双馈电机原理.pptx

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1、双馈电机基本原理双馈电机基本原理双馈电机基本原理双馈电机基本原理1.交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理 长期以来，常规的交流同步电机为直流励磁，异步电机没有励磁绕组，其励磁通过定子取自电网。近来，随着电力电子技术和数字控制技术的发展，出现了双馈形式实现交流励磁的交流电机。这种电机随着交流励磁频率的改变，不管是电动机或发电机，可以运行在不同速度，也就是说，可以变速发电或调速拖动。同时发现这种电机有调节电网功率因数和提高电网稳定性的功能，而且可以使水轮机、风力机等原动机或水泵等被拖动机械运行在最佳工况，使机组效率提高。2.交流励磁电机的优点交流励磁电机的优点

2、如果从电机转子的转速是否与同步转速一致来定义异步机或同步机，则交流励磁电机应当被称为异步机。但交流励磁电机在性能上又不像异步机而相反有很多同步机的性能。例如，异步机是通过定子从电网吸收励磁电流，本身无励磁绕组，交流励磁电机与同步机一样有独立的励磁绕组；异步机无法改变功率因数，交流励磁电机与同步机一样可调节功率因数；异步机的转速随负荷变化而变化，交流励磁电机与同步机一样，负荷改变时，转速可保持不变。所以有的称交流励磁电机为交流励磁同步电机，又有的称为同步感应电机，又有的称为异步化电机，也有的称为双馈电机，因为定、转子都馈电。实际上，它是具有同步电机特性的交流励磁的异步机，是一种从旧电机中发展出来

3、的新型电机，其性能比同步机还优越。双馈电机基本原理双馈电机基本原理 同步电机励磁的可调量只有一个，即电流的幅值。所以同步电机励磁一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机励磁的可调量有三个：一是可调节励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量。通过改变励磁频率，可改变电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷突变时，可通过快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小。改变转子励磁电流的相位时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置上有一个位移，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位置，也就改变了

4、电机的功率角。这说明电机的功率角也可进行调节。所以交流励磁不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。当电机吸收无功功率时，往往由于功率角变大，使电机稳定度降低。如通过调节交流励磁的相位，减小机组的功率角，使机组的运行稳定性提高，从而可多吸收无功功率，克服目前由于晚间负荷下降、电网电压过高的不利局面。因此说，交流励磁电机较同步机有更优越的运行性能。双馈电机基本原理双馈电机基本原理3.交流励磁电机的应用交流励磁电机的应用 由于交流励磁电机有三个可调量，通过励磁调节，不仅保持了同步机的可以调无功功率的优点，还能调速、调有功功率，因此可应用领域很广。3.1交流励磁变速发电机交流励磁变速发电机 原动机转速变

5、化的发电机组，都可以考虑采用交流励磁电机。例如潮汐电站，水头是变化的，则希望转速也变化。风力发电机，随风速的变化也希望转速改变。船舶与航空发电机，其转速是紧跟推进器速度的，转速也是改变的。过去由于受电网频率限制，发电机转速不能变，迫使原动机在不同水头、不同风力等情况下维持一个转速，显然是不合理的。它使机组效率降低，原动机受损，也使发电质量下降或被迫降低出力，甚至停机。现在可通过调节交流励磁电机励磁电流的幅值、频率与相位，使得原动机速度改变时，也可保证发电机发出的电能质量，从而提高了机组的运行效率，实现发电机与电网的柔性连接。双馈电机基本原理双馈电机基本原理3.2交流励磁调速电动机交流励磁调速电

6、动机 随着电力电子技术的发展，大容量可控变频装置得到发展与完善，使交流调速技术发展十分迅速，但这些调速电动机都是通过改变供电电源的频率来改变转速的。这种变频装置的容量必须与电动机的功率相一致。高压大容量变频装置的价格往往高于电动机，尤其是较高速电机。对于电机来说由于速度高，体积小，价格下降，但由于功率不变，高压变频装置价格相对更高。由于价格原因，变频交流调速电动机虽有很好的性能，但其推广受到很大阻力。如果采用交流励磁调速，其变频装置的功率随调速范围不同而有所不同。在调速范围为30左右时，其变频装置功率可做到电动机功率的15左右，这就使变频装置价格下降很多。当然对于电动机还需解决不用变频器如何起

7、动的问题。更重要的是控制绕组可设计成低压，也就避免了变频器高压化的不利影响，所以交流励磁双馈调速系统是高压大容量交流电机变频调速的合理方案。交流励磁调速电动机与常规的串级调速异步电机相比较，它克服了串级调速电机功率因数低、调速范围窄、有死区、电流大、效率低的缺点。交流励磁电机有任意可调的高功率因数、更宽的调速范围、且能在同步转速以上运行、效率高、节约投资等优点。双馈电机基本原理双馈电机基本原理 3.3交流励磁发电机交流励磁发电机 现代电力系统的发展趋势是单机容量越来越大，送电距离日益增长，为提高输电效益，输电线电压等级提高。此外，电网负荷变化率也随社会进步越来越大，这使输电线出现传输有功功率低

8、于其自然功率的工况。这时线路出现过剩无功功率，引起持续工频过电压。这会危及系统的安全运行和增加损耗。目前的解决办法是在线路上加装静止电抗器、调相机或静止无功补偿器，或要求发电机进相运行，这些措施存在一定的技术和经济上的缺点。由于交流励磁电机可以调节励磁电流的相位，从而改变转子磁场的位置，改变电机电势与系统电压相量间的夹角，达到改变功率角使电机稳定运行的目的。所以通过采用交流励磁可使电机吸收更多无功功率，解决电网电压升高的弊病，也使得运行效率、电网质量与稳定性有所提高。双馈电机基本原理双馈电机基本原理 3.4交流高速发电机交流高速发电机 从理论上讲，当通过转子的交流电相序与定子相序相反就能得到高

9、于同步转速的转子。一个二极机在50Hz频率下其转速为3000r/min，如在转子中通入方向相反的50Hz励磁电流，则转子转速将为6000 r/min。这样一个转速，对燃气轮机拖动的发电机来说是很合适的，因为燃气轮机的合理转速是在6000 r/min左右。过去是通过变速装置将转速降低到3000 r/min 来拖动发电机。如果可以使发电机与燃气轮机直接对组远行，不仅省略了多事故的变速装置，且使整个机组缩小，有可能安装在一个不大的台板上。这样一个既经济又紧凑的装置对燃气轮发电机组的发展也将产生一定影响。由于大容量高转速的发电机转子的设计制造比较困难，这种发电方式，还未见采用，无刷双馈的结构在此更显重

10、要。3.5 交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理 众所周知，任何电机在稳定运行时，定子旋转磁势与转子旋转磁势都是相对静止、同步旋转的。对双馈电机有：双馈电机基本原理双馈电机基本原理式中：f1定子绕组电流频率；fs转子绕组电流频率；n转子旋转的转速；p电机的极对数。其中，“+”用于亚同步运行，“”用于超同步运行，后者要求转子绕组相序与定子相反。从这个关系式可以看出，当转子转速n变化时，可调节转子的供电频率fs，保持f1不变，即保证定子馈电频率不变，与电网一致。采用这种交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点采用这种交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点：(1

11、)允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率。(2)调节励磁电流幅值，可调节发出的无功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的有功功率。应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。(3)需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减小，成本降低，投资减少。正因为这些优点，使得交流励磁双馈发电机成为变速恒频风力发电领域应用的主流发电机。双馈电机基本原理双馈电机基本原理变速恒频风力发电机理变速恒频风力发电机理风能利用系数 Pw通过桨叶旋转面积的功率 Pm风力机吸收输出的机械功率叶尖速比（桨叶尖线速度与风速之比）R

12、桨叶半径 v风速 桨叶旋转角速度 风能利用率与叶尖速比的关系 只有特定的叶尖速比下，风能利用系数最大风力机输出功率与转速关系风力机输出功率与转速关系每一风速下，一定转速时才能有最大功率输出定桨距风力机恒转速下只有一种风速输出功率最大，其他风速输出功率差各种风速下最大功率点连线为最佳功率曲线各种风速下均能获得最大风能，发电机必须变速运行风力机输出功率特性交流励磁特性交流励磁特性变速下恒频输出电能 f1定子输出频率 f2=Pn/60转子转速（频率）fs转子转差频率 发电机转速n0 正序低频交流励磁 nn1(超同步发电)s0 P20 变频器向转子绕组输入功率超同步发电 s0 P20 转子绕组向变频器

13、输入功率故要求变频器具有能量双向流动能力VSCFVSCF风力发电风力发电系统运行区域系统运行区域并网控制区域风力机变浆矩运行，控制机组转速，同时对发电机进行并网控制转速控制最大风能追踪区域风力机定浆矩运行控制机组转速以追踪最大风能，风能系数保持为最佳值,恒定，转速控制转速限制区域转速控制风力机变浆矩运行，控制机组转速为最高转速，防止转速越限。风力机变浆矩运行，控制机组功率为最大功率，防止功率越限。功率控制功率限制区域最大最大风能追踪风能追踪机理机理n 最大风能追踪的本质就是在风速发生变化时调节机组转速，保持最佳叶尖速比。n 实现最大风能追踪，可以通过风力机控制实现,也可以通过发电机控制实现。n 采用通过发电机功率控制实现最大风能追踪的方案的原理是：通过控制发电机输出功率来控制发电机阻转矩,进而控制机组转速，以求在风速变化时保持最佳叶尖速比，实现最大风能追踪。n DFIG是一台多变量、强耦合、非线性、时变复杂系统,必须采取解耦控制策略,实现发电机转矩的动态控制,其中磁场定向矢量控制是有效策略。最大风能追踪实现最大风能追踪实现最大最大风能追踪风能追踪机理机理谢谢谢谢17