电机可以实现变频调速。
双馈风力发电机具有转矩平稳、响应速度快的优点，可以适应不同风速下的工作状态。
接下来，我们介绍一下直驱风力发电机的工作原理。
直驱风力发电机是一种采用永磁同步发电机的结构，其转子由永磁体构成。
风力通过叶片传递给转子，转子通过直接驱动发电机产生电能。
直驱风力发电机不需要传动系统，减少了能量转换的损失，提高了发电效率。
直驱风力发电机具有结构简单、体积小、维护成本低等优点，逐渐成为风力发电领域的主流技术。
我们来了解一下半驱动风力发电机的工作原理。
半驱动风力发电机是双馈风力发电机和直驱风力发电机的结合体，它采用了双馈发电机的转子结构和直驱发电机的永磁体。
风力通过叶片传递给转子，转子通过传动系统将机械能转化为电能。
半驱动风力发电机兼具双馈风力发电机和直驱风力发电机的优点，具有较高的发电效率和稳定性。
双馈、直驱和半驱风力发电机是目前常见的几种风力发电机构。
它们分别采用不同的工作原理来转换风能为电能，并在风力发电行业中发挥重要作用。
双馈风力发电机通过变频调速实现转矩平稳，响应速度快；直驱风力发电机通过永磁同步发电机实现高效发电；半驱动风力发电机兼具双馈和直驱的优点，具有较高的发电效率和稳定性。
随着风力发电技术的不断发展，这些风力发电机构将进一步完善和提升，为可持续能源的开发和利用做出更大贡献。
探讨无刷双馈风力发电机的设计分析与控制
探讨无刷双馈风力发电机的设计分析与控制无刷双馈风力发电机是一种新型的风力发电机，其设计与控制技术对于提高风力发电机的效率和性能具有重要的意义。
本文将围绕无刷双馈风力发电机的设计原理、分析方法以及控制技术展开探讨，旨在提高读者对于这一新型风力发电技术的理解。
一、无刷双馈风力发电机的设计原理无刷双馈风力发电机是在传统的双馈风力发电机基础上进行了改进，其设计原理主要包括无刷化技术和双馈技术。
无刷化技术是指将传统双馈风力发电机中的差动转子绕组和励磁绕组由刷子式调速器改为电子式调速器，从而实现了发电机的无刷化运行，即无需使用碳刷和滑环，减少了摩擦损耗和维护成本，提高了发电机的可靠性和稳定性。
双馈技术是指在发电机的转子上设置一个差动绕组和一个励磁绕组，分别接通到转子外的两个变频器上，这样可以实现发电机的双馈运行，从而提高了发电机的自起动能力和低速区的发电效率。
无刷双馈风力发电机不仅具备了传统双馈风力发电机的优点，还具有了无刷化的优势，使得其在风力发电领域具有了更广阔的应用前景。
1. 发电机的结构设计无刷双馈风力发电机的结构设计主要包括转子结构、定子结构和冷却系统。
在转子结构设计上，需要考虑差动绕组和励磁绕组的布局，以及电子式调速器和转子温度的控制。
在定子结构设计上，需要考虑定子绕组的布局和传热系统，以及发电机的外部接线和绝缘系统。
在冷却系统设计上，需要考虑发电机在不同工况下的热特性，选择合适的冷却介质和冷却方式，以确保发电机在长时间运行中不会因发热而出现故障。
2. 发电机的电磁设计无刷双馈风力发电机的电磁设计是其设计的关键部分，主要包括磁场分析、电路设计和电磁计算。
在磁场分析中，需要通过有限元分析软件对发电机的磁场进行分析，以优化磁路设计和减小磁损。
在电路设计中，需要根据磁场分析结果设计差动绕组和励磁绕组的电路，以实现双馈运行和无刷化控制。
在电磁计算中，需要进行电磁场和热场的耦合计算，以验证发电机设计的合理性和可靠性。
双馈风力发电机的工作原理
双馈风力发电机的工作原理
双馈风力发电机是一种常见的风力发电机类型，它具有高效、
稳定的特点，被广泛应用于风力发电行业。
它的工作原理主要包括
风能转换、发电机转换和电能输出三个部分。
首先，风能转换是双馈风力发电机的核心。
当风力转动风轮时，风轮上的叶片受到风力的作用而转动，将风能转化为机械能。
这个
过程需要考虑风力的大小、方向和速度等因素，以确保风能能够有
效地被转换为机械能。
其次，机械能被传递到发电机上进行转换。
双馈风力发电机采
用双馈结构，即转子和定子都能够接受电力的输入和输出。
在这个
过程中，机械能被转化为电能，通过发电机的转子和定子之间的电
磁感应原理，产生交流电。
最后，产生的交流电经过电力系统的调节和控制，最终输出为
电能。
这个过程需要考虑电能的稳定性、频率和电压等因素，以确
保电能能够被有效地输送到电网中，供给用户使用。
总的来说，双馈风力发电机的工作原理是将风能转换为机械能，
再将机械能转换为电能，最终输出为电能供给使用。
它的高效、稳定性使得它成为风力发电行业的重要组成部分，对于推动清洁能源发展具有重要意义。
双馈、直驱、半驱风力发电机工作原理
双馈、直驱、半驱风力发电机工作原理双馈风力发电机、直驱风力发电机和半驱风力发电机是目前常见的风力发电机类型。
它们分别采用不同的工作原理，以实现风能的高效转化为电能。
双馈风力发电机是一种常用的风力发电机类型。
它由风轮、发电机和变频器组成。
风轮通过叶片将风能转化为机械能，驱动发电机旋转。
发电机是双馈结构，即具有两个馈线圈：一个是固定转子上的主馈线圈，另一个是转子上的副馈线圈。
主馈线圈与电网相连，副馈线圈通过变频器与电网相连。
当风力发电机转速变化时，电网电压和频率不变，主馈线圈的电流也保持不变。
副馈线圈的电流则通过变频器调节，以使发电机输出的电流和电网电压保持同步，实现电能的高效输送和稳定输出。
直驱风力发电机则是将风轮直接连接到发电机上，取消了传统的传动装置。
风轮通过叶片将风能转化为机械能，直接驱动发电机旋转。
直驱风力发电机通常采用永磁同步发电机作为发电机，它具有结构简单、高效率等优点。
此外，直驱风力发电机还可以在变速范围内实现高效的风能转化，适应不同风速下的发电需求。
半驱风力发电机是双馈风力发电机和直驱风力发电机的结合。
它采用了一种带有齿轮箱的直驱发电机，以实现风能的高效转化。
风轮通过叶片将风能转化为机械能，经过齿轮箱的变速作用后，驱动发电机旋转。
半驱风力发电机既兼具了直驱风力发电机的高效率特点，又克服了直驱风力发电机在变速范围内的限制。
通过合理设计齿轮箱的传动比，可以使发电机在不同风速下都能实现高效的发电。
总结起来，双馈风力发电机、直驱风力发电机和半驱风力发电机都是通过将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的方式实现风力发电。
它们分别采用了不同的工作原理，以实现风能的高效转化和稳定输出。
在不同的应用场景中，可以根据具体需求选择合适的风力发电机类型，以实现风能的最大利用和经济效益的最大化。
双馈异步风力发电机 原理
双馈异步风力发电机（DFIG）是一种常用于大型风力发电系统中的发电机。
它采用了双馈结构，即转子上的差动输出。
下面是双馈异步风力发电机的工作原理：
1. 变速风轮：风力通过变速风轮传递给风力发电机。
2. 风力发电机转子：发电机的转子由固定的定子和可旋转的转子组成。
转子上有三个绕组：主绕组、辅助绕组和外部绕组。
3. 风力传动：风力使得转子转动，转子上的主绕组感应出交变电磁力，产生主磁场。
4. 变频器控制：通过变频器，将固定频率的电网电压和频率转换为可调节的电压和频率。
5. 辅助转子绕组：辅助绕组连接到变频器，通过变频器提供的电压和频率来控制转子的电流。
6. 双馈结构：辅助转子绕组的电流经过转子上的差动输出到外部绕组，形成双馈结构。
外部绕组与电网相连。
7. 发电转换：转子上的双馈结构使得发电机能够将风能转化为电能，
并输出到电网中。
通过双馈异步风力发电机的工作原理，可以实现对风能的高效转换和可调节的发电功率输出。
同时，利用双馈结构，可以提高发电机对风速变化的适应性和控制性能，从而提高整个风力发电系统的效率和稳定性。
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风力发电简介
• • • • • Click to edit Master text styles 不同类型的风机 水平轴风机 Second level Third level Fourth level Fifth level 永磁直驱型风机
垂直轴风机
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风力发电简介
• • • •
– 按风轮机类型分(风能到机械能) Second level • 水平轴、垂直轴 • 定桨距、变桨距 Third level • 单叶片、双叶片、三叶片、多叶片 Fourth level • 定速型、变速型 – 按发电机类型分 (机械能到电能) Fifth level
• • • • 鼠笼式 绕线式 同步/永磁式 其他新型电机（开关磁阻电机、横向磁场电机、高压电机）
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风力发电简介
• • • • • Click to edit Master text styles 基于鼠笼式异步电机的风电机组 Second level Third level Fourth level Fifth level
变速箱 电网 变速箱 鼠笼式电机 鼠笼式电机 无功补 偿电容 无功补 偿电容 (a) (b) 变速箱 电网 滤波器 鼠笼式电机 无功补 偿电容 (c) 变速箱 滤波器 鼠笼式电机 (d) 电网
2009-4-1
4
风力发电简介
• • • • • Click to edit Master text styles 中国风电市场发展 – 电机、齿轮箱、叶片等设备已实现国产化； Second level – 电控系统国产化程度低，被国外设备占据。 Third 1997-2008 level 年中国风力发电总装机容量（除台湾省） Fourth level Fifth level
Rs Lls Rr’/s Rm Us Lm Ur’/s Llr’
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双馈电机原理
Click to edit Master text styles • 不同工况下双馈电机的能量关系 • Second level A、超同步速发电 • Third level • Fourth level • Fifth level
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• • • • •
Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level 一、风力发电简介 Fifth level
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风力发电简介
• • • • • Click to edit Master text styles 中国风电场分布图（截止 2007年年底） Second level Third level Fourth level Fifth level
Ps
Pm
Pr
• 静止Kramer(单向)、静止Scherbius(双向)
• 双馈电机是由绕线式电机与变流器共同组 成的一种电机运行系统。
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双馈电机原理
• • • • • Click to edit Master text styles 双馈电机系统结构 – 静止Kramer Second level结构 • 转差功率单向流动 Third level • 定子侧励磁 Fourth level • 转速范围窄 Fifth level – 静止 Scherbius结构
(a)
变速箱
电网
绕线电机
(b)
电网
变速箱 绕线电机
(c)
变速箱
电网 滤波器 绕线电机
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(d)
风力发电简介
• • • • • Click to edit Master text styles 双馈机型的优、缺点 – 优点： level Second • 气动效率高，机械应力小，功率波动小 Third level • 功率变换设备成本低 Fourth level – 缺点： Fifth level • 电机滑环、齿轮箱等设备维护量大
Ps
超同步运行
1 s Ps
电阻
a
sPs
Te
0
1 s Ps
Ps
s0
亚同步运行
D、亚同步速电动
1 s Ps
sPs
电阻
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发电机运行
1
d
22
电动机运行
双馈电机原理
Click to edit Master text styles • 双馈电机工作原理 • 电机类型 Second level 同步电机 双馈电机 转子绕组交流励磁 • 励磁方式 Third level转子绕组直流励磁 气隙磁场转速 转子转速 转子转速+转子励磁电流频率 • Fourth level 功角 与转子惯性相关（机械） 由转子励磁器调节（电气） 固定（与电网频率同步） 同步速上下一定转速范围 • 转子转速 Fifth level
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风力发电简介
• • • • • Click to edit Master text styles 直驱型机组优、缺点 – 优点： level Second • 不需要齿轮箱，维护量小 Third level • 永磁同步机组效率高 Fourth level – 缺点： Fifth level • 技术不成熟
发电机运行
c
1
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电动机运行
双馈电机原理
Click to edit Master text styles • 普通异步电机运行工况 s0 • Second level • Third level A、超同步速发电 • Fourth level • Fifth level
1
1 s Ps
◎更大的机组容量 ◎变速或定速运行 ◎更先进的桨叶材料和制造工艺 ◎负载和轮毂的反馈控制 5MW ◎高效的电力电子设备 ◎低速直驱型发电机 ◎更加柔性的结构
1.8MW
40
500KW 300KW
◎变速或定速运行 ◎特殊桨叶设计—NREL ◎功率调节和桨角控制 ◎行星齿轮传动 ◎感应电机 ◎300－750KW，30－ 50M风轮直径
• • • • • Click to edit Master text styles 风力发电技术的进展 Second level m Third level 风 Fourth level 1.5MW机组的 轮 商业化运行 直 750KW Fifth径level
100 80 60
◎刚性结构 ◎三桨叶上风布局，主 动偏航，定速控制 ◎叶尖刹车或全桨距控 制 ◎玻璃钢桨叶 ◎齿轮传动，大小两台 感应电机 ◎塔架或者塔筒结构 ◎50－300KW，15－30M 风轮直径
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• • • • •
Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level 二、双馈电机原理 Fifth level
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双馈电机原理
• • • • • Click to edit Master text styles 电机的分类 – 变压器 level Second – 直流电机 Third level – 同步电机 Fourth level – 异步电机 Fifth level • 鼠笼式
• 绕线式
– ……
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双馈电机原理
• • • • • Click to edit Master text styles 异步电机运行方式 – 转差功率全部损耗 Second level • 定子调压、转子串电阻 Third level – 最优转差功率 Fourth level • 定子变频运行 Fifth level – 转差功率回馈（双馈运行模式）
电网
变速箱
电网 滤波器 无刷双 馈电机 (e)
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风力发电简介
• • • • • Click to edit Master text styles 基于绕线式电机的风电机组 Second level Third level Fourth level Fifth level
电网 变速箱 绕线电机
转子绕组 仅有一个d轴励磁绕组 等效存在两个可控励磁绕组
– 双馈电机是一种交流励磁的电机； – 同步电机是双馈电机的一种特例。
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双馈电机原理
Click to edit Master text styles • 双馈电机与普通绕线电机设计上的不同 • 电机类型 Second level 双馈风力发电机 普通绕线电机 正弦电压供电，要求低 • 转子绝缘 Third level变流器驱动，要求高 散热 要求在整个转速运行范围内， 轴带风扇转速固定，风量 • Fourth level 容易控制，散热简单。 轴带风扇风量与风机功率曲 线相匹配，设计难度大。 • Fifth level 系统参数匹配 需要考虑与双馈变流器的参 系统配合要求较低。
• • • • •
Click to edit Master text styles Second level 双馈风力发电机及控制原理 Third level Fourth level 北京清能华福风电技术有限公司 Fifth level
2009年8月
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双馈风力发电机及控制原理
• • • • • Click to edit Master text styles 主要内容 – 风力发电简介 Second level – 双馈电机原理 Third level – 双馈电机控制策略 Fourth level Fifth level