雙饋風力發(fā)電機功率關(guān)系分析

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1、第35卷第1期華電技術(shù)V0l_35No．12013年1月HuadianTechnologyJan．2013雙饋風力發(fā)電機功率關(guān)系分析,h-遙，郭巍，莊俊，駱皓，(1．國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京210032；2．東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096)摘要：雙饋風力發(fā)電機通過控制轉(zhuǎn)子電壓實現(xiàn)定子有功功率和無功功率控制，分析了轉(zhuǎn)子功率特性與變流器容量設計的關(guān)系，推導了雙饋電機的等效電路，基于等效電路計算了發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子功率分配關(guān)系。使用Matlab軟件對雙饋發(fā)電機各工況下轉(zhuǎn)子電流、電壓的變化特性及發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子功率分配關(guān)系進行了仿真和驗證。通過實例分析，提出了雙饋變流器主電路硬件的設

2、計方法。關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；雙饋電機；有功功率；無功功率；Matlab軟件中圖分類號：TM315文獻標志碼：A文章編號：1674—1951(2013101—0072—06(DFIG)的等效電路。0引言雙饋式風力發(fā)電機因為體積小，配置的變流器容量一般不超過風機總?cè)萘康?／3，控制靈活，在我國得以廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)投入運行的兆瓦級風力發(fā)電機組中，采用雙饋技術(shù)的機組占到70％左右。因為其通過轉(zhuǎn)子勵磁控制發(fā)電機的功率，系統(tǒng)的功率流向與轉(zhuǎn)差率s直接相關(guān)，特別是當電網(wǎng)對風機有無功調(diào)節(jié)需求時，電機內(nèi)部功率關(guān)系比較圖1異步電機等效電路圖復雜。本文分析了雙饋電機定子、轉(zhuǎn)子間的功率關(guān)當s>0時，DFIG氣隙磁

3、場切割定子的方向與系，并利用Matlab對雙饋發(fā)電機各工況下的電氣特切割轉(zhuǎn)子的方向一致，轉(zhuǎn)子感應電動勢與定子感應性和功率關(guān)系進行了仿真和驗證，為設計變流器的電動勢方向一致。圖2為s>0時轉(zhuǎn)子電路圖，圖硬件電路及功率控制策略提供了理論基礎。中：為轉(zhuǎn)子感應電壓；為轉(zhuǎn)子在sX50Hz下的1雙饋發(fā)電機等效電路圖漏抗；為轉(zhuǎn)子電流；U2為轉(zhuǎn)子端電壓。轉(zhuǎn)子電路存在如下關(guān)系●●●●●●●●●●●雙饋發(fā)電機可看作一臺轉(zhuǎn)子施加勵磁電壓的繞，E2+，2(2+)=U2。(1)線式交流異步感應電機，因此，其等效電路可以從異步電動機等效電路衍生而來。圖1為采用電動機慣例的異步電動機等效電路圖，轉(zhuǎn)子繞組短接，端電壓為0。在

4、圖1中，和J，分別為定子電壓與電流，，為折算后的轉(zhuǎn)子電流，，為勵磁電流，E為定子感應電動勢，E為折算后的轉(zhuǎn)子電動勢，和圖2轉(zhuǎn)子電路圖分別為定子電阻和漏抗，R和分別為勵磁電阻圖2所示的電路頻率∞=2~rXS×50Hz，要將和電抗，和：分別為折算后的轉(zhuǎn)子電阻和漏該電路頻率折算到50Hz，只要等式兩邊同時乘以抗，S為轉(zhuǎn)差率。根據(jù)電機學原理可知：要實現(xiàn)轉(zhuǎn)子一”／s，l=2,rrX50Hz，則有回路與定子回路的電路連接，需要對轉(zhuǎn)子回路進行E2e，+，2(R2／s+jx2)=U2／s，(2)繞組折算和頻率折算。繞組折算比較簡單，不在此亦可表示為討論。以下假設轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組匝數(shù)相等，僅E2+J2(R2／

5、+)=U2／s，(3)討論如何經(jīng)過頻率折算推導雙饋異步發(fā)電機式中：E：為s=1時的轉(zhuǎn)子感應電壓；：為轉(zhuǎn)子電路頻率為50Hz時的漏感。收稿日期：2012—08—23；修回日期：2012—11—07亞同步和超同步狀態(tài)下轉(zhuǎn)子電流與電壓的區(qū)別基金項目：南京市科技計劃項目(20120246)如圖3所示。當s<0時，若定子電流不變，則氣隙第1期肖遙，等：雙饋風力發(fā)電機功率關(guān)系分析·73·』mJlk0、、＼C圖4DFIG等效電路圖a亞同步氣隙磁場旋轉(zhuǎn)方向b亞同步轉(zhuǎn)子電流與電動勢相量圖U1=一I1(R1+)一E1‘mJIU'2／s=Jz(s+I／s)一層，(8)E1=E2=一I(R+)I2=Il+12＼0～一

6、R式中：S為轉(zhuǎn)差率；U，I分別為定子端電壓與電流；月，分別為定子電阻與漏抗；R，X分別為勵磁電阻與互抗；E，E分別為定子、轉(zhuǎn)子感應電動勢；R：，分別為轉(zhuǎn)子電阻與漏抗；J，分別為轉(zhuǎn)c超同步氣隙磁場旋轉(zhuǎn)方向d超同步轉(zhuǎn)子電流與電動勢相量圖子電流與端電壓。式中轉(zhuǎn)子側(cè)各量均已折算到定子圖3亞同步和超同步狀態(tài)下轉(zhuǎn)子電流電壓的區(qū)別側(cè)。需要注意的是：雖然經(jīng)過頻率折算后轉(zhuǎn)子電路系統(tǒng)的頻率為50Hz，但實際轉(zhuǎn)子電路的頻率為sx磁場、定子磁動勢和轉(zhuǎn)子磁動勢都與s>0時相同，50Hz。定子、轉(zhuǎn)子回路在電路上沒有直接的聯(lián)系，只是相對轉(zhuǎn)子繞組的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了改變。由于氣兩者通過磁場耦合產(chǎn)生相互影響。隙磁場切割轉(zhuǎn)子的方向與

7、s>0時相反，所以轉(zhuǎn)子感圖5顯示了定子功率因數(shù)為1且5>0時，雙饋應電動勢反向，由于轉(zhuǎn)子磁動勢沒有發(fā)生變化，所以發(fā)電機各量的相量關(guān)系。圖中：U。為定子阻抗壓轉(zhuǎn)子電流幅值及相位都沒有發(fā)生變化。同時，因為降；為轉(zhuǎn)子阻抗壓降；為氣隙主磁通。氣隙磁場相對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了改變，轉(zhuǎn)子電t路的相序由正序變?yōu)樨撔?。n咐s<0時，轉(zhuǎn)子電路仍符合式(1)的關(guān)系，同理，要將該電路頻率折算到50Hz，只要等式兩邊同時