1、 目 录一、异步绕线双馈风力发电机概述二、直驱永磁同步风力发电机概述三、两种风力发电机组的简单比较四、浅谈两种风力发电机的建模 双馈式风力发电机组的系统将齿轮箱传输到发电机主轴的机械能转化为电能，通过发电机定子、转子传送给电网。发电机定子绕组直接和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变频器相连。变频器控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态。在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能量，这时逆变器将直流侧能量馈送回电网。在亚同步发电时，通过定子向电网馈送能量、转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态，变流系统双向馈电，故称双馈技术。1.1 双馈风力发电机
2、原理概述0260rpfnf02rnnn 其工作原理为:绕线转子双馈异步发电机的转子通入三相低频励磁电流形成低速旋转磁场,该磁场的旋转速度 与转子机械转速 相叠加,等于定子的同步转速,即。从而在定子绕组中感应出相应于同步转速 的工频电压。当发电机转速随风速变化而变化时(一般的变化范围为的30%,可双向调节),调节转子励磁电流的频率即可调节,以补偿 的变化,保持输出电能频率恒定。1.2 双馈风力发电机研究方法三相异步电机数学模型 作如下的假设：（1）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。（3）忽略铁心损耗。（4）不考虑频率变
3、化和温度变化对绕组电阻的影响。l无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。l异步电动机三相绕组可以是Y连接，也可以是连接。若三相绕组为连接，可先用Y变换，等效为Y连接。然后，按Y连接进行分析和设计。l定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的。l转子绕组轴线a、b、c随转子旋转。异步电动机三相动态模型的数学表达式l双馈异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。l磁链方程和转矩方程为代数方程l电压方程和运动方程为微分方程磁链方程 l异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和AA
4、AABACAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbAbBbCbabbbcbccAcBcCcacbcccLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLi电感矩阵电感矩阵l定子电感矩阵定子电感矩阵lsmsmsmsmslsmsmsmsmslsmsssLLLLLLLLLLLL212121212121L112211221122mslrmsmsrrmsmslrmsmsmsmslrLLLLLLLLLLLLLl转子电感矩阵转子电感矩阵电感矩阵电感矩阵l定、转子互感矩阵定、转子互感矩阵l变参数、非线性、时变变参数、
5、非线性、时变 22coscos()cos()3322cos()coscos()3322cos()cos()cos33TrssrmsLLL电压方程电压方程l三相绕组电压平衡方程三相绕组电压平衡方程 AAAsBBBsCCCsdui Rdtdui Rdtdui Rdtaaarbbbrcccrdui Rdtdui Rdtdui Rdt电压方程电压方程l将电压方程写成矩阵形式将电压方程写成矩阵形式 duRidtcbaCBAcbaCBArrrssscbaCBAdtdiiiiiiRRRRRRuuuuuu000000000000000000000000000000电压方程电压方程l把磁链方程代入电压方程，展开
6、把磁链方程代入电压方程，展开 iLiLRiiLiLRiLiRiudddtddtddtddtd)(转矩方程和运动方程转矩方程和运动方程 l转矩方程转矩方程l运动方程运动方程)120sin()()120sin()(sin)(bCaBcAaCcBbAcCbBaAmspeiiiiiiiiiiiiiiiiiiLnTLepTTdtdnJdtdl转角方程转角方程 异步电动机三相原始模型的性质异步电动机三相原始模型的性质l非线性强耦合性非线性强耦合性非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与转矩方程。既存在定子和转子间的耦合，转矩方程。既存在定子和转子间的耦合，也存在三相绕组间的
7、交叉耦合。也存在三相绕组间的交叉耦合。l非线性变参数非线性变参数旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间的乘积，这是非线性的基本因素。定转子的乘积，这是非线性的基本因素。定转子间的相对运动，导致其夹角间的相对运动，导致其夹角 不断变化，不断变化，使得互感矩阵为非线性变参数矩阵。使得互感矩阵为非线性变参数矩阵。异步电动机三相原始模型的非独立性异步电动机三相原始模型的非独立性l异步电动机三相绕组为异步电动机三相绕组为Y无中线连接，若无中线连接，若为为连接，可等效为连接，可等效为Y连接。连接。l可以证明：异步电动机三相数学模型中存可以证明：异步电动机三相数学模型中存在
8、一定的约束条件在一定的约束条件000ABCABCABCiiiuuu000abcabcabciiiuuu异步电动机三相原始模型的非独立性异步电动机三相原始模型的非独立性l三相变量中只有两相是独立的，因此三相变量中只有两相是独立的，因此三相原始数学模型并不是物理对象最三相原始数学模型并不是物理对象最简洁的描述简洁的描述。l完全可以而且也有必要用两相模型代完全可以而且也有必要用两相模型代替。替。坐标变换坐标变换l异步电动机三相原始动态模型相当复杂异步电动机三相原始动态模型相当复杂，简化的基本方法就是坐标变换。，简化的基本方法就是坐标变换。l异步电动机数学模型之所以复杂，关键异步电动机数学模型之所以复
9、杂，关键是因为有一个复杂的电感矩阵和转矩方是因为有一个复杂的电感矩阵和转矩方程，它们体现了异步电动机的电磁耦合程，它们体现了异步电动机的电磁耦合和能量转换的复杂关系。和能量转换的复杂关系。l要简化数学模型，须从电磁耦合关系入要简化数学模型，须从电磁耦合关系入手。手。坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l两极直流电动两极直流电动机的物理模型机的物理模型，F为励磁绕为励磁绕组，组，A为电枢为电枢绕组，绕组，C为补为补偿绕组。偿绕组。F和和C都在定子上，都在定子上，A在转子上。在转子上。图 二极直流电动机的物理模型F励磁绕组 A电枢绕组 C补偿绕组坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l把把F的轴线称
10、作直轴或的轴线称作直轴或d轴，主磁通的方向就轴，主磁通的方向就是沿着是沿着d轴的；轴的；A和和C的轴线则称为交轴或的轴线则称为交轴或q轴轴。l虽然电枢本身是旋转的，但由于换向器和电虽然电枢本身是旋转的，但由于换向器和电刷的作用，闭合的电枢绕组分成两条支路。刷的作用，闭合的电枢绕组分成两条支路。电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相同的。同的。坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动势当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在的轴线始终被电刷限定在q轴位置上，其效轴位置上，其效果好象一个在果好象一个在q轴上
11、静止的绕组一样。轴上静止的绕组一样。l但它实际上是旋转的，会切割但它实际上是旋转的，会切割d轴的磁通而轴的磁通而产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组不产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组不同。同。l把这种等效的静止绕组称作把这种等效的静止绕组称作“伪静止绕组伪静止绕组”。6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消，或者由于其作用方向与消，或者由于其作用方向与d轴垂直而对主轴垂直而对主磁通影响甚微。磁通影响甚微。l所以直流电动机的主磁通基本上由励磁绕组所以直流电动机的主磁通基本上由励磁绕组的励磁电流决定，这是直
12、流电动机的数学模的励磁电流决定，这是直流电动机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。型及其控制系统比较简单的根本原因。6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l如果能将交流电动机的物理模型等效地变换如果能将交流电动机的物理模型等效地变换成类似直流电动机的模式，分析和控制就可成类似直流电动机的模式，分析和控制就可以大大简化。以大大简化。l坐标变换正是按照这条思路进行的。坐标变换正是按照这条思路进行的。l不同坐标系中电动机模型等效的原则是：在不同坐标系中电动机模型等效的原则是：在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等。不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等。坐标变换的基本思路坐标变换的基本
13、思路l在交流电动机三相对称的静止绕组在交流电动机三相对称的静止绕组A、B、C中，通以三相平衡的正弦电流，所产生的合中，通以三相平衡的正弦电流，所产生的合成磁动势是旋转磁动势成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦，它在空间呈正弦分布，以同步转速（即电流的角频率）顺着分布，以同步转速（即电流的角频率）顺着A-B-C的相序旋转。的相序旋转。l任意对称的多相绕组，通入平衡的多相电流任意对称的多相绕组，通入平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。单。坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l三相变量中只有两相为独立变量，完全可以三相变量中只有两相为独立变
14、量，完全可以也应该消去一相。也应该消去一相。l所以，三相绕组可以用相互独立的两相正交所以，三相绕组可以用相互独立的两相正交对称绕组等效代替，对称绕组等效代替，等效的原则是产生的磁等效的原则是产生的磁动势相等动势相等。坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l所谓独立是指两相绕组间无约束条件所谓独立是指两相绕组间无约束条件l所谓对称是指两相绕组的匝数和阻值相等所谓对称是指两相绕组的匝数和阻值相等 l所谓正交是指两相绕组在空间互差所谓正交是指两相绕组在空间互差900 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路图6-3 三相坐标系和两相坐标系物理模型 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l两相绕组，通以两相平
15、衡交流电流，也两相绕组，通以两相平衡交流电流，也能产生旋转磁动势。能产生旋转磁动势。l当三相绕组和两相绕组产生的旋转磁动当三相绕组和两相绕组产生的旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为两相绕势大小和转速都相等时，即认为两相绕组与三相绕组等效，这就是组与三相绕组等效，这就是3/2变换。变换。坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l两个匝数相等相互正交的绕组两个匝数相等相互正交的绕组d、q，分，分别通以直流电流，产生合成磁动势别通以直流电流，产生合成磁动势F，其，其位置相对于绕组来说是固定的。位置相对于绕组来说是固定的。l如果人为地让包含两个绕组在内的铁心如果人为地让包含两个绕组在内的铁心以同步转速旋
16、转，磁动势以同步转速旋转，磁动势F自然也随之旋自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。转起来，成为旋转磁动势。l如果旋转磁动势的大小和转速与固定的如果旋转磁动势的大小和转速与固定的交流绕组产生的旋转磁动势相等，那么交流绕组产生的旋转磁动势相等，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。定的交流绕组都等效了。坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，时，在他看来，d和和q是两个通入直流而是两个通入直流而相互垂直的静止绕组。相互垂直的静止绕组。l如果控制磁通的空间位置在如果
17、控制磁通的空间位置在d轴上，就和轴上，就和直流电动机物理模型没有本质上的区别直流电动机物理模型没有本质上的区别了。了。l绕组绕组d相当于励磁绕组，相当于励磁绕组，q相当于伪静止相当于伪静止的电枢绕组。的电枢绕组。坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路图图 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的物静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的物理模型理模型 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l三相绕组三相绕组A、B、C和两相绕组之间的和两相绕组之间的变换，称作三相坐标系和两相正交坐变换，称作三相坐标系和两相正交坐标系间的变换，简称标系间的变换，简称3/2变换。变换。lABC和两个坐标系中的磁动势
18、矢量，和两个坐标系中的磁动势矢量，将两个坐标系原点重合，并使将两个坐标系原点重合，并使A轴和轴和轴重合。轴重合。三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组磁动势在磁动势在轴上的投影应相等。轴上的投影应相等。23333233311coscos()33223sinsin()332ABCABCBCBCN iN iN iN iN iiiN iN iN iN ii三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）图6-5 三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动
19、势矢量233332333coscos3311()22sinsin333()2ABCABCBCBCN iN iN iN iNiiiN iN iN iNii三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l写成矩阵形式写成矩阵形式 CBAiiiNNii232302121123l按照变换前后总功率不变，匝数比为按照变换前后总功率不变，匝数比为 3223NN三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l三相坐标系变换到两相正交坐标系的变三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵换矩阵 3/2111222333022C三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l两相正交坐标系变换到三相坐标系（简
20、两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称称2/3变换）的变换矩阵变换）的变换矩阵 2321232101323/2C三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l考虑到考虑到 0CBAiiil也可以写作也可以写作 BAiiii221023iiiiBA2161032l电压变换阵和磁链变换阵与电流变换阵相同电压变换阵和磁链变换阵与电流变换阵相同 静止两相静止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（2s/2r变换变换）l从静止两相正交坐标系从静止两相正交坐标系到旋转正到旋转正交坐标系交坐标系dq的变换，称作静止两相的变换，称作静止两相-旋转正交变换，简称旋转正交变换，简称2s/2r变换，其变换，其中中s表示
21、静止，表示静止，r表示旋转，变换的原表示旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相等。则同样是产生的磁动势相等。静止两相静止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（2s/2r变换变换）图图6-6 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢量磁动势矢量静止两相静止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（2s/2r变换变换）l旋转正交变换旋转正交变换iiCiiiirsqd2/2cossinsincosl静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换阵的变换阵 2/2cossinsincossrC静止两相静止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（2s/
22、2r变换变换）l旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换阵的变换阵 l电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同换阵相同 2/2cossinsincosrsC1.异步电机在两相任意旋转坐标系（dq坐标系）上的数学模型 两相坐标系可以是静止的，也可以是旋转的，其中以任意转速旋转的坐标系为最一般的情况，有了这种情况下的数学模型，要求出某一具体两相坐标系上的模型就比较容易了。变换关系 设两相坐标 d 轴与三相坐标 A 轴的夹角为 s，而 ps=dqs 为 d q 坐标系相对于定子的角转速，dqr 为 dq 坐标系相对于转子的角转速。
23、ABCFsdqssdq 变换过程ABC坐标系 坐标系dq坐标系3/2变换C2s/2r（1）磁链方程 dq坐标系磁链方程式（附3-8）为 rqrdsqsdrmrmmsmsrqrdsqsd00000000iiiiLLLLLLLL或写成 rqrsqmrqrdrsdmrdrqmsqssqrdmsdssdiLiLiLiLiLiLiLiL（6-103a）（6-103b）dq坐标系转子等效两相绕组的自感。msm23LL smsmss23llLLLLLrmrmsr23llLLLLL 式中 dq坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感；dq坐标系定子等效两相绕组的自感；异步电机在两相旋转坐标系dq上的物理模型 dq
24、sdqdrirdisdirqusddsqrqsurdurqusqisq图6-50 异步电动机在两相旋转坐标系dq上的物理模型（2）电压方程 在附录3-2中得到的dq坐标系电压方程式式（附3-3）和式（附3-4），略去零轴分量后，可写成 rddqrrqrqrrqrqdqrrdrdrrdsddqssqsqssqsqdqssdsdssdpiRupiRupiRupiRu（6-104）将磁链方程式（6-103b）代入式（6-104）中，得到 dq 坐标系上的电压电流方程式如下 rqrdsqsdrrrdqrmmdqrrdqrrrmdqrmmdqssssdqsmdqsmsdqsssrqrdsqsdiiiip
25、LRLpLLLpLRLpLpLLpLRLLpLLpLRuuuum（6-105）即得 rqrdsqsddqrdqrdqsdqsrqrdsqsdrmrmmsmsrqrdsqsdrrssrqrdsqsd00000000000000000000000000000000iiiipLpLpLpLpLpLpLpLiiiiRRRRuuuu（6-106a）其中 电机转子角速度。（3）转矩和运动方程 dq坐标系上的转矩方程为)(rqsdrdsqmpeiiiiLnT（6-107）运动方程与坐标变换无关，仍为 tnJTTddpLe（6-87）dqrdqs1.3双馈风力发电机一起看一个视频 保存在u盘中2.1 直驱永磁
26、风力发电机原理概述 直驱式风力发电机组的风轮直接驱动发电机，主要由风轮、传动装置、发电机、控制系统等组成。为了提高低速发电机效率，直驱式风力发电机组采用大幅度增加极对数（一般极数提高到100左右）来提高风能利用率，采用全功率变流器实现风力发电机的调速。直驱永磁风力发电机组的最大特点是取消了升速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴，转子的转速随风速而改变，发电机发出的交流点频率也随之变化。利用大功率电力电子变化器，可将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。控制逆变电流可以调节输出功率，从而改变电机转速，进而实现最大功率追踪。由于风力机转速比较低，直驱永磁同步发电机的定子一般做成多级结构，转子采用永磁结构，省去了励磁绕组，消除了励磁损耗，从而提高了系统效率。同时，转子侧没有滑环，增加了系统运行的安全性和可靠性。这种机组的不足之处在于所用的永磁材料价格较高，而且变流器为全功率变流器，容量大、体积大、价格高，因此系统的成本比较高。
