雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(DFIG)說明

1、雙饋式感應(yīng)發(fā)電機（DFIG）簡介劉大明雙饋電機（或稱為交流勵磁電機），它早在四十年代就已經(jīng)出現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，雙饋電機在電氣性能方面所具有的一系列優(yōu)點和巨大的潛力，已經(jīng)引起國內(nèi)外的高度重視。雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG) 使用繞線式轉(zhuǎn)子，由于電力可經(jīng)由轉(zhuǎn)子側(cè)之電力轉(zhuǎn)換器雙向流動，因此發(fā)電機饋入電力系統(tǒng)的界面同時包括定子側(cè)（Line side）及轉(zhuǎn)子側(cè)（Rotor side），其電力轉(zhuǎn)換器功率僅為發(fā)電機額定功率之2030%，故成本較低，而且發(fā)電機可變速范圍可達同步轉(zhuǎn)速之±30%，因此性能/價格比值最高

2、，為目前大型風(fēng)力發(fā)電機中最普遍采用之組態(tài)。全球前10大風(fēng)力發(fā)電機制造商的產(chǎn)品中有六成以上的變速風(fēng)力發(fā)電機采用雙饋式感應(yīng)發(fā)電機，本文將介紹雙饋式感應(yīng)發(fā)電機的基本原理與特性。一、雙饋式感應(yīng)發(fā)電機（DFIG）基本原理雙饋式感應(yīng)發(fā)電機（DFIG）是在同步發(fā)電機和異步發(fā)電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型發(fā)電機，其轉(zhuǎn)子具有三相勵磁繞組結(jié)構(gòu)。當(dāng)通以某一頻率（轉(zhuǎn)差頻率）的交流電時，就會產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速加上交流勵磁產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，則在電機氣隙中形成一個同步旋轉(zhuǎn)磁場，在定子側(cè)感應(yīng)出同步頻率的感應(yīng)電勢。從定子側(cè)看，這與同步發(fā)電機直流勵磁的轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，在電機氣隙

3、中形成一個同步旋轉(zhuǎn)的磁場是等效的。雙饋式感應(yīng)發(fā)電機與一般感應(yīng)發(fā)電機不同之處在于聯(lián)接其轉(zhuǎn)子側(cè)之PWM脈寬調(diào)變電力轉(zhuǎn)換器具有四象限之運轉(zhuǎn)能力，電力轉(zhuǎn)換器提供低頻（轉(zhuǎn)差頻率）的交流電流(或電壓)進行勵磁，調(diào)節(jié)勵磁電流(或電壓)的幅值、頻率、相位，來實現(xiàn)定子恒頻恒壓輸出，其定子輸出特性與同步發(fā)電機十分類似，所以有一些文獻指出，雙饋式感應(yīng)發(fā)電機可以視為同步發(fā)電機與感應(yīng)發(fā)電機之綜合體。從能量流動的特性來看，與采用直流勵磁的同步發(fā)電機相比，同步發(fā)電機勵磁的可調(diào)量只有直流勵磁電流的幅值一個，所以同步發(fā)電機勵磁一般只能對無效功率進行調(diào)節(jié)，而雙饋式感應(yīng)發(fā)電機，其勵磁的可調(diào)量除了勵磁電流的幅值外，還有勵磁電流的頻率

4、和相位。通過改變勵磁電流的頻率可以改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)速的目的；通過改變勵磁電流的相位，來改變發(fā)電機的空載電勢與電力系統(tǒng)電壓向量之間的相對位置，從而改變發(fā)電機的功率角，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的有效功率。 一般感應(yīng)電機(異步電機) : (1)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時，處于電動工作狀態(tài)， (2)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時，處于發(fā)電工作狀態(tài)， 而對于雙饋式電機來說，除了上述兩種工作狀態(tài)之外，還具有另外兩種工作狀態(tài) : (3)欠同步發(fā)電工作狀態(tài)， (4)過同步電動工作狀態(tài)。雙饋式感應(yīng)發(fā)電機之欠同步與過同步轉(zhuǎn)速發(fā)電時之功率流向分別如圖一(a)及圖一(b)所示。其中，s為轉(zhuǎn)差率，Ps為DFIG定子輸出功率，Pg

5、為DFIG輸出至電力系統(tǒng)之功率。PWM電力轉(zhuǎn)換器Pss Ps(1- s) PsPgDFIGGear box圖一(a) 欠同步轉(zhuǎn)速發(fā)電(0<s<1) 之功率流向PWM電力轉(zhuǎn)換器PssPs1+sPsPgDFIGGear box圖一(b) 過同步轉(zhuǎn)速發(fā)電(s<0) 之功率流向二、雙饋式感應(yīng)電機之運轉(zhuǎn)特性GE 1.5se 型風(fēng)力發(fā)電機之基本結(jié)構(gòu)如圖二，風(fēng)力發(fā)電機由一具有繞線轉(zhuǎn)子(wound rotor) 之感應(yīng)發(fā)電機、滑環(huán)(slip rings) 如圖三、轉(zhuǎn)子回路上之AC-DC-AC PWM電力轉(zhuǎn)換器以及先進的電子控制器所組成。GE1.5se 型雙饋式感應(yīng)發(fā)電機之同步轉(zhuǎn)速為每分鐘12

6、00 轉(zhuǎn)(rpm)，且有一變頻電力轉(zhuǎn)換器與發(fā)電機轉(zhuǎn)子連接可使發(fā)電機之轉(zhuǎn)速固定于800 至1600 rpm 之范圍內(nèi)，產(chǎn)生穩(wěn)定60Hz 之高質(zhì)量輸出。于風(fēng)速超過14m/s時轉(zhuǎn)速固定于1440 rpm，發(fā)電機輸出可達額定值1500KW。由于僅轉(zhuǎn)子回路中約 20%30%之輸出電力須經(jīng)AC-DC -AC 轉(zhuǎn)換器之調(diào)變，不似Gearless Type 風(fēng)力發(fā)電機中所有之輸出電力均須調(diào)變，因此調(diào)變所產(chǎn)生之損失明顯減少，電力轉(zhuǎn)換器所占之空間與重量亦顯著降低，在其額定容量之運轉(zhuǎn)效率可達97%以上。GE 1.5se雙饋式感應(yīng)發(fā)電機其運轉(zhuǎn)特性為：（1）過同步運轉(zhuǎn)模式(Over-synchronous mode)：

7、以高于同步速度之轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，為高風(fēng)速時之運轉(zhuǎn)模式，發(fā)電機定子輸出75%電力，轉(zhuǎn)子則經(jīng)由電力轉(zhuǎn)換器輸出約25%之電力。（2）同步運轉(zhuǎn)模式(Synchronous mode)：以同步速度轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，在部分負(fù)載工作范圍下，發(fā)電機定子負(fù)責(zé)輸出100%之電力。（3）欠同步運轉(zhuǎn)模式 (Sub-synchronous mode)：以低于同步速度之轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，為低風(fēng)速時之運轉(zhuǎn)模式，在部分或輕負(fù)載工作范圍下，發(fā)電機定子負(fù)責(zé)100%之電力輸出。圖二 GE 1.5se 型風(fēng)力發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)圖圖三 繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子之滑環(huán)(Slip rings)及碳刷（Carbon brush）三、DFIG交流勵磁變速恒頻之運行原理雙

8、饋式感應(yīng)發(fā)電機變速恒頻運行的原理可以用圖四來進一步說明。圖四中n1為定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速；n2為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；nr為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；f1、f2分別為發(fā)電機之定、轉(zhuǎn)子電流的頻率；P為繞線式轉(zhuǎn)子之極數(shù)（Pole）。由電機學(xué)的知識可知，雙饋式感應(yīng)發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)的時候，定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場在空間上保持相對靜止，即 n1 = n2 + nr因 n1=(120 f1) / P及 n2=(120 f2) / P，故有 (120 f1) / P = (120 f2) / P + nr所以f1 = f2 + (P nr)/120從上式可知，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子之轉(zhuǎn)速nr隨著風(fēng)速的變化而

9、變動時，可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率f2使定子輸出電力之頻率f1保持恒定，也就是與電力系統(tǒng)頻率一致，即可實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的變速恒頻運行。當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)差角頻率旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)電機于不計損耗的理想條件下有：Pr = s PsPg = Ps - Prs = (ns nr) / ns其中，s為轉(zhuǎn)差率；ns為同步轉(zhuǎn)速；Ps為定子輸出電功率；Pr為輸入至轉(zhuǎn)子之電功率；Pg為雙饋式感應(yīng)發(fā)電機之輸出電功率。PWM電力轉(zhuǎn)換器隨著風(fēng)速的變化會自動進行下列三種工作模式之切換：（1） 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時：發(fā)電機處于欠同步運轉(zhuǎn)模式，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，即f2

10、> 0，此時轉(zhuǎn)差率s > 0故Pr > 0，PWM電力轉(zhuǎn)換器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子輸入有效功率并提供發(fā)電機轉(zhuǎn)子正相序勵磁。（2） 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時：發(fā)電機處于過同步運轉(zhuǎn)模式，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，即f2 < 0，此時轉(zhuǎn)差率s < 0故Pr < 0，PWM電力轉(zhuǎn)換器輸出有效功率至電力系統(tǒng)并提供發(fā)電機轉(zhuǎn)子負(fù)相序勵磁。（3） 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速時：發(fā)電機處于同步運轉(zhuǎn)模式，轉(zhuǎn)子不需提供旋轉(zhuǎn)磁場，即f2 = 0，此時轉(zhuǎn)差率s = 0故Pr = 0， PWM電力轉(zhuǎn)換器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。圖五為GE 1.5se DFIG之輸出與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，圖中可看

11、出當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時，PWM電力轉(zhuǎn)換器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子輸入有效功率；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子向PWM電力轉(zhuǎn)換器輸出有效功率。圖六為GE 1.5se DFIG之輸出與轉(zhuǎn)子頻率關(guān)系曲線。圖四 雙饋感應(yīng)發(fā)電機之交流勵磁變速恒頻運行原理PsPgPr圖五 GE 1.5se DFIG之輸出與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線-0.2-0.330.33-20-1220圖六 GE 1.5se DFIG之輸出與轉(zhuǎn)子頻率關(guān)系曲線圖七 GE 1.5se電力轉(zhuǎn)換器之硬件架構(gòu)圖四、PWM電力轉(zhuǎn)換器GE 1.5se風(fēng)力發(fā)電機IGBT電力轉(zhuǎn)換器之硬件架構(gòu)如圖七所示，電力轉(zhuǎn)換器之控制模塊透過CAN Bus與Bachmann PLC聯(lián)

12、機，其控制核心為tms320vc33 150 MHz之?dāng)?shù)字信號處理器（DSP），DSP 與外圍設(shè)備之邏輯信號連接是由現(xiàn)場可程序化邏輯門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)所規(guī)劃。電力轉(zhuǎn)換器之控制運算及程序需透過專用之規(guī)劃軟件編輯控制程序，再分別加載DSP及FPGA中。圖八為GE 1.5se風(fēng)力發(fā)電機之PLC控制架構(gòu)圖，圖中可看出塔架底部之Main Controller透過光纖網(wǎng)絡(luò)(Ethernet)連接至機艙中之Nacelle Controller，再經(jīng)由CAN_bus透過轉(zhuǎn)軸滑環(huán)(Rotor Slip Ring) 連接至輪轂(HUB)中之Pitch Co

13、ntroller，來控制三支葉片之旋角。五、結(jié)語采用雙饋式感應(yīng)發(fā)電機，突破了機電系統(tǒng)必須嚴(yán)格同步運行的傳統(tǒng)觀念，使原動機轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機輸出頻率限制，而發(fā)電機輸出電壓和電流的頻率、幅值和相位也不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時位置的影響，使機電系統(tǒng)之間的剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接?；谏鲜鲋T多優(yōu)點，由雙饋發(fā)電機構(gòu)成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為目前國際上風(fēng)力發(fā)電方面的研究重點和必然的發(fā)展趨勢。未來風(fēng)力發(fā)電機將朝大型化（單機裝置容量510MW）及離岸式（Offshore）發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)之主流為無刷交流勵磁雙饋感應(yīng)式發(fā)電機及永磁同步發(fā)電機兩大類變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。國內(nèi)學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界應(yīng)對變速恒頻交流勵磁雙饋發(fā)電機之相關(guān)技術(shù)投入更多資源，方能建立自主研發(fā)及維護之能力。圖八 GE 1.5se風(fēng)力發(fā)電機之PLC控制架構(gòu)圖六、參考數(shù)據(jù)1. GE Manual，GE POWER CONVERSION 1.5MW WIND CONVERTER PRODUCT OVERVIEW，2004。2. /uk/images/stories/pdf/bae_wind