双馈风力发电机功率关系分析

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1、第35卷第1期华电技术V0l_35No．12013年1月HuadianTechnologyJan．2013双馈风力发电机功率关系分析,h-遥，郭巍，庄俊，骆皓，(1．国电南京自动化股份有限公司，江苏南京210032；2．东南大学电气工程学院，江苏南京210096)摘要：双馈风力发电机通过控制转子电压实现定子有功功率和无功功率控制，分析了转子功率特性与变流器容量设计的关系，推导了双馈电机的等效电路，基于等效电路计算了发电机定、转子功率分配关系。使用Matlab软件对双馈发电机各工况下转子电流、电压的变化特性及发电机定、转子功率分配关系进行了仿真和验证。通过实例分析，提出了双馈变流器主电路硬件的设

2、计方法。关键词：风力发电；双馈电机；有功功率；无功功率；Matlab软件中图分类号：TM315文献标志码：A文章编号：1674—1951(2013101—0072—06(DFIG)的等效电路。0引言双馈式风力发电机因为体积小，配置的变流器容量一般不超过风机总容量的1／3，控制灵活，在我国得以广泛应用。据统计，我国现投入运行的兆瓦级风力发电机组中，采用双馈技术的机组占到70％左右。因为其通过转子励磁控制发电机的功率，系统的功率流向与转差率s直接相关，特别是当电网对风机有无功调节需求时，电机内部功率关系比较图1异步电机等效电路图复杂。本文分析了双馈电机定子、转子间的功率关当s>0时，DFIG气隙磁

3、场切割定子的方向与系，并利用Matlab对双馈发电机各工况下的电气特切割转子的方向一致，转子感应电动势与定子感应性和功率关系进行了仿真和验证，为设计变流器的电动势方向一致。图2为s>0时转子电路图，图硬件电路及功率控制策略提供了理论基础。中：为转子感应电压；为转子在sX50Hz下的1双馈发电机等效电路图漏抗；为转子电流；U2为转子端电压。转子电路存在如下关系●●●●●●●●●●●双馈发电机可看作一台转子施加励磁电压的绕，E2+，2(2+)=U2。(1)线式交流异步感应电机，因此，其等效电路可以从异步电动机等效电路衍生而来。图1为采用电动机惯例的异步电动机等效电路图，转子绕组短接，端电压为0。在

4、图1中，和J，分别为定子电压与电流，，为折算后的转子电流，，为励磁电流，E为定子感应电动势，E为折算后的转子电动势，和图2转子电路图分别为定子电阻和漏抗，R和分别为励磁电阻图2所示的电路频率∞=2~rXS×50Hz，要将和电抗，和：分别为折算后的转子电阻和漏该电路频率折算到50Hz，只要等式两边同时乘以抗，S为转差率。根据电机学原理可知：要实现转子一”／s，l=2,rrX50Hz，则有回路与定子回路的电路连接，需要对转子回路进行E2e，+，2(R2／s+jx2)=U2／s，(2)绕组折算和频率折算。绕组折算比较简单，不在此亦可表示为讨论。以下假设转子绕组与定子绕组匝数相等，仅E2+J2(R2／

5、+)=U2／s，(3)讨论如何经过频率折算推导双馈异步发电机式中：E：为s=1时的转子感应电压；：为转子电路频率为50Hz时的漏感。收稿日期：2012—08—23；修回日期：2012—11—07亚同步和超同步状态下转子电流与电压的区别基金项目：南京市科技计划项目(20120246)如图3所示。当s<0时，若定子电流不变，则气隙第1期肖遥，等：双馈风力发电机功率关系分析·73·』mJlk0、、＼C图4DFIG等效电路图a亚同步气隙磁场旋转方向b亚同步转子电流与电动势相量图U1=一I1(R1+)一E1‘mJIU'2／s=Jz(s+I／s)一层，(8)E1=E2=一I(R+)I2=Il+12＼0～一

6、R式中：S为转差率；U，I分别为定子端电压与电流；月，分别为定子电阻与漏抗；R，X分别为励磁电阻与互抗；E，E分别为定子、转子感应电动势；R：，分别为转子电阻与漏抗；J，分别为转c超同步气隙磁场旋转方向d超同步转子电流与电动势相量图子电流与端电压。式中转子侧各量均已折算到定子图3亚同步和超同步状态下转子电流电压的区别侧。需要注意的是：虽然经过频率折算后转子电路系统的频率为50Hz，但实际转子电路的频率为sx磁场、定子磁动势和转子磁动势都与s>0时相同，50Hz。定子、转子回路在电路上没有直接的联系，只是相对转子绕组的旋转方向发生了改变。由于气两者通过磁场耦合产生相互影响。隙磁场切割转子的方向与

7、s>0时相反，所以转子感图5显示了定子功率因数为1且5>0时，双馈应电动势反向，由于转子磁动势没有发生变化，所以发电机各量的相量关系。图中：U。为定子阻抗压转子电流幅值及相位都没有发生变化。同时，因为降；为转子阻抗压降；为气隙主磁通。气隙磁场相对转子的旋转方向发生了改变，转子电t路的相序由正序变为负序。n咐s<0时，转子电路仍符合式(1)的关系，同理，要将该电路频率折算到50Hz，只要等式两边同时