变流器基本原理
1、双馈型风⼒发电系统的运⾏原理
双馈型风⼒发电系统结构图如图1所⽰，由风轮机、齿轮箱、变桨结构、偏航机构、双馈电机、变流器、变压器、电⽹等构成。其⼯作过程为：当风吹动风轮机转动时，风轮机将其捕获的风能转化为机械能再通过齿轮箱传递到双馈电机，双馈电机将机械能转化为电能，再经变流器及变压器将其并⼊电⽹。通过系统控制器及变流器对桨叶、双馈电机进⾏合理的控制使整个系统实现风能最⼤捕获，同时，通过对变桨机构、变流器及Crowbar 保护电路的控制来应对电⼒系统的各种故障。
双馈异步发电机的定⼦与转⼦两侧都可以馈送能量，由于转⼦侧是通过变频器接⼊的低频电流起到了励磁作⽤，
因此⼜名交流励磁发电机。双馈异步发电机主机结构特点是：定⼦与⼀般三相交流发电机定⼦⼀样，具有分布式绕组；转⼦不是采⽤同步发电机的直流集中绕组，⽽是采⽤三相分布式交流绕组，与三相绕线式异步机的转⼦结构相似。正常⼯作时，定⼦绕组并⼊⼯频电⽹，转⼦绕组由⼀个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电，转⼦励磁系统通常采⽤交-直-交变频电源供电。
图1、双馈风⼒发电系统结构图
双馈异步发电机在稳态运⾏时，定⼦旋转磁场和转⼦旋转磁场在空间上保持相对静⽌，此时有如下数学关系表达式：
12
r n n n =±2160
f n n f r p ±=
12
11
r n n n s n n ?==±式中，1n 、r n 、2n 分别为定⼦电流产⽣磁场的旋转速度、转⼦旋转速度和转⼦电流产⽣磁场相对于转⼦的旋转速度，1f 、2f 分别为定、转⼦电流频率，p n 为发电机极对数，s
s n n n s ?=为发电机的转差率。由上式可知，当发电机转⼦转速r n 发⽣变化时，若调节转⼦电流频率2f 相应变化，可使1f 保持恒定不变，实现双馈异步发电机的变速恒频控制。当r n <1n 时，电机处于亚同步速运⾏状态，转⼦旋转磁场相对于转⼦的旋转⽅向与转⼦旋转⽅向相同，变频器向转⼦提供交流励磁，定⼦向电⽹馈出电能；当r n >1n 时，电机处于超同步速运⾏状态，转⼦旋转磁场相对于转⼦的旋转⽅向与转⼦旋转⽅向相反，此时定、转⼦均向电⽹馈出电能；当r n =1n 时，2f =0，变频器向转⼦提供直流励磁，此时电机作为普通隐极式同步发电机运⾏。
双馈电机转⼦侧接变流器，其调速的基本思想就是要在转⼦回路上串⼊附加电势，通过调节附加电势的⼤⼩、相位和相序来实现双馈调速。与传统的直流励磁同步发电机相⽐，双馈异步发电机励磁系统的调节量由⼀个变为三个，即励磁电流的幅值、频率和相位。所以，调节励磁不仅可以调节发电机的⽆功功率，还可以调节发电机的有功功率和转⼦转速。因此，该电机在提⾼电⼒系统稳定性、变速运⾏能⼒⽅⾯有着优良的特性。
2.变速恒频双馈风⼒发电机运⾏⼯况
2.1双馈电机在不同⼯作状态下的功率分布流程
从上⾯对双馈电机的分析，我们可以建⽴双馈电机在不同情况下的运⾏状态，并且同时分析在该种情况下的功率流程。主要讨论的是定⼦侧功率1P （向电⽹输出电能时为正，吸收电⽹电能时为负），转差功率s P （向电⽹馈送电能时为正，吸收电⽹电能时为负）和机械功率mec P （电机吸收机械功率为正，电机输出机械功率时为负）。
1）双馈电机运⾏于超同步发电机情况下：
整个风机的机械效率
同步转速
图2、双馈电机超同步发电机时的功率流程
从上图中可以看到，21n n n ?=，由于2n 与1n ⽅向相反，所以n＞1n ，转差S<0。并且电磁转矩em T 与n 反向，起制动作⽤。因⽽此时，双馈电机是吸收机械功率mec P ，然后通过定⼦侧向电⽹输出功率1P ，通过转⼦侧向电⽹馈送转差功率s P 。因此可得mec P =1P +s P 。2）双馈电机运⾏于超同步电动机状态：
图3、双馈电机超同步电动机时的功率流程
从上图中可以看到，21n n n ?=，由于2n 与1n ⽅向相反，所以n＞1n ，转差率S<0。并且电磁转矩
em T 与n 同向，起驱动作⽤。因⽽此时，双馈电机是通过定⼦侧向电⽹吸收功率1P ，通过转⼦侧向电⽹吸收转差功率s P ，向外输出机械功率mec P 。因此可得mec P =1P +s P 。
3）双馈电机运⾏于亚同步发电机状态：
n1定⼦磁场转速
n2转⼦转速
n 转⼦磁场想对于转⼦旋转的转速n1-n/n1
亚同步
图4、双馈电机亚同步发电机时的功率流程风能发电原理
从上图中可以看到，21n n n ?=，由于2n 与1n ⽅向相同，所以n＜1n ，转差率S＞0。并且电磁转矩em T 与n 反向，起制动作⽤。因⽽此时，双馈电机是通过转⼦侧向电⽹吸收功率s P ，向外吸收机械功率mec P ，通过定⼦侧向电⽹输出转差功率1P 。因此可得1P =mec P +s P 。
4）双馈电机运⾏于亚同步电动机状态：
从图5中可以看到，21n n n ?=，由于2n 与1n ⽅向相同，所以n＜1n ，转差率S ＞0。并且电磁转矩em T 与n 同向，起驱动作⽤。因⽽此时，双馈电机是通过定⼦侧向电⽹吸收功率1P ，向外输出机械功率mec P ，通过转⼦侧向电⽹输出转差功率s P 。因此可得1P =mec P +s P 。
图5、双馈电机亚同步电动机时的功率流程
上⾯⼀共讨论了双馈电机在四种情况下的运⾏特性，但是我们在风⼒发电中需要考虑的仅仅是1），3）两种发电机运⾏情况。并且还应当注意的是，由于1I =m I -2I ，可以调节转⼦侧绕组中电流2I 相位⼤⼩，来控制定⼦中定⼦电流1I 的相位和⼤⼩，从⽽实现通过转⼦
侧的少量⽆功功率来控制定⼦侧的⼤量⽆功功率。
3、双馈风⼒发电变流器控制
⼀、电机侧变流器的控制
图6电机侧变流器结构图
电机侧变流器拓扑结构如图所⽰，电机转⼦侧接三相电压型PWM变流器，其直流环节通常是恒定的，即直流侧电压恒定，交流侧转⼦量通常是变化的。
可以通过控制电机侧变流器的电流给定进⾏定⼦侧电流相位、幅值、频率的控制，并控制电机稳态运⾏时转速稳定，通过控制转⼦侧电流间接控制电机功率。
对于电机侧变流器的控制采⽤定⼦磁链定向的⽮量控制（⽬前有多种⽅法）。
⼆、电⽹侧变流器的控制
图7电⽹侧变流器结构图
电⽹侧PWM变流器实际上是⼀个三相电压型PWM整流器，其控制⽬标是调节⽹侧功率因数，保持直流母线电压恒定。
具体控制⽅式采⽤电⽹电压定向⽮量控制，即先建⽴电⽹侧PWM变流器的数学模型，将其转换⾄d-q轴坐标系下，将电⽹电压⽮量定向在d轴上，在此基础上建⽴电⽹侧PWM变流器在电⽹电压⽮量控制下的⽅程。
4、变流器主电路开关器件参数设计
风⼒发电系统所⽤交流-直流-交流变流器开关器件选⽤绝缘栅双极晶体管（IGBT），电机侧变流器和电⽹侧变流器均采⽤IGBT作为开关器件，对于IGBT的选型需要分别考虑电机侧最⼤持续电流峰值和电⽹侧最⼤持续电流峰值，同时还需要考虑到中间直流电压最⾼值来选择合适的开关器件参数。
4.1电机侧最⼤电流有效值计算
电机额定转速为1800r/min，⽽电机转速范围是：1000-2030r/min，当双馈发电机⼯作在转速1800r/min，即转差率0.2S =?的超同步⼯况时，发电机定⼦侧有功功率达到最⼤值为：
11156013001 1.2
s G P P kW kW s =×=×=?此时，定⼦电流和转⼦电流也达到最⼤值。下⾯分三种情况具体计算转⼦电流：
⼀、不考虑电⽹电压波动时的电机转⼦电流：
转速为n=1800r/min，定⼦侧电压峰值
为：690975.81sm U V =
=；计算转⼦电流为：1102.98sm
rd m
U i A L ω==534.3232s
rq m sm s P i A
L U L ==??
则转⼦侧电流峰值最⼤为：544.15r i A
==
则转⼦侧电流有效值最⼤为：384.83r ab i A ?==s L ——定⼦绕组在d-q 坐标系下的等效⾃感,r L ——转⼦绕组在d-q 坐标系下
的等效⾃感；m L ——定、转⼦间绕组在d-q 坐标系下的等效互感。
⼆、考虑电⽹电压波动时的电机转⼦电流
转速为n=1800r/min，考虑电⽹电压波动，当电压跌落
10%时，定⼦侧电压峰值为：6900.9878.22sm U V =×=；
计算转⼦电流为：
192.687sm
rd m
U i A L ω==593.6932s
rq m sm s P i A
L U L ==??
则转⼦侧电流峰值最⼤为：600.88r i A
==
则转⼦侧电流有效值最⼤为：424.95r ab i A ?==三、当功率因数cos 0.9?=时，考虑电⽹电压波动时的电机转⼦电流转速为
n=1800r/min，考虑电⽹电压波动时定⼦侧电压峰值为：
6900.9878.22sm U V =×=，
定⼦侧⽆功功率为:
s tan(arccos 0.9)1560
755.54Q kw kw =?=;
则转⼦侧q 轴电流rq i 不变，d 轴电流rd i 为：
1432.3332sm
s rd m m sm s
U Q i A L L U L ω=+=??则转⼦侧电流峰值最⼤为：734.423r i A
==综上所述，第三种情况时，电机转⼦侧电流最⼤，则电机侧变流器IGBT 额定电流为：12519.391468.83T i A A
=×=4.2电⽹侧最⼤电流有效值计算
当双馈发电机⼯作在转速2030r/min，即转差率0.353s
=?的超同步⼯况时，发电机
转⼦侧有功功率达到最⼤值为：