第3章　双馈风力发电机

3.1　双馈风力发电机结构与基本原理

3.1.1　概述

现在关于双馈风力发电机的名称很多，如“双馈电机”“双馈发电机”“双馈风力发电机”“双馈异步发电机”“双馈异步风力发电机”等，严格意义上它们的含义不完全相同，但是在风力发电的特定范畴内，这些名称实际所指的相同，均是指以风力机驱动的双馈发电机。虽然双馈发电机还可用于其他场合，但本书主要定位于风力发电场合，因此，除特殊需要，本书统一用“双馈风力发电机”这一名词。双馈风力发电机实质上是绕线型转子异步电机，由于其定子、转子都能向电网馈电，故简称双馈风力发电机。双馈风力发电机虽然属于异步风力发电机的范畴，但是由于其具有独立的励磁绕组，可以像同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机，也有的称为异步化同步电机。

双馈风力发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、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，精确调节发电机输出电压，使其满足要求。

当双馈风力发电机作异步电动机运行时，电磁转矩和转速方向相同，即转差率s＞0；当双馈风力发电机作异步发电机运行时，电磁转矩和转速方向相反，转差率s＜0，发电机的功率随该负转差率绝对值的增大而提高。当双馈风力发电机的转子绕组通过三相低频电流时，在转子中会形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度与转子的机械转速相叠加，使其等于定子的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速随之而变化，相应地改变转子电流的频率和旋转磁场的速度，使定子输出频率保持恒定。

双馈风力发电机通过控制转子励磁使定子的输出频率保持在工频。当发电机的转速低于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于亚同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要变频器向发电机转子提供正相序励磁，给转子绕组输入一个使旋转磁场方向与转子机械转速方向相同的励磁电流，此时转子的制动转矩与转子的机械转速方向相反，转子的电流必须与转子的感应电动势反方向，转差率减小，定子向电网馈送电功率，而变频器向转子绕组输入功率。当发电机的转速高于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于超同步运行状态，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要给转子绕组输入一个旋转磁场方向与转子机械方向相反的励磁电流，此时变频器向发电机转子提供负相序励磁，以加大转差率，变频器从转子绕组吸收功率；当发电机的转速等于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于同步速运行，变频器应向转子提供直流励磁，此时，转子的制动转矩与转子的机械转速方向相反，与转子感生电流产生的转矩方向相同，定子和转子都向电网馈送电功率。

双馈风力发电机通过调节励磁电流的幅值、频率和相序，确保发电机输出功率恒压，同时采用矢量变换控制技术实现发电机有功功率、无功功率的独立调节。双馈风力发电机通过调节有功功率可调节风力机转速，进而实现捕获最大风能的追踪控制；而调节无功功率可调节电网功率因数，提高风力发电机组及所并电网系统的动态、静态运行稳定性。根据双馈风力发电机数学模型和发电机的功率方程可知，调节转矩电流分量和励磁电流分量可分别实现有功功率和无功功率的独立调节。此外，现有的双馈风力发电机发出的电能是经变压器升压后直接与电网并联，而且在转速控制系统中采用了电力电子装置，因此会产生电力谐波。发电机在向电网输出有功功率的同时，必须从电网吸收滞后的无功功率，这使功率因数恶化，加重电网的负担。因此双馈风力发电系统必须进行无功补偿，提高功率因数。

3.1.2　类型与结构

3.1.2.1　类型

双馈风力发电机按冷却介质分为风冷双馈风力发电机和水冷双馈风力发电机两类，如图3-1所示，按冷却方式可分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。

3.1.2.2　结构

水冷双馈风力发电机外部结构以及风冷双馈风力发电机内部结构分别如图3-2、图3-3所示。

3.1.2.3　型号、结构型式、主要参数和定额

1.型号

双馈风力发电机的型号由产品代号、冷却方式代号、规格代号、特殊环境代号四部分依次排列组成（参照GB/T　4831—1984《电机产品型号编制方法》），具体形式如下：

示例：1500kW空空冷双馈异步风力发电机，4极，高原型。型号为SKYF　KK 1500—4—G。

2.结构型式要求

（1）发电机的外壳防护等级应不低于GB/T　4942.1—2006《旋转电机整体结构的防护等级（IP代码）—分级》中IP　54的规定，接线盒的防护等级应不低于GB/T　4942.1—2006中IP　54的规定要求，集电环室防护等级应不低于GB/T　4942.1—2006中IP　23的规定，或根据不同的使用环境条件与整体机组要求协调确定。主、辅助接线盒内和机座上应设计可靠接地端子，并用GB　14711—2006《中小型旋转电机安全要求》规定的符号或图形标志标明，接地端子须保证与接地导线具有良好的连接和足够的连接面积。接线盒内的电气间隙和爬电距离应符合GB　14711—2006的规定。

（2）使用环境为海上的发电机应符合GB/T　7060—2008《船用旋转电机基本技术要求》的规定，防腐等级应不低于C4。

（3）发电机的冷却方式应符合GB/T　1993—1993《旋转电机冷却方法》的规定。超出标准规定范围的冷却方式应与用户协商确定，初级或次级冷却介质不得对产品或周围环境造成危害，如果采用液体冷却应无渗漏、腐蚀、冻结等问题。

（4）发电机的结构及安装型式应符合GB/T　997—2008《旋转电机结构型式、安装型式及接线盒位置的分类（IM代码）》的规定。

（5）发电机内部应设置停机加热装置，集电环室内宜设置停机加热装置（与用户协商）。加热装置的容量应使发电机机壳内的温度至少高于发电机所处周围温度5K，但不得使加热装置温度超过附件绝缘的允许温度。

（6）发电机定子绕组、轴承及电刷等部位应装设用于监测发电机工作状态的传感器。

（7）发电机轴承室应设置自动或手动注油润滑型式。

（8）对于SKYFKS系列发电机，空—水冷却器必须经过水压试验，试验水压应不低于工作水压的两倍，并需装设泄漏挡板，防止管子漏水而滴入发电机绕组。空—水冷却器应有可拆卸的水箱或盖板，便于定期检查和修理。

3.主要参数

发电机的电压等级、输出功率等级和中心高参数优先推荐值见表3-1。

3.1.2.4　电气运行条件、温升限值与效率

1.电气运行条件

（1）在额定电压允差为±10%或额定频率允差为±2%的电网供电条件下，发电机应能正常工作。

（2）变频器供电时尖峰电压VPEAK及电压变化率dv/dt在下列极限以内：

VPEAK≤3UN

dv/dt≤2000V/μs

当发电机需要在超出上述一个或多个限值条件下运行时，其特殊要求可以由用户和制造商协商。

（3）一般性能。发电机的一般性能应符合GB/T　23479.1—2009《风力发电机组　双馈异步发电机第1部分：技术条件》中的规定。

2.温升限值

发电机绝缘等级一般为F级、H级。发电机在环境空气温度为40℃下额定运行时，其各部分的温升限值应符合表3-2的规定。

3.效率

发电机在额定工况时的效率应不低于96%，当用户有特殊要求时，发电机的效率和效率曲线应与用户协商确定。

3.1.3　基本原理与运行状态

1.基本原理

双馈风力发电机在结构上类似绕线型异步电机，定子侧直接接入三相工频电网，而转子侧通过变频器接入电网。因为定子与转子两侧都有能量的馈送，所以称为双馈电机。

同步发电机在稳态运行时，其输出电压的频率f与发电机的极对数p及发电机转子的转速n有严格固定的关系，即

可见，在发电机转子转速不能恒定时，同步发电机不可能发出恒频电能。

绕线型转子异步电机的转子上嵌装有三相对称绕组，在该三相对称绕组中通入三相对称交流电流，则将在电机气隙内产生旋转磁场，此旋转磁场的转速与所通入的交流电流的频率及电机的极对数有关，即

从式（3-2）可知，改变频率f2即可改变n2。因此，只要调节转子电流的频率f2，就可以使电网频率f1不变，即

异步电机定、转子电流频率的关系为

式（3-4）表明，在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率（sf1）的电流，则在异步电机的定子绕组中就能产生50Hz的恒频电动势。即异步电机定子绕组的感应电动势频率将始终维持f1不变。

2.三种运行状态

根据转子转速变化，双馈风力发电机可有以下三种运行状态：

（1）亚同步运行状态。在此种状态下n＜n1，由转差频率为f2的电流产生的旋转磁场转速n2与转子的转速方向相同，因此有n＋n2＝n1。

（2）超同步运行状态。此种状态下n＞n1，改变通入转子绕组频率为f2的电流相序，则其所产生的旋转磁场的转向与转子的转向相反，因此有n-n2＝n1。为了实现n2转向反向，在由亚同步运行转向超同步运行时，双馈风力发电系统必须能自动改变其相序；反之亦然。

（3）同步运行状态。此种状态下n＝n1，转差频率f2＝0，这表明此时通入转子绕组的电流的频率为0，即直流电流，因此与普通同步发电机一样。

3.1.4　基本方程式、等效电路

下面从等效电路的角度分析双馈风力发电机的特性。首先，作如下假定：

（1）只考虑定转子的基波分量，忽略谐波分量。

（2）只考虑定转子空间磁势基波分量。

（3）忽略磁滞、涡流、铁耗。

（4）变频电源可为转子提供能满足幅值、频率、功率因数要求的电源，不计其阻抗和损耗。

（5）设三相绕组对称，在空间互差120°电角度，所产生的气隙磁动势沿气隙圆周按正弦规律变化。

（6）不考虑频率变化与温度变化对绕组电阻的影响。

在等效电路中，发电机定子侧电压电流的正方向按发电机惯例，转子侧电压电流的正方向按电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率s按转子转速小于同步转速为正，参照异步电机的分析方法，可得双馈风力发电机的等效电路，如图3-4所示。

根据等效电路图，可得双馈风力发电机的基本方程式为

3.1.5　定、转子电流计算

由于RmXm，忽略Rm，当磁路不饱和时，可以认为等效电路由两个电路叠加而成，是分别作用的结果，如图3-5所示。

以定子电压为参考相量，相差θ电角度，由等效叠加电路可求得双馈风力发电机定子电流为

转子电流为

其中

定子、转子电流均由两部分组成：一部分为定子侧加电压转子短路时的定子和转子电流，此电流相当于普通感应电机内的电流；第二部分为转子侧加电压定子侧短路时的定子和转子电流。所以，转子电流可看成由两个分量组成：一个分量是传统感应电机由定子电压决定的电流分量另一个是由转子外加励磁电压所产生的电流分量定子电流其中的分量只取决于定子电压转差率s和电机参数，为不可控分量，而则由转子励磁电压的大小以及与的相位差来决定，为可控分量。交流励磁发电机的有功功率、无功功率调节，实际上就是通过改变转子励磁电压的大小和相位来改变的大小及相位，从而改变定子电流的大小及相位，实现有功功率、无功功率的控制。

3.1.6　频率、绕组归算

1.频率归算

由以上分析可知，转子转动后转子回路参数的频率为f2＝sf1，而定子回路参数的频率仍为f1，两者不相同，而不同频率的物理量所列出的方程式是不能联立求解的，也得不到统一的等效电路，为此需要把转子频率变换成与定子电路相同的频率，这就是频率归算。

因为转子不动时定子、转子电路具有相同的频率，因此只要保证转子磁动势F2不变，就可以用一个静止的转子来代替旋转的转子，而定子侧各物理量不发生任何变化，即对电网等效。

转子转动时（转子电流频率为f2），设感应电机的转子绕组端电压为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为

图3-4所示为与式（3-8）相对应的转子等效电路。

2.绕组折算

假设异步电机转子相数m2，每相串联匝数N2，基波绕组系数kw2，在一般情况下m2、N2、kw2与定子的m1、N1、kw1不同。为了得到等效电路，必须先将异步电机转子绕组折算成一个相数为m1、匝数为N1、绕组系数为kw1的等效绕组，即用一个相数为m1、匝数为N1、绕组系数为kw1的等效转子绕组来替代原来的转子绕组，保持极对数不变。折算前后要求转子上各功率不变，主磁通不变。

由于转子是通过转子磁动势F2对定子起作用的，为了满足上述要求，折算条件为：折算前后转子磁动势F2不变、转子上各有功功率、无功功率保持不变。

与变压器一样，转子侧的物理量、参数折算到定子侧，用该量符号右上角加“′”来表示。

（1）转子电流的折算。折算前后F2不变，即F′2＝F2，则转子电流折算值I′2满足

得

则得到电流平衡方程式为

（2）转子电动势的折算。由于折算前后定转子磁动势不变，从而F0不变，主磁通不变，则折算后转子绕组电动势应满足

可得

根据等效电路的转子电压方程，再次改写为

（3）转子阻抗的折算。折算前后转子回路有功功率不变，以转子相电阻为例

得

由转子漏电抗无功功率相等，得到

折算前后转子回路功率因数不变，因为

总之将转子电路中各量折算到定子方时：①电动势、电压应乘以ke；②电流除以ki；③电阻、电抗、阻抗乘以keki。

3.1.7　双馈电机在风力发电中的应用

双馈风力发电机是风力发电机的发展方向之一。因为风速的不稳定性，因此要想使电机转子转速恒定以达到像同步电机一样发出恒定频率的电能是不可能的。从上面分析可知，双馈风力发电机转子绕组接一个频率、幅值、相序和相位均可调节的三相逆变电源，只要调节转子电流频率就可达到发出恒频电能的目的，即变速恒频风力发电系统。

图3-6为典型的变速恒频风力发电系统示意图（实际上网侧变频器后一般还有升压变压器），主要由风力机、增速箱、双馈风力发电机、双向变频器和控制系统组成。

双馈风力发电机在亚同步运行及超同步运行时的功率流向如图3-7所示，图中Pem为发电机的电磁功率，不计定子绕组损耗时等于从定子输出到电网的电功率。s为电机的转差率，Pmec为输入机械功率。

风速较低（n＜n1），电机运行在亚同步状态时，s＞0，需要从电网向电机转子绕组馈入电功率。风力发电机经转子传递给定子的功率为Pem（忽略电机损耗），转子需要输入的电功率为sPem，所以发电机传给电网的总功率只有Pem-sPem＝（1-s）Pem。

风速较高（n＞n1），电机运行在超同步状态时，s＜0，转子绕组向外（电网）供电。风力发电机经转子传递给定子的功率为Pem（忽略电机损耗），转子输出到电网的电功率为｜s｜Pem，所以发电机传给电网的总功率为Pem＋｜s｜Pem＝（1＋｜s｜）Pem。

以一个双馈电机在风力发电系统中应用实例来分析在不同风速下定子、转子及输出功率的关系。该电机主要参数：额定功率为1501kW；额定转速为1440r/min；额定效率为97.1%；额定频率为60Hz；额定功率因数为1.0；定子电压为575V；转子电压为376V；定子电流为1287.2A；转子电流为396.5A；定子输出功率为1263kW；转子输出功率为247.8kW。该发电机在不同转速下的基本运行特性见表3-3。

显然在电机转速低于1200r/min，即亚同步运行时，转子外接电源送入功率；在高于1200r/min，即超同步运行时，表明转子可向电源送出功率，即定子、转子同时发电。