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摘要：文章详细介绍了双馈式风力发电机组的机构组成、工作原理，分析了风力发电系统中双馈式风力发电机的工作特性，详尽分析了含双馈式风力发电机的系统中功率的流向以及流动过程。
关键字：双馈式风力发电机、原理、功率
The Structure and Principle and Power Analysis of Doubly—Fed Induction Generator
Bai Wenjun
（China Three Gorges University ， College of Electrical Engineering & Renewable Energy ， Yichang 443002 ， China）
ABSRTACT： This paper describe the structure and principle of the Doubly—Fed Induction Generator in detail ， and then analysis the operating characteristics of the Doubly—Fed Induction Generator in the wind power generation system， at the last ， analysis the flow and liquidity of the power system which contain the Doubly—Fed Induction Generator.
Keywords： Doubly—Fed Induction Generator， Structure，Power
0 引言
随着人们对可再生能源的重视和科学技术的进步，风电正受到越来越多的关注，其在整个电力系统中所占的比重也日益增加。众所周知，风电的产生正是通过风力推动桨叶转动，同时带动发电机的转动，将风能转化为机械能从而产生电能，然而，风速却不是恒定不变的，这就造成桨叶的转速的不稳定，导致了发电机所发出的电能的电压和频率的波动，因此，怎样使风力发电机发出稳定的电能是困扰了人们多年的问题。
为了使风力发电系统能够发出稳定的电能，人们从多种科学角度对风机进行了控制，包括：通过对风机采用变桨距控制，改变风机的桨距角（即风机叶片与风轮平面的夹角），从而改变风机叶片的迎风角度，调整风机对风能的利用率的方式；利用桨叶翼型的本身所具有的失速特性，让风机在风速大于额定风速的情况下，利用气流的攻角增大到失速的条件下，在桨叶的表面产生涡流，从而使风机的效率降低，由此来限制发电机的输出功率的方式等等。
随着双馈式发电机的出现及应用，其在很大程度上改善了风力发电不稳定的情况，为风机并网运行做出了很大的贡献。
1 双馈式风力发电机的结构
双馈发电机（Doubly—Fed Induction Generator，简称DFIG）最初的设想来自于一位英国学者，是在自级联异步电机的基础上发展出来的。其在结构上与绕线异步电机较为类似，由于其转子和定子两部分都能馈入或馈出能量，因此得名“双馈”，同时，由于双馈式发电机是通过转子来产生交流磁场，所以，双馈式发电机也被形象的称为交流励磁发电机。
双馈式发电机的结构一般是由转子、定子和气隙三个组成的。在双馈式电机定子的铁心上，均匀的分布着同形状的凹槽，它的主要作用就是用来嵌入定子绕组，使得通过定子的三相电流能够产生旋转磁场，同样，在转子中也有嵌入用绝缘导线组成的三相绕组，如图1，从示意图中可以清楚的看到，转子上引出的三相线先连接到位于转轴上的集电环上，然后再由电刷引出。一般情况下，定子是直接接到工频电网上，而转子则通过变换器连接到电网上，以用于转子进行交流励磁用。
2 双馈式风力发电机的原理
在分析双馈式风力发电机的工作原理之前，先引入双馈式电机交流励磁变速恒频发电系统，这样能更好的帮助我们分析双馈式发电机在系统中是如何工作的以及其在整个系统中的作用。
图2所示即为双馈式发电机交流励磁变速恒频发电系统的基本组成示意图。图的最左端为风机的桨叶，当桨叶通过风力的推动转动时，连杆经过齿轮箱的变速后带动发电机转动。当风速发生变化时，势必带动发电机的转速发生变化，此时，可以通过变频器有针对的控制输入到转子侧的励磁电流的频率，来改变转子磁场的旋转速度，这样，就能使定子侧感应出同步转速，将变速恒频发电变为现实。我们可以用一个数学表达式来表示这种关系：
（2—1）
式中各符号意义如下：
f为电网频率；
fr为转子的电流频率；
nm为发电机的机械转速；
np为电机的极对数。
发电机的机械角速度ωr与电机的极对数np以及电角速度ωm之间的关系为：ωr=npωm。由以上关系式可以推断，当发电机的转速发生变化时，即式2—1中的发生变化时，要保持电网的频率不发生变化，我们可以通过控制转子的电流频率，即fr来确保f恒定不变，达到变速恒频的目的。
当发电机的转速小于同步转速，即ωr<ω1时，整个发电机处于亚同步状态，在此状态下，通过励磁变频器，电网向发电机的转子提供交流励磁，补偿其转差功率，由定子向电网馈出电能；当发电机的转速大于同步转速，即ωr>ω1时，该发电机处于超同步状态之下，在此状态下，同样通过励磁变换器，转子回路向电网馈出电能，励磁变换器的能量方向与亚同步状态下相反，同时，定子回路也向电网馈出电能；当发电机的转速与同步转速相等，即ωr=ω1时，此时可以看作普通的同步电机，式2—1中fr=0，变流器向转子提供直流励磁。
3 双馈式风力发电机的功率流向分析
同样以变速恒频风力发电系统为例，在该系统中，发电机的定子直接接入电网中，转子通过由两个背靠背的连接的电压型PWM变换器组成的交直交变换器与电网相连。通过前文的原理分析我们可以清楚的认识到，双馈电机工作的阶段分为次同步和超同步两个阶段，再加上转子侧的转差功率的传递方向的不同，我们可以把双馈发电机的功率分为四个不同的状态，即超同步发电、超同步电动、次同步发电以及次同步电动。为方便分析，我们将定子侧的功率定义为P1，转子侧的转差功率定义为P2，电机的机械功率定义为PJ，同时规定，若定子向电网输送电能，则P1为正，从电网吸收电能，则P1为负；若转子向电网馈送电能，则P2为正，从电网吸收电能，则P2为负；若电机吸收机械功率，则PJ为正，输出机械功率，则PJ为负。四种状态下功率流向分析如下： ⑴ 超同步发电状态
在此状态下，电机的转速大于同步转速，转差率（定子旋转磁场转速与转子转速之差再除以定子旋转磁场转速）小于零，此时转速的方向与电磁转矩的方向相反，发电机处于制动状态。定子侧绕组向电网输出功率P1，转子侧绕组同时向电网侧馈送转差功率P2，电机则通过转轴吸收机械功率PJ。
⑵ 超同步电动
在此状态下，电机的转速大于同步转速，转差率也小于零，但电磁转矩的方向与转速的方向是同向的，对电机起到驱动的作用。因此，当双馈式电机工作在此状态下时，定子侧绕组是通过电网来吸收功率P1，转子通过电网来吸收转差功率P2，同时电机向外输出机械功率PJ。
⑶ 次同步发电
在此状态下，电机的转速是小于同步转速的，转差率则大于零，电磁转矩的方向则与转速的方向相反，对电机起到制动的作用。所以，当双馈电机处于此状态下时，定子绕组向电网侧输出功率P1，转子侧绕组则通过变流器向电网吸收功率P2，电机通过转轴吸收机械功率PJ。
⑷ 次同步电动
在此状态下，电机的转速同样小于同步转速，转差率大于零，此时电磁转矩的方向与转速的方向相同，对电机起驱动作用。定子侧绕组通过电网吸收功率P1，转子侧则通过变流器，向电网侧输出转差功率P2，电机则对外进行输出机械功率PJ。
4 双馈式风力发电机的等效电路
由于双馈式发电机的结构和原理比较复杂，不利于量化分析，因此，引入双馈式发电机的等效电路，以帮助我们在电路中对双馈式发电机进行计算或仿真研究。
为了简化分析，我们做出以下几点假设：
1. 双馈式发电机的定子绕组接入网络为无穷大电网；
2. 对于定子和转子中的电流高次谐波以及空间磁势产生的高次谐波分量忽略不计，对其产生的礠势规定沿气隙按正弦分布；
3. 对双馈式电机的磁饱和以及铁芯的损耗忽略不计；
4. 规定温度变化对电机的参数影响忽略不计。
上图中各符号意义如下：
E1、E2’分别为定子及转子电势；
I1、I2分别为定子及转子电流；
r1、x1分别为定子绕组的电阻及电抗；
r2’、x2’分别为转子绕组的电阻及电抗；
rm、xm分别为转子绕组的电阻和电抗；
等效电路中的基本方程式如下：
U1=E1—I1（r1+jx1）
U2’/S=E2’+I2’（r2’/S+jx2’）
E1=E2’=Im（rm+jxm）
Im=I2’—I1
在双馈式发电机等效电路和方程的帮助下，我们能更清楚的分析含有双馈式发电机的电力系统。
5 结束语
随着风电场的规模越来越大，人们对风电并网带来的各种影响也越来越重视，可以预见，双馈式发电机在风电场中的应用规模必将逐日增加，理解双馈式发电机的结构原理对以后对风力发电系统进行分析将会有很大的帮助，对双馈式发电机的功率分析能帮助我们理解双馈式发电机工作过程，为控制风电系统提供了参考。
参考文献：
[1] Manfred Stiebler .Wind Energy Systems for Electric Power Generation ISSN 1865—3529.
[2]辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学（第2版）.武汉：华中科技大学出版社，2005年8月.
[3]叶杭冶.风力发电机组的控制技术研究[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4]周双喜，风电场接入电力系统的若干问题，清华大学电机系电力系统研究所.
[5]李辉，杨顺昌.考虑转子谐波电流影响后双馈电机电磁功率的分析与计算.中国电机工程学报，第23卷第7期.
[6]吴运东.世界并网型风电技术发展趋势[J].风力发电，2001.1.
[7]刘其辉，贺益康，张建华.交流励磁变速恒频双馈异步发电机的稳态功率关系.电工技术学报，2006，21（2）.
[8]张凤阁，王凤翔，林成武.无刷双馈电机的结构特点与设计原则[J].微特电机，1999，27（3）.
关键字：双馈式风力发电机、原理、功率
The Structure and Principle and Power Analysis of Doubly—Fed Induction Generator
Bai Wenjun
（China Three Gorges University ， College of Electrical Engineering & Renewable Energy ， Yichang 443002 ， China）
ABSRTACT： This paper describe the structure and principle of the Doubly—Fed Induction Generator in detail ， and then analysis the operating characteristics of the Doubly—Fed Induction Generator in the wind power generation system， at the last ， analysis the flow and liquidity of the power system which contain the Doubly—Fed Induction Generator.
Keywords： Doubly—Fed Induction Generator， Structure，Power
0 引言
随着人们对可再生能源的重视和科学技术的进步，风电正受到越来越多的关注，其在整个电力系统中所占的比重也日益增加。众所周知，风电的产生正是通过风力推动桨叶转动，同时带动发电机的转动，将风能转化为机械能从而产生电能，然而，风速却不是恒定不变的，这就造成桨叶的转速的不稳定，导致了发电机所发出的电能的电压和频率的波动，因此，怎样使风力发电机发出稳定的电能是困扰了人们多年的问题。
为了使风力发电系统能够发出稳定的电能，人们从多种科学角度对风机进行了控制，包括：通过对风机采用变桨距控制，改变风机的桨距角（即风机叶片与风轮平面的夹角），从而改变风机叶片的迎风角度，调整风机对风能的利用率的方式；利用桨叶翼型的本身所具有的失速特性，让风机在风速大于额定风速的情况下，利用气流的攻角增大到失速的条件下，在桨叶的表面产生涡流，从而使风机的效率降低，由此来限制发电机的输出功率的方式等等。
随着双馈式发电机的出现及应用，其在很大程度上改善了风力发电不稳定的情况，为风机并网运行做出了很大的贡献。
1 双馈式风力发电机的结构
双馈发电机（Doubly—Fed Induction Generator，简称DFIG）最初的设想来自于一位英国学者，是在自级联异步电机的基础上发展出来的。其在结构上与绕线异步电机较为类似，由于其转子和定子两部分都能馈入或馈出能量，因此得名“双馈”，同时，由于双馈式发电机是通过转子来产生交流磁场，所以，双馈式发电机也被形象的称为交流励磁发电机。
双馈式发电机的结构一般是由转子、定子和气隙三个组成的。在双馈式电机定子的铁心上，均匀的分布着同形状的凹槽，它的主要作用就是用来嵌入定子绕组，使得通过定子的三相电流能够产生旋转磁场，同样，在转子中也有嵌入用绝缘导线组成的三相绕组，如图1，从示意图中可以清楚的看到，转子上引出的三相线先连接到位于转轴上的集电环上，然后再由电刷引出。一般情况下，定子是直接接到工频电网上，而转子则通过变换器连接到电网上，以用于转子进行交流励磁用。
2 双馈式风力发电机的原理
在分析双馈式风力发电机的工作原理之前，先引入双馈式电机交流励磁变速恒频发电系统，这样能更好的帮助我们分析双馈式发电机在系统中是如何工作的以及其在整个系统中的作用。
图2所示即为双馈式发电机交流励磁变速恒频发电系统的基本组成示意图。图的最左端为风机的桨叶，当桨叶通过风力的推动转动时，连杆经过齿轮箱的变速后带动发电机转动。当风速发生变化时，势必带动发电机的转速发生变化，此时，可以通过变频器有针对的控制输入到转子侧的励磁电流的频率，来改变转子磁场的旋转速度，这样，就能使定子侧感应出同步转速，将变速恒频发电变为现实。我们可以用一个数学表达式来表示这种关系：
（2—1）
式中各符号意义如下：
f为电网频率；
fr为转子的电流频率；
nm为发电机的机械转速；
np为电机的极对数。
发电机的机械角速度ωr与电机的极对数np以及电角速度ωm之间的关系为：ωr=npωm。由以上关系式可以推断，当发电机的转速发生变化时，即式2—1中的发生变化时，要保持电网的频率不发生变化，我们可以通过控制转子的电流频率，即fr来确保f恒定不变，达到变速恒频的目的。
当发电机的转速小于同步转速，即ωr<ω1时，整个发电机处于亚同步状态，在此状态下，通过励磁变频器，电网向发电机的转子提供交流励磁，补偿其转差功率，由定子向电网馈出电能；当发电机的转速大于同步转速，即ωr>ω1时，该发电机处于超同步状态之下，在此状态下，同样通过励磁变换器，转子回路向电网馈出电能，励磁变换器的能量方向与亚同步状态下相反，同时，定子回路也向电网馈出电能；当发电机的转速与同步转速相等，即ωr=ω1时，此时可以看作普通的同步电机，式2—1中fr=0，变流器向转子提供直流励磁。
3 双馈式风力发电机的功率流向分析
同样以变速恒频风力发电系统为例，在该系统中，发电机的定子直接接入电网中，转子通过由两个背靠背的连接的电压型PWM变换器组成的交直交变换器与电网相连。通过前文的原理分析我们可以清楚的认识到，双馈电机工作的阶段分为次同步和超同步两个阶段，再加上转子侧的转差功率的传递方向的不同，我们可以把双馈发电机的功率分为四个不同的状态，即超同步发电、超同步电动、次同步发电以及次同步电动。为方便分析，我们将定子侧的功率定义为P1，转子侧的转差功率定义为P2，电机的机械功率定义为PJ，同时规定，若定子向电网输送电能，则P1为正，从电网吸收电能，则P1为负；若转子向电网馈送电能，则P2为正，从电网吸收电能，则P2为负；若电机吸收机械功率，则PJ为正，输出机械功率，则PJ为负。四种状态下功率流向分析如下： ⑴ 超同步发电状态
在此状态下，电机的转速大于同步转速，转差率（定子旋转磁场转速与转子转速之差再除以定子旋转磁场转速）小于零，此时转速的方向与电磁转矩的方向相反，发电机处于制动状态。定子侧绕组向电网输出功率P1，转子侧绕组同时向电网侧馈送转差功率P2，电机则通过转轴吸收机械功率PJ。
⑵ 超同步电动
在此状态下，电机的转速大于同步转速，转差率也小于零，但电磁转矩的方向与转速的方向是同向的，对电机起到驱动的作用。因此，当双馈式电机工作在此状态下时，定子侧绕组是通过电网来吸收功率P1，转子通过电网来吸收转差功率P2，同时电机向外输出机械功率PJ。
⑶ 次同步发电
在此状态下，电机的转速是小于同步转速的，转差率则大于零，电磁转矩的方向则与转速的方向相反，对电机起到制动的作用。所以，当双馈电机处于此状态下时，定子绕组向电网侧输出功率P1，转子侧绕组则通过变流器向电网吸收功率P2，电机通过转轴吸收机械功率PJ。
⑷ 次同步电动
在此状态下，电机的转速同样小于同步转速，转差率大于零，此时电磁转矩的方向与转速的方向相同，对电机起驱动作用。定子侧绕组通过电网吸收功率P1，转子侧则通过变流器，向电网侧输出转差功率P2，电机则对外进行输出机械功率PJ。
4 双馈式风力发电机的等效电路
由于双馈式发电机的结构和原理比较复杂，不利于量化分析，因此，引入双馈式发电机的等效电路，以帮助我们在电路中对双馈式发电机进行计算或仿真研究。
为了简化分析，我们做出以下几点假设：
1. 双馈式发电机的定子绕组接入网络为无穷大电网；
2. 对于定子和转子中的电流高次谐波以及空间磁势产生的高次谐波分量忽略不计，对其产生的礠势规定沿气隙按正弦分布；
3. 对双馈式电机的磁饱和以及铁芯的损耗忽略不计；
4. 规定温度变化对电机的参数影响忽略不计。
上图中各符号意义如下：
E1、E2’分别为定子及转子电势；
I1、I2分别为定子及转子电流；
r1、x1分别为定子绕组的电阻及电抗；
r2’、x2’分别为转子绕组的电阻及电抗；
rm、xm分别为转子绕组的电阻和电抗；
等效电路中的基本方程式如下：
U1=E1—I1（r1+jx1）
U2’/S=E2’+I2’（r2’/S+jx2’）
E1=E2’=Im（rm+jxm）
Im=I2’—I1
在双馈式发电机等效电路和方程的帮助下，我们能更清楚的分析含有双馈式发电机的电力系统。
5 结束语
随着风电场的规模越来越大，人们对风电并网带来的各种影响也越来越重视，可以预见，双馈式发电机在风电场中的应用规模必将逐日增加，理解双馈式发电机的结构原理对以后对风力发电系统进行分析将会有很大的帮助，对双馈式发电机的功率分析能帮助我们理解双馈式发电机工作过程，为控制风电系统提供了参考。
参考文献：
[1] Manfred Stiebler .Wind Energy Systems for Electric Power Generation ISSN 1865—3529.
[2]辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学（第2版）.武汉：华中科技大学出版社，2005年8月.
[3]叶杭冶.风力发电机组的控制技术研究[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4]周双喜，风电场接入电力系统的若干问题，清华大学电机系电力系统研究所.
[5]李辉，杨顺昌.考虑转子谐波电流影响后双馈电机电磁功率的分析与计算.中国电机工程学报，第23卷第7期.
[6]吴运东.世界并网型风电技术发展趋势[J].风力发电，2001.1.
[7]刘其辉，贺益康，张建华.交流励磁变速恒频双馈异步发电机的稳态功率关系.电工技术学报，2006，21（2）.
[8]张凤阁，王凤翔，林成武.无刷双馈电机的结构特点与设计原则[J].微特电机，1999，27（3）.