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1、双馈式感应发电机（DFIG）简介 刘大明 双馈电机（或称为交流励磁电机），它早在四十年代就已经出现。随着电力电子技术和数字控制技术的发展，双馈电机在电气性能方面所具有的一系列优点和巨大的潜力，已经引起国内外的高度重视。双馈式感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)使用绕线式转子，由于电力可经由转子侧之电力转换器双向流动，因此发电机馈入电力系统的界面同时包括定子侧（Line side）及转子侧（Rotor side），其电力转换器功率仅为发电机额定功率之2030%，故成本较低，而且发电机可变速范围可达同步转速之30%，因此性能/价格比值最高，为目前大型
2、风力发电机中最普遍采用之组态。全球前 10 大风力发电机制造商的产品中有六成以上的变速风力发电机采用双馈式感应发电机，本文将介绍双馈式感应发电机的基本原理与特性。一、双馈式感应发电机（DFIG）基本原理 双馈式感应发电机（DFIG）是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机，其转子具有三相励磁绕组结构。当通以某一频率（转差频率）的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，转子的实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场所对应的转速等于同步转速，则在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，在定子侧感应出同步频率的感应电势。从定子侧看，这与同步发电机直流励磁的转子以同步转速旋转时，在电机气隙中形成
3、一个同步旋转的磁场是等效的。双馈式感应发电机与一般感应发电机不同之处在于联接其转子侧之PWM 脉宽调变电力转换器具有四象限之运转能力，电力转换器提供低频（转差频率）的交流电流(或电压)进行励磁，调节励磁电流(或电压)的幅值、频率、相位，来实现定子恒频恒压输出，其定子输出特性与同步发电机十分类似，所以有一些文献指出，双馈式感应发电机可以视为同步发电机与感应发电机之综合体。从能量流动的特性来看，与采用直流励磁的同步发电机相比，同步发电机励磁的可调量只有直流励磁电流的幅值一个，所以同步发电机励磁一般只能对无效功率进行调节，而双馈式感应发电机，其励磁的可调量除了励磁电流的幅值外，还有励磁电流的频率和相
4、位。通过改变励磁电流的频率可以改变发电机的转速，达到调速的目的；通过改变励磁电流的相位，来改变发电机的空载电势与电力系统电压向量之间的相对位置，从而改变发电机的功率角，可以调节发电机的有效功率。一般感应电机(异步电机):(1)在转子转速低于同步转速时，处于电动工作状态，(2)当转子转速高于同步转速时，处于发电工作状态，而对于双馈式电机来说，除了上述两种工作状态之外，还具有另外两种工作状态:(3)欠同步发电工作状态，(4)过同步电动工作状态。双馈式感应发电机之欠同步与过同步转速发电时之功率流向分别如图一(a)及图一(b)所示。其中，s 为转差率，Ps 为 DFIG 定子输出功率，Pg 为 DFI
5、G 输出至电力系统之功率。图一(a)欠同步转速发电(0s1)之功率流向 图一(b)过同步转速发电(s 0，此时转差率 s 0 故 Pr 0，PWM 电力转换器向发电机转子输入有效功率并提供发电机转子正相序励磁。（2）当转子转速高于同步转速时：发电机处于过同步运转模式，转子旋转磁场旋转方向和转子转向相反，即 f2 0，此时转差率 s 0 故 Pr 0，PWM 电力转换器输出有效功率至电力系统并提供发电机转子负相序励磁。（3）当转子转速等于同步转速时：发电机处于同步运转模式，转子不需提供旋转磁场，即 f2=0，此时转差率 s=0 故 Pr=0，PWM 电力转换器向发电机转子提供直流励磁。图五为 G
6、E DFIG 之输出与转速关系曲线，图中可看出当转子转速低于同步转速时，PWM 电力转换器向发电机转子输入有效功率；当转子转速高于同步转速时，发电机转子向 PWM 电力转换器输出有效功率。图六为 GE DFIG 之输出与转子频率关系曲线。图四 双馈感应发电机之交流励磁变速恒频运行原理 图五 GE DFIG之输出与转速关系曲线 Ps Pg Pr 图六 GE DFIG之输出与转子频率关系曲线 图七 GE 电力转换器之硬件架构图 -20-12 20 四、PWM 电力转换器 GE 风力发电机 IGBT 电力转换器之硬件架构如图七所示，电力转换器之控制模块透过 CAN Bus 与 Bachmann PL
7、C 联机，其控制核心为 tms320vc33 150 MHz 之数字信号处理器（DSP），DSP 与外围设备之逻辑信号连接是由现场可程序化逻辑门阵列 FPGA(Field Programmable Gate Array)所规划。电力转换器之控制运算及程序需透过专用之规划软件编辑控制程序，再分别加载 DSP 及 FPGA 中。图八为 GE 风力发电机之 PLC 控制架构图，图中可看出塔架底部之 Main Controller 透过光纤网络(Ethernet)连接至机舱中之 Nacelle Controller，再经由 CAN_bus 透过转轴滑环(Rotor Slip Ring)连接至轮毂(HU
8、B)中之 Pitch Controller，来控制三支叶片之旋角。五、结语 采用双馈式感应发电机，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，使机电系统之间的刚性连接变为柔性连接。基于上述诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究重点和必然的发展趋势。未来风力发电机将朝大型化（单机装置容量510MW）及离岸式（Offshore）发展，风力发电机技术之主流为无刷交流励磁双馈感应式发电机及永磁同步发电机两大类变速恒频风力发电技术。国内学术界及产业界应对
9、变速恒频交流励磁双馈发电机之相关技术投入更多资源，方能建立自主研发及维护之能力。图八 GE 风力发电机之PLC控制架构图 六、参考数据 1.GE Manual，GE POWER CONVERSION WIND CONVERTER PRODUCT OVERVIEW，2004。2.：”Bachmann M1 WTG Controller System”.3.桂人杰，变速风机之控制系统，精密机械制造与新兴能源机械技术专辑，2006年5月，。4.刘德顺，各厂家风力发电仪控系统及特性比较，台电林口训练中心风力发电维护班讲义，九十六年八月七日。5.陈祯南、刘德顺，GE 风力发电机介绍(上)/(下)，发电通讯437/438期，台电发电处出版，九十六年七月/八月刊。