变流器基本原理

1、双馈型风力发电系统的运行原理

双馈型风力发电系统结构图如图1所示，由风轮机、齿轮箱、变桨结构、偏航机构、双馈电机、变流器、变压器、电网等构成。其工作过程为：当风吹动风轮机转动时，风轮机将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈电机，双馈电机将机械能转化为电能，再经变流器及变压器将其并入电网。通过系统控制器及变流器对桨叶、双馈电机进行合理的控制使整个系统实现风能最大捕获，同时，通过对变桨机构、变流器及Crowbar 保护电路的控制来应对电力系统的各种故障。

双馈异步发电机的定子与转子两侧都可以馈送能量，由于转子侧是通过变频器接入的低频电流起到了励磁作用，

因此又名交流励磁发电机。双馈异步发电机主机结构特点是：定子与一般三相交流发电机定子一样，具有分布式绕组；转子不是采用同步发电机的直流集中绕组，而是采用三相分布式交流绕组，与三相绕线式异步机的转子结构相似。正常工作时，定子绕组并入工频电网，转子绕组由一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电，转子励磁系统通常采用交-直-交变频电源供电。

图1、双馈风力发电系统结构图

双馈异步发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止，此时有如下数学关系表达式：

12

r n n n =±2160

f n n f r p ±=

12

11

r n n n s n n −==±式中，1n 、r n 、2n 分别为定子电流产生磁场的旋转速度、转子旋转速度和转子电流产生磁场相对于转子的旋转速度，1f 、2f 分别为定、转子电流频率，p n 为发电机极对数，s

s n n n s −=为发电机的转差率。由上式可知，当发电机转子转速r n 发生变化时，若调节转子电流频率2f 相应变化，可使1f 保持恒定不变，实现双馈异步发电机的变速恒频控制。当r n <1n 时，电机处于亚同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相同，变频器向转子提供交流励磁，定子向电网馈出电能；当r n >1n 时，电机处于超同步速运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子旋转方向相反，此时定、转子均向电网馈出电能；当r n =1n 时，2f =0，变频器向转子提供直流励磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运行。

双馈电机转子侧接变流器，其调速的基本思想就是要在转子回路上串入附加电势，通过调节附加电势的大小、相位和相序来实现双馈调速。与传统的直流励磁同步发电机相比，双馈异步发电机励磁系统的调节量由一个变为三个，即励磁电流的幅值、频率和相位。所以，调节励磁不仅可以调节发电机的无功功率，还可以调节发电机的有功功率和转子转速。因此，该电机在提高电力系统稳定性、变速运行能力方面有着优良的特性。

2.变速恒频双馈风力发电机运行工况

2.1双馈电机在不同工作状态下的功率分布流程

从上面对双馈电机的分析，我们可以建立双馈电机在不同情况下的运行状态，并且同时分析在该种情况下的功率流程。主要讨论的是定子侧功率1P （向电网输出电能时为正，吸收电网电能时为负），转差功率s P （向电网馈送电能时为正，吸收电网电能时为负）和机械功率mec P （电机吸收机械功率为正，电机输出机械功率时为负）。

1）双馈电机运行于超同步发电机情况下：

整个风机的机械效率

同步转速

图2、双馈电机超同步发电机时的功率流程

从上图中可以看到，21n n n −=，由于2n 与1n 方向相反，所以n＞1n ，转差S<0。并且电磁转矩em T 与n 反向，起制动作用。因而此时，双馈电机是吸收机械功率mec P ，然后通过定子侧向电网输出功率1P ，通过转子侧向电网馈送转差功率s P 。因此可得mec P =1P +s P 。2）双馈电机运行于超同步电动机状态：

图3、双馈电机超同步电动机时的功率流程

从上图中可以看到，21n n n −=，由于2n 与1n 方向相反，所以n＞1n ，转差率S<0。并且电磁转矩

em T 与n 同向，起驱动作用。因而此时，双馈电机是通过定子侧向电网吸收功率1P ，通过转子侧向电网吸收转差功率s P ，向外输出机械功率mec P 。因此可得mec P =1P +s P 。

3）双馈电机运行于亚同步发电机状态：

n1定子磁场转速

n2转子转速

n 转子磁场想对于转子旋转的转速n1-n/n1

亚同步

图4、双馈电机亚同步发电机时的功率流程

从上图中可以看到，21n n n −=，由于2n 与1n 方向相同，所以n＜1n ，转差率S＞0。并且电磁转矩em T 与n 反向，起制动作用。因而此时，双馈电机是通过转子侧向电网吸收功率s P ，向外吸收机械功率mec P ，通过定子侧向电网输出转差功率1P 。因此可得1P =mec P +s P 。

4）双馈电机运行于亚同步电动机状态：

从图5中可以看到，21n n n −=，由于2n 与1n 方向相同，所以n＜1n ，转差率S ＞0。并且电磁转矩em T 与n 同向，起驱动作用。因而此时，双馈电机是通过定子侧向电网吸收功率1P ，向外输出机械功率mec P ，通过转子侧向电网输出转差功率s P 。因此可得1P =mec P +s P 。

图5、双馈电机亚同步电动机时的功率流程

上面一共讨论了双馈电机在四种情况下的运行特性，但是我们在风力发电中需要考虑的仅仅是1），3）两种发电机运行情况。并且还应当注意的是，由于1I =m I -2I ，可以调节转子侧绕组中电流2I 相位大小，来控制定子中定子电流1I 的相位和大小，从而实现通过转子

侧的少量无功功率来控制定子侧的大量无功功率。

3、双馈风力发电变流器控制

一、电机侧变流器的控制

图6电机侧变流器结构图

电机侧变流器拓扑结构如图所示，电机转子侧接三相电压型PWM变流器，其直流环节通常是恒定的，即直流侧电压恒定，交流侧转子量通常是变化的。

可以通过控制电机侧变流器的电流给定进行定子侧电流相位、幅值、频率的控制，并控制电机稳态运行时转速稳定，通过控制转子侧电流间接控制电机功率。

对于电机侧变流器的控制采用定子磁链定向的矢量控制（目前有多种方法）。

二、电网侧变流器的控制

图7电网侧变流器结构图

电网侧PWM变流器实际上是一个三相电压型PWM整流器，其控制目标是调节网侧功率因数，保持直流母线电压恒定。

具体控制方式采用电网电压定向矢量控制，即先建立电网侧PWM变流器的数学模型，将其转换至d-q轴坐标系下，将电网电压矢量定向在d轴上，在此基础上建立电网侧PWM变流器在电网电压矢量控制下的方程。