双馈异步风力发电机

双馈异步风力发电机
双馈异步风力发电机（DFIG，Double-Fed Induction Generator）是目前应用最为广泛的风力发电机，由定子绕组直连定频三相电网的绕线型异步发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。

简介
 双馈异步风力发电机（DFIG，Double-Fed Induction Generator）是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，也是风力发电机组国产化的关键部件之一。该发电机主要由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统组成，冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构[1] 。
双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变流器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了"柔性连接"，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。
工作原理
 双馈感应发电机由定子绕组直连定频三相电网的绕线型感应发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。
”双馈“的含义是定子电压由电网提供，转子电压由变流器提供。该系统允许在限定的大范围内变速运行。通过注入变流器的转子电流，变流器对机械频率和电频率之差进行补偿。在正常运行和故障期间，发电机的运转状态由变流器及其控制器管理。
变流器由两部分组成：转子侧变流器和电网侧变流器，它们是彼此独立控制的。电力电子变流器的主要原理是转子侧变流器通过控制转子电流分量控制有功功率和无功功率，而电网侧变流器控制直流母线电压并确保变流器运行在统一功率因数（即零无功功率）。
功率是馈入转子还是从转子提取取决于传动链的运行条件：在超同步状态，功率从转子通过变流器馈入电网；而在欠同步状态，功率反方向传送。在两种情况（超同步和欠同步）下，定子都向电网馈电。
优点
首先，它能控制无功功率，并通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制。其次，双馈感应发电机无需从电网励磁，而从转子电路中励磁。最后，它还能产生无功功率，并可以通过电网侧变流器传送给定子。但是，电网侧变流器正常工作在单位功率因数，并不包含风力机与电网的无功功率交换。


双馈式和直驱式风力发电机组介绍

1、双馈式发电机组

双馈式风力发电机组的叶轮通过多级齿轮增速箱驱动发电机，主要结构包括风轮、传动装置

、发电机、变流器系统、控制系统等。

双馈式风力发电机组系统将齿轮箱传输到发电机主轴的机械能转化为电能，通过发电机定子、转子传送给电网。发电机定子绕组直接和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变流器相连。变流器控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态。在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能量，这时变流器将直流侧能量馈送回电网。在亚同步发电时，通过定子向电网馈送能量、转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态，变流系统双向馈电，故称双馈技术。


双馈风力发电变速恒频机组示意图


变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同并且可根据需要进行有功和无功的独立控制。

变流器控制双馈异步风力发电机
实现并网，减小并网冲击电流对电机和电网造成的不利影响。

提供多种通信接口，用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。
提供实时监控功能，用户可以实时监控风机变流器运行状态。






变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术。在发电机的转子侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略，电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略；系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网和最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率的IGBT功率器件，保证良好的输出波形，改善双馈异步发电机的运行状态和输
出电能质量。这种电压型交-直-交变流器的双馈异步发电机励磁控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。






2、直驱式发电机组

直驱式风力发电机组的风轮直接驱动发电机，主要由风轮、传动装置、发电机、变流器、控制系统等组成。为了提高低速发电机效率，直驱式风力发电机组采用大幅度增加极对数（一般极数提高到100左右）来提高风能利用率，采用全功率变流器实现风力发电机的调速。



直驱风力发电变速恒频机组示意图

直驱发电机按照励磁方式可分为电励磁和永磁两种。
电励磁直驱风力发电机组采用与水轮发电机相同的工作原理。永磁直驱是近年来研发的风电技术，该技术用永磁材料替代复杂的电励磁系统，发电结构简单，重量相对励磁直驱机组较轻。但永磁部件存在长期强冲击振动和大范围温度变化条件下的磁稳定性问题，永磁材料的抗盐雾腐蚀问题

，空气中微小金属颗粒在永磁材料上的吸附从引起发电机磁隙变化问题，以及在强磁条件下机组维护困难问题等。此外，永磁直驱式风力发电机组在制造过程中，需要稀土这种战略性资源的供应，成本较高。


3、直驱式变速恒频风力发电系统变流器要完成以下功能：


1)最大限度捕获风能;

2)较宽的转速运行范围，适用于风力机变速运行;

3)可以灵活地调节系统的有功和无功功率;

4)采用先进的PWM控制技术可以抑制谐波，减小开关损耗，提高效率。