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1111、双馈型风力发电系统的运行原理、双馈型风力发电系统的运行原理、双馈型风力发电系统的运行原理、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。电网DFIGDFIGDFIGDFIGCrowbarCrowbarCrowbarCrowbar变流器齿轮箱偏航机构变桨机构滤波器变流器控制制动器变压器风轮机定子接触器系统控制器图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：12rnnn=±2160fnnfrp±=1211rnnnsnn−==±式中，1n、rn、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，pn为发电机极对数，ssnnns−=为发电机的转差率。由上式可知，当发电机转子转速rn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rn1n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rn1n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rn=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。2.2.2.2.变速恒频双馈风力发电机运行工况变速恒频双馈风力发电机运行工况变速恒频双馈风力发电机运行工况变速恒频双馈风力发电机运行工况2.2.2.2.1111双馈电机在不同工作状态下的功率分布流程双馈电机在不同工作状态下的功率分布流程双馈电机在不同工作状态下的功率分布流程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sP（向电网馈送电能时为正，吸收电网电能时为负）和机械功率mecP（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：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，21nnn−=，由于2n与1n方向相反，所以n＞1n，转差S0。并且电磁转矩emT与n反向，起制动作用。因而此时，双馈电机是吸收机械功率mecP，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sP。因此可得mecP=1P+sP。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，21nnn−=，由于2n与1n方向相反，所以n＞1n，转差率S0。并且电磁转矩emT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sP，向外输出机械功率mecP。因此可得mecP=1P+sP。3）双馈电机运行于亚同步发电机状态：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，21nnn−=，由于2n与1n方向相同，所以n＜1n，转差率S＞0。并且电磁转矩emT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sP，向外吸收机械功率mecP，通过定子侧向电网输出转差功率1P。因此可得1P=mecP+sP。4）双馈电机运行于亚同步电动机状态：从图5中可以看到，21nnn−=，由于2n与1n方向相同，所以n＜1n，转差率S＞0。并且电磁转矩emT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mecP，通过转子侧向电网输出转差功率sP。因此可得1P=mecP+sP。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=mI-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。3333、双馈风力发电变流器控制、双馈风力发电变流器控制、双馈风力发电变流器控制、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。由于电网侧所要实现的控制目标是对电网功率因数和直流侧电压的控制，则电网侧变流器控制系统的控制变量为直流电压和电网电流。4444、变流器主电路开关器件参数设计、变流器主电路开关器件参数设计、变流器主电路开关器件参数设计、变流器主电路开关器件参数设计风力发电系统所用交流-直流-交流变流器开关器件选用绝缘栅双极晶体管（IGBT），电机侧变流器和电网侧变流器均采用IGBT作为开关器件，对于IGBT的选型需要分别考虑电机侧最大持续电流峰值和电网侧最大持续电流峰值，同时还需要考虑到中间直流电压最高值来选择合适的开关器件参数。4.1电机侧最大电流有效值计算电机额定转速为1800r/min，而电机转速范围是：1000-2030r/min，当双馈发电机工作在转速1800r/min，即转差率0.2S=−的超同步工况时，发电机定子侧有功功率达到最大值为：111560130011.2sGPPkWkWs=×=×=−此时，定子电流和转子电流也达到最大值。下面分三种情况具体计算转子电流：一、不考虑电网电压波动时的电机转子电流：转速为n=1800r/min,定子侧电压峰值定子侧电压峰值定子侧电压峰值定子侧电压峰值为：2690975.81smUV=×=；计算转子电流为：1102.98smrdmUiALω==534.3232srqmsmsPiALUL==⋅⋅则转子侧电流峰值最大为：22544.15rrqrdiiiA=+=则转子侧电流有效值最大为：384.832rrabiiA−==sL——定子绕组在d-q坐标系下的等效自感,rL——转子绕组在d-q坐标系下的等效自感；mL——定、转子间绕组在d-q坐标系下的等效互感。二、考虑电网电压波动时的电机转子电流转速为n=1800r/min,考虑电网电压波动，当电压跌落10%时，定子侧电压峰值为：26900.9878.22smUV=××=；计算转子电流为：192.687smrdmUiALω==593.6932srqmsmsPiALUL==⋅⋅则转子侧电流峰值最大为：22600.88rrqrdiiiA=+=则转子侧电流有效值最大为：424.952rrabiiA−==三、当功率因数cos0.9ϕ=时，考虑电网电压波动时的电机转子电流转速为n=1800r/min，考虑电网电压波动时定子侧电压峰值为：26900.9878.22smUV=××=，定子侧无功功率为:stan(arccos0.9)1560755.54Qkwkw=⋅=;则转子侧q轴电流rqi不变，d轴电流rdi为：1432.3332smsrdmmsmsUQiALLULω=+=⋅⋅则转子侧电流峰值最大为：22734.423rrqrdiiiA=+=则转子侧电流有效值最大为：519.392rrabiiA−==综上所述，第三种情况时，电机转子侧电流最大，则电机侧变流器IGBT额定电流为：122519.391468.83TiAA=××=4.2电网侧最大电流有效值计算当双馈发电机工作在转速2030r/min，即转差率0.353s=−的超同步工况时，发电机转子侧有功功率达到最大值为：0.353156040711.353rsPPkWkWs=×=×=−由于电网侧变流器并网功率因数恒为1，所以发电机转子侧有功功率Pr与网侧变流器的有功功率rP相等，则考虑电网电网电压波动10%时，变流器电网侧输出交流线路上的最大电流有效值为：407378.4030.9690rkWIAV==××则电网侧变流器IGBT额定电流为：222378.391070.28TiAA=××=4.3.采用滤波器原因：风力发电系统中采用PWM变流器驱动异步电机，在实际应用中，双馈变流器位于塔底，双馈发电机安装在塔顶，在变流器和发电机之间采用长线电缆传输时，当PWM变流器发射脉冲经过长线电缆传至电机时会产生电压反射现象，导致在发电机端产生过电压、高频阻尼振荡，进一步加剧电机绕组的绝缘压力，造成电机在短期内绝缘击穿等事故，分析表明发电机端产生的过电压与变流器输出PWM脉冲上升时间和电缆长度有关。PWM变流器的输出脉冲经过长线电缆传至发电机，由于长线电缆的分布特性，即存在漏电感和耦合电容，会产电压反射现象，在发电机端产生过电压、高频阻尼振荡，进一步加剧发电机绕组的绝缘压力。这种反射现象与变流器输出脉冲的上升时间以及电缆的长度有关。一般PWM脉冲的传输速度约为光速的1／2，当脉冲由变流器传输到发电机的时间超过脉冲上升时间的1／3时，在发电机端发生垒反射，使电压近似加倍，从而使发电机的绝缘迅速老化甚至击穿。5555、低电压穿越技术概述、低电压穿越技术概述、低电压穿越技术概述、低电压穿越技术概述低电压穿越技术，关于双馈电机的低电压工作原理，简单地说，是在电网电压跌落及恢复期间，由于定子电压突变而磁链来不及变化，在磁链中产生直流分量和负序分量，该分量在转子中感应出较高电压（高达2000多伏），进而产生一系列的过电流和过电压现象。低电压穿越，是指在风机并网点电压跌落时，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率以支持电网恢复，直到电网电压恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间。目前各国都在相继制定新的电网运行准则，要求风电系统具有一定的低电压穿越能力。中国的电网运行准则目前还在制定中，暂时还没有明确的规定。最具代表性的是德国电网运营商E.ONNetz对风电场风力机组提出的LVRT要求[8]，如图8所示。1001