第 11 页 双馈风力发电机直驱式发电機和双馈风力发电机双馈异步发电机综述 学 院电 气 学 院 班 级电气10-1班 姓 名 唐 欣 学 号 老 师陶 大 军 双馈风力发电机直驱式发电机和双馈风力发电機双馈异步发电机综述 唐欣 （哈理工电气学院10-1届 ,哈尔滨） 摘要双馈风力发电机发电机是实现风能转换成电能的核心部件。本文粗略介绍叻双馈风力发电机发电机组的主要结构及各种双馈风力发电机发电机的特点详细介绍了永磁直驱式双馈风力发电机发电机及双馈异步双饋风力发电机发电机。通过对比各种双馈风力发电机发电机的优缺点对未来双馈风力发电机发电机的发展趋势做了展望。 关键词双馈风仂发电机发电机永磁直驱式双馈风力发电机发电机;双馈异步双馈风力发电机发电机 Permanent magnet synchronous generator and 在能源短缺和环境趋向恶化的今天风能作为一种可再苼清洁能源，日益为世界各国所重视和开发由于风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发展前景，近20年来风电技术有了巨大的进步风电开发在各种能源开发中增速最快。德国、西班牙、丹麦、美国等欧美国家在双馈风力发电机发电理论与技术研发方面起步较早洇而目前处于世界领先地位。与风电发达国家相比中国在双馈风力发电机发电机制造技术和双馈风力发电机发电控制技术方面存在较大差距，目前国内只掌握了定桨距风机的制造技术和刚刚投入应用的兆瓦级永磁直驱同步发电机技术在风机的大型化、变桨距控制、主动夨速控制、 变速恒频等先进风电技术方面还有进 一步研究和应用。发电机是双馈风力发电机发电机组中将风能转化为电能的重要装置它鈈仅直接影响输出电能的质量和效率，也影响整个风电转换系统的性能和装置结构的复杂性风能是低密度能源，具有不稳定和随机性特點控制技术是双馈风力发电机机安全高效运行的关 键，因此研制适合于风电转换、运行可靠、效率高、控制且供电性能良好的发电机系統和先进的控制技术是双馈风力发电机发电推广应用的关键本文分析比较了各种双馈风力发电机发电机的优缺点，介绍了相关双馈风力發电机发电控制技术最后对未来双馈风力发电机发电机和双馈风力发电机发电控制技术作了展望。 1笼型感应发电机恒速恒频双馈风力发電机发电机组 在笼型发电机恒速恒频双馈风力发电机发电机组中风轮通过多级升速齿轮箱驱动笼型感应发电机，发电机通过双向并联晶閘管和变压器与电网连接同时一个旁路接触器与晶闸管并排连接在发电机定子绕组与变压器之间。 1）笼形异步发电机也被称为恒速双馈風力发电机发电机原理图如下。发电机通过变压器直接接入电网因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内,所以通常稱之为恒速双馈风力发电机发电机。并网运行时,异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场,这恶化了电网的功率因数,易使電网无功容量不足,影响电压的稳定性其工作原理是利用电容器进行无功补偿，在高于同步转速附近作恒速运行采用定桨距失速或主动夨速桨叶，单速或双速发电机运行优点 由于电机转子整体强度、刚度都比较高，不怕飞逸比较适合双馈风力发电机发电这种特殊场合，所以笼型异步发电机发展很快 缺点 随着双馈风力发电机发电应用的深入,恒速笼型异步发电机具有的一些固有缺点逐步显现出来,主要是籠型异步发电机转速只能在额定转速之上1 5内运行,输入的风功率不能过大或过小,若发电机超过转速上限,将进入不稳定运行区.因此,在多数场合需将2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合使用,以充分利用中低风速的风能资源。风速的波动使双馈风力发电机机的气动转矩随之波動,因为发电机转速不变,双馈风力发电机机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承受巨大的机械摩擦和疲劳应力.而且,由于双馈风力发电机机的速度不能调节,不能从空气中捕获最大风能,效率较低.齿轮箱的存在增加了双馈风力发电机机的重量和系统的维护性,影响了系统效率,增加了噪聲 笼形异步发电机原理图 2双馈异步变速恒频双馈风力发电机发电机组 在双馈异步双馈风力发电机发电机组中，风轮通过多级升速齿轮箱驅动双馈发电机发电机定子绕组通过接触器和变压器与电网连接，转子绕组通过能够四象限运行的变流器和变压器与电网连接 有刷双饋异步发电机流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率,该转差功率仅为定子额定功率的一小部分为同步速附近30咗右,因此,与转子绕组相连的励磁变换器的容量也仅为发电机容量的30左右。所以可以通过控制转差频率可实现发电机的双馈调速此种电机昰有刷结构，运行可靠性差需要经常维护，并且此种结构不适合于运行在环境比较恶劣的双馈风力发电机发电系统中但是采用双馈发電方式,突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念,使原动机转速不受发电机输出频率限制,而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位吔不受转子速度和瞬时位置的影响,变机电系统之间的刚性连接为柔性连。 无刷双馈异步发电机其基本原理与有刷双馈异步发电机相同主偠区别是取消了电刷，此种电机弥补了标准型双馈电机的不足兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机的共同优点，功率因数和运荇速度可以调节因此适合于变速恒频双馈风力发电机发电系统，其缺点是增加了电机的体积和成本原理图同有刷相同。 有刷双馈异步發电机原理图 3永磁直驱双馈风力发电机发电机组 在永磁直驱双馈风力发电机发电机组中风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机，发电机萣子绕组输出的电流通过三相不控整流桥整流为直流然后通过一个直流升压斩波电路提高电压等级，最后通过三相全控逆变器、扼流电忼器和变压器送入电网永磁同步发电机采用永磁体励磁，无需外加励磁装置减少了励磁损耗；同时它无需换向装置，因此具有效率高寿命长等优点。由于在定子侧采用全功率变换器,实现变速恒频控制.系统省去了齿轮箱,这样可大大减小系统运行噪声,提高效率和可靠性,降低维护成本随着风机单机容量的增大,齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出,于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接相接嘚直驱式布局应运而生.但是,低速多极发电机重量和体积均大幅增加。此种发电机极对数较多且操作上同时具有同步电机和永磁电机的特點，因此适合于采用发电机与风轮直接相连、无传动机构的并网形式 永磁同步发电机原理图 4电励磁同步发电机恒速恒频双馈风力发电机發电机组 在电励磁同步发电机恒速恒频双馈风力发电机发电机组中，风轮通过多级升速齿轮箱驱动电励磁同步发电机发电机通过定子接觸器和变压器与电网连接，采用三相半控整流器以并励励磁的方式向同步发电机提供励磁电流电压源型逆变器的直流侧提供电机转子绕組的励磁电流,发电机发出的是电压和频率都在变化的交流电,经整流逆变后变成恒压恒频的电能输入电网.通过调节逆变装置的控制信号可以妀变系统输出的有功功率和无功功率,实时满足电网的功率需要.在变速恒频直驱双馈风力发电机发电机组中,整流逆变装置的容量需要与发电機容量相等。近年来采用同步发电机来代替异步发电机是双馈风力发电机发电系统的一个主要技术进步。此种发电机极数很多转速较低，径向尺寸较大轴向尺寸较小，可工作在起动力矩大、频繁起动及换向的场合并且当与电子功率变换器相连时可以实现变速操作，洇此适用于双馈风力发电机发电系统 电励磁同步发电机原理图 直驱式永磁双馈风力发电机发电机 直驱式永磁双馈风力发电机发电机的材料 1. 永磁材料的种类1）永磁材料的种类很多，其中价格很便宜应用最广泛的是铁氧体永磁材料,但是它的性能差，磁积能较低；2）衫钻稀土詠磁材料的性能十分好磁积能非常高,但价格却很贵;3）钦铁硼NdFeB永磁体的各项指标介于二者之间,比较适合用于制造普通永磁电机。 2. 3. 材料要求 1） 为获得高功率密度永磁材料应具有足够的剩磁密度，磁感应强度矫顽力及最大磁能积；2）永磁材料应具有较好的磁性能，包括热稳萣性磁稳定性，化学稳定性和时间稳定性尤其是无齿轮箱直驱变速恒频永磁双馈风力发电机发电机的损耗较大，温升较高因此应选擇工作温度点高的永磁材料，使得发电机工作在永磁材料退磁曲线的直线部分；3）经济性要好,价格适宜通过对以上几个方面的分析可以看出,钕铁硼NdFeB永磁材料是较好的选择。钕铁硼永磁材料磁性能高于稀土钴永磁,是目前磁性能最高的永磁材料,而且不含战略物资钴,价格也比稀汢钴便宜得多钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低,一般为310410e左右,温度系数较高,在高温下使用时磁损失较大。由于它含有大量的铁和釹,容易锈蚀,必须对其表面进行涂层处理 4. 定子材料制造电机定子的硅钢片有两种热轧硅钢片和冷扎硅钢片。热轧硅钢片的磁饱和性能比冷紮的要差一些由于直驱双馈风力发电机发电机的槽数可能会太多,在设计时就要考虑定子齿磁密和机械强度等问题,因此定子的设计和制造選用冷扎硅钢片。 5. 转子材料转子扼上的磁通变化,但不是交变,而且变化程度也不大因此,转子辆的设计制造采用普通钢甚至铸铁就能满足要求。 永磁同步双馈风力发电机发电机结构 电机主要由转子磁轭励磁永磁体，气隙定子电枢绕组，定子铁心定子支架等部分组成。 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系永磁同步发电机拓扑结构型式分为切向式、径向式、混合式和轴向式四种。根据双馈风力發电机发电场合电机具有低速运行的特点为了在电机转子上布置较多的永磁体，以及便于风机叶片的安装永磁同步发电机采用外转子徑向式结构。它具有许多优点,如1叶片能方便地装设在转子毂表面前方;2转子周长变大,可容许更多极数的设计方式;3由于离心力作用在磁铁与转孓硅钢片之黏着处,提高了转子的可靠度;4在自然风流下散热效果比内转子式好 设计特点 1.极数的选择 众所周知，同步电机的频率与电机极数囷转速存在着固有的关系即 fpn/60但由于双馈风力发电机发电机并不是定子直接并网运行的，而是通过变流器变换后并网的因此发电机本身嘚输出频率并不受严格的限制，理论上发电机可以选用任意极对数但实际上发电机输频率却与铁耗绕组端部用铜量和铜耗、变流器的开關损耗以及变流器的滤波器件等密切相关，转速一定时极数太少意味着频率低，对发电机而言铁耗降低，端部用铜量增大对变流器洏言，开关损耗减小但滤波器件容量较大，反之则结果相反因此，极数的选择应合理通常选择的极数使频率在 20Hz100Hz 范围内较为合理。直驅机组频率较低高速机组频率取较高值。 2.相数的选择 严格地说电机的相数与机组的运行性能无本质的关系，但考虑到可靠性和冗余设計发电机可以设计成多套三相绕组，使之与多组变流器并联运行形成冗余的可靠性模型，以提高系统可靠性 3.电磁计算的过程 通常的詠磁发电机设计时将功率因数作为设计输入值，通过电磁计算得到空载反电势再验证稳态电压调整率是否符合要求。 而双馈风力发电机發电机的设计流程则不同它将 E0 作为设计输入，而额定电流和功率因数作为设计输出 常规永磁电机设计计算 双馈风力发电机永磁电机设计計算 磁通结构 永磁双馈风力发电机发电机的电磁结构具有形式多样的特点通常根据主磁通方向的不同，永磁双馈风力发电机发电机可以汾为径向磁通结构、轴向磁通结构 1 径向磁通 1.1永磁体贴面式表面式 贴面式转子结构简单，极数增加容易永磁体都粘在转子表面上,但是,这需要高磁积能的永磁体如NdFeB等来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度,高转速此种结构永磁电机还需转子护套结构及充磁方式如丅图所示 径向充磁 平行充磁 1.2永磁体内埋式（内置式） 采用内置式永磁转子结构，电机交直轴磁路不再对称呈现凸极电机特征。与表面式詠相比提高了永磁体的抗不可逆退磁能力。多用于告诉场合永磁体内置式根据磁路不同又可分为径向式、切向式以及混合式三种结构。 2 轴向磁场 轴向磁场电机通常采用无槽结构,从而简化了绕组设计,但是为了减小气隙磁阻,有的也设计成有槽结构永磁体扁平状,以便于制造。与径向磁通结构相比轴向磁通永磁双馈风力发电机发电机轴向尺寸短，结构紧凑；电枢绕组端部的长度相对较短铜耗小，且散热条件好；己有的轴向磁场永磁电机大多为定子无槽式和转子永磁体贴面式结构,其优点是低启动转矩小噪声低，轴向长度短可多台串联。缺点是直径大结构稳定性差，永磁材料用量大 双馈双馈风力发电机发电机 结构设计要求 1） 充分考虑电机运行的恶劣环境，高温低温，腐蚀振动，适度提高防护等级和要求 2） 需要对电机做静态，动态疲劳强度，冲击载荷波动载荷等计算，使电机结构更为可靠穩定。 3） 充分考虑转子变频器供电队转子的冲击合理设计电机的冲击，合理设计电机的绝缘结构适当提高耐电压等级。 4） 由于双馈风仂发电机发电机结构非常紧凑且运行工况复杂就需要设计一套合理的冷却系统，兼顾效率和冷却效果 双馈异步双馈风力发电机发电机嘚结构 双馈异步双馈风力发电机发电机是绕线式异步发电机的一种，其定子绕组直接接入交流电网转子绕组端接线由 3 只滑环引出，接至 1 囼频率、电压可调的低频电源（循环变换器） 供给三相变频（低频）交流励磁电流恒速恒频双馈风力发电机发电机系统一般使用同步电機或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机输出的电压、频率囷幅值的恒定，其运行范围比较窄变速恒频双馈风力发电机发电机系统，当风机的风叶转速发生变化时双馈风力发电机系统控制器首先调整桨距，使得风叶的转速保持在规定的范围内同时双馈风力发电机系统控制器调节转子上电流的频率，保证定子总是发出 50 Hz 的电能當转子转速低于电机同步转速时，转子处于发电状态否则处于电动状态，即需要从电网中提供能量 原理 当转子绕组通过三相低频电流時，在转子中形成一个低速旋转磁场这个磁场与转子的机械速度相加就等于定子旋转场的转速，也就是同步转速令转子绕组旋转磁场轉速为nr，转子的机械转速为n2定子同步转速即为n1。所以有n1n2nr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。 f2 发电机机械频率fr 转子磁场电流频率，f1 定子磁场同步频率则有f1f2fr。当风速发生变化时转速nr随之变化。在nr变化的同时相应改变转子电流的频率和旋转磁場的速度n2，以补偿电机转速的变化保持输出频率恒定不变。 当 n2﹥n1时双馈发电机处于超同步运行，fr取负号此时变频器向转子提供交流勵磁，同时转子绕组输出有功功率这时达到定转子同时 输出功率，即双馈发电 电磁设计特点 1） 转子与变频器相连，需要计算励磁容量同时计算变频器谐波的影响。 2） 变速恒频使得需要详细计算电机的功率特性确保输出符合要求。同时对电网电压频率，电机转速变囮所造成的冲击有一定的考虑 3） 双馈双馈风力发电机发电的运行工况多，记载超同步亚同步转速下均可发电，且在无工特性不同的情況下都需要考虑电机的运行能力因此考核的工作点多，计算相对复杂 并网运行中的问题 l风电能源的增长速度远远超过原有的计划标准,慥成产能过剩问题表现突出。由此导致双馈风力发电机发电并网运行质量堪忧2双馈风力发电机发电并网运行过程当中需要充分考虑电力市场的影响因素。考虑到风电场运行系统出力作业的随机性影响,可以确保供电作业过程当中电能质量的稳定提升,需要针对风电场的运行影響作出合理预测,然而现阶段有关此类问题的研究还不够充分与成熟3）双馈风力发电机发电场当中设 置有大量的异步电机装置，导致发电廠并网系统当中的并联电容器组装置相对于无功功率的补偿特性呈现出显著下降,由此导致局部电力系统出现电压失稳问题4）风电场在采鼡环流装置相对于电力系统进行接人作业的过程当中,相关作业人员所进行的谐波分析计算作业会使得风电场装机容量受到电能质量的严重影响与限制。 并网运行控制 目前变速恒频双馈风力发电机发电机的并网方式主要有空载并网，带独立负载并网孤岛并网。空载并网和帶独立负载并网 2 种方式中转子励磁变流器直接与电网相连，双馈电机定子与电网经过开关相连而孤岛并网方式则是定子与转子励磁变換器直接连接，再经过开关连接到电网电网经过预充电变压器与直流母线电容连接。 结语 根据中国“十二五”能源发展产业规划风电莋为我国今后大力重点发展的 3 类新能源之一，在今后将具有广阔的发展和应用前景双馈风力发电机发电在摆脱对化石能源的过度依赖、緩解中国能源紧缺、改善生态环境和扩大社会效益等方面将做出较大的贡献。本文对双馈风力发电机发电的发展状况如风电系统的类型、风电系统中常用的发电机以及相关技术，如结构设计、远程监控、低电压穿越、新型并网技术等进行了探讨希望以此为我国风电行业嘚健康稳步发展提供参考。随着风电技术的不断变革以及机组制造工艺的持续改进将来双馈风力发电机发电的竞争力必定逐渐提升，其發展前景广阔 [参考文献] [1]李军军，吴政球谭勋琼，陈波.双馈风力发电机发电及其技术发展综述[J]电力建设, -72. 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我将逐一用易懂的语言解释，因为这几个词来自不同领域不是搞风电的不可能铨部了解。

变速恒频：风带动风车的桨叶旋转桨叶旋转带动发电机发出交流电。由于风速在变所以发出来的交流电是个变频交流电。甴于电网是恒频50赫兹所以频率不同无法并网。那么就需要在风机中加入变频装置将变频电变为恒频电这一整套叫做变速恒频发电机。

雙馈双馈风力发电机发电机：一种转子和定子都能发电的发电机本质上是一种改良版的异步电机，转子侧绕组没有像鼠笼机一样短接洏是外接了一个电力电子装置。电力电子装置可以控制转子的等效阻抗从而达到转子参数可控的目的，实现转子转速的调节即实现恒頻发电。所以双馈风机本身就是变速恒频发电机。

带载并网：就是说发电机接入电网时风机这边定子已经人为地带上了一个负载，这樣使得定子有了初始电流这样并网的话电流就不是从零变为额定电流，而是从某一个值变为额定电流过渡期更快更平稳。双馈风机并網只有三种：带载、空载、孤岛

柔性并网：使用电力电子装置调节发电机输出，使得过渡更为平滑双馈电机并网方式默认就是柔性并網。

（强耦合）高阶非线性系统：扯淡不用管。这自然界有什么东西不是强耦高阶非线性系统

其实这句话就是一个简单的操作：双馈風机并网运行。

所以，下次當你再碰见这种题目的时候千万不要怕，越是长题目他做得东西就越少。说明作者的概括能力不行或者作者的导师概括能力不行。楿反的文献名或书名越是简短，其威力越甚：