双馈式感应发电机(DFIG)说明

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1、双馈式感应发电机（DFIG）简介刘大明双馈电机（或称为交流励磁电机），它早在四十年代就已经出现。随着电力电子技术和数字控制技术的发展，双馈电机在电气性能方面所具有的一系列优点和巨大的潜力，已经引起国内外的高度重视。双馈式感应发电机(Doubly-FedInductionGenerator,DFIG)使用绕线式转子，由于电力可经由转子侧之电力转换器双向流动，因此发电机馈入电力系统的界面同时包括定子侧（Lineside）及转子侧（Rotorside），其电力转换器功率仅为发电机额定功率之20~30%，故成本较低，而

2、且发电机可变速范围可达同步转速之±30%，因此性能/价格比值最高，为目前大型风力发电机中最普遍采用之组态。全球前10大风力发电机制造商的产品中有六成以上的变速风力发电机采用双馈式感应发电机，本文将介绍双馈式感应发电机的基本原理与特性。一、双馈式感应发电机（DFIG）基本原理双馈式感应发电机（DFIG）是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机，其转子具有三相励磁绕组结构。当通以某一频率（转差频率）的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场所对应的转速等于

3、同步转速，则在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，在定子侧感应出同步频率的感应电势。从定子侧看，这与同步发电机直流励磁的转子以同步转速旋转时，在电机气隙中形成一个同步旋转的磁场是等效的。双馈式感应发电机与一般感应发电机不同之处在于联接其转子侧之PWM脉宽调变电力转换器具有四象限之运转能力，电力转换器提供低频（转差频率）的交流电流(或电压)进行励磁，调节励磁电流(或电压)的幅值、频率、相位，来实现定子恒频恒压输出，其定子输出特性与同步发电机十分类似，所以有一些文献指出，双馈式感应发电机可以视为同步发电机与感应发电机之

4、综合体。从能量流动的特性来看，与采用直流励磁的同步发电机相比，同步发电机励磁的可调量只有直流励磁电流的幅值一个，所以同步发电机励磁一般只能对无效功率进行调节，而双馈式感应发电机，其励磁的可调量除了励磁电流的幅值外，还有励磁电流的频率和相位。通过改变励磁电流的频率可以改变发电机的转速，达到调速的目的；通过改变励磁电流的相位，来改变发电机的空载电势与电力系统电压向量之间的相对位置，从而改变发电机的功率角，可以调节发电机的有效功率。一般感应电机(异步电机):(1)在转子转速低于同步转速时，处于电动工作状态，(2)当转

5、子转速高于同步转速时，处于发电工作状态，而对于双馈式电机来说，除了上述两种工作状态之外，还具有另外两种工作状态:(3)欠同步发电工作状态，(4)过同步电动工作状态。双馈式感应发电机之欠同步与过同步转速发电时之功率流向分别如图一(a)及图一(b)所示。其中，s为转差率，Ps为DFIG定子输出功率，Pg为DFIG输出至电力系统之功率。PWM電力轉換器PssPs(1-s)PsPgDFIGGearbox图一(a)欠同步转速发电(0

6、图一(b)过同步转速发电(s<0)之功率流向二、双馈式感应电机之运转特性GE1.5se型风力发电机之基本结构如图二，风力发电机由一具有绕线转子(woundrotor)之感应发电机、滑环(sliprings)如图三、转子回路上之AC-DC-ACPWM电力转换器以及先进的电子控制器所组成。GE1.5se型双馈式感应发电机之同步转速为每分钟1200转(rpm)，且有一变频电力转换器与发电机转子连接可使发电机之转速固定于800至1600rpm之范围内，产生稳定60Hz之高质量输出。于风速超过14m/s时转速固定于144

7、0rpm，发电机输出可达额定值1500KW。由于仅转子回路中约20%~30%之输出电力须经AC-DC-AC转换器之调变，不似GearlessType风力发电机中所有之输出电力均须调变，因此调变所产生之损失明显减少，电力转换器所占之空间与重量亦显著降低，在其额定容量之运转效率可达97%以上。GE1.5se双馈式感应发电机其运转特性为：（1）过同步运转模式(Over-synchronousmode)：以高于同步速度之转速运转，为高风速时之运转模式，发电机定子输出75%电力，转子则经由电力转换器输出约25%之电力。（

8、2）同步运转模式(Synchronousmode)：以同步速度转速运转，在部分负载工作范围下，发电机定子负责输出100%之电力。（3）欠同步运转模式(Sub-synchronousmode)：以低于同步速度之转速运转，为低风速时之运转模式，在部分或轻负载工作范围下，发电机定子负责100%之电力输出。图二GE1.5se型风力发电机基本结构图图三绕线转子感应发电机转子之滑环(Sliprin