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双馈感应电机：运行区域和动态仿真关键字：交流电机，变速驱动器，模型，可再生能源系统摘要：目前电压源电力电子变换器的成本和运行条件的约束使得它们在多兆瓦功率级的变速电机和变速发电机的控制中的应用受到了限制。对于只在额定值附近有一个较小连续运行区域的高功率的应用，双馈感应电机/发电机（DFIM/DFIG）提供了一个较为经济的解决方案。双馈电机的运行限制主要是由转子电力电子变换器的等级决定的。直到现在，大部分的文献都在强调转子的有功功率和电机的速度范围之间的额关系。在这篇文章里，转子绕组的电力负载和频率变换器会被更加深度的检测，作为速度范围和定子无功功率的函数。这些是用双馈电机的等效电路实现的。最后，我们会实现一个双馈电机的动态仿真，它可以使我们检测一个电网扰动对电机运行的影响。前言：在许多的工业应用中，使用变速驱动器而不是恒速驱动器可以很大的提高效率。除了水泵，风力和水力轮机，在其他应用中如轧钢厂，它的主要生产过程是需要变速运行的。在小功率范围内应用的最多的变速系统是鼠笼型感应电机或者同步电机，他们都是由PWM-IGBT频率变换器来实现变速的。但是目前的成本和运行条件的约束限制了他们在兆瓦级驱动器中的应用。对于这些功率范围，也存在一些其他的选择。由周波变换器驱动的同步电机是可以被应用的，不管怎样周波变换器的应用是有一些严重的劣势的：l 安装成本非常高：至少需要一个独立的变压器和36率的晶闸管（为了一个6脉冲的变换器）；l 周波变换器对电网由一个非常不好的影响：它消耗电流时伴随着高次谐波电流，不仅如此，被消耗的电流总是滞后与电压，产生一个非常低的感应功率因数；l 负载边的输出频率被限制到电网频率的ca.30%，同时输出电压也在一个较高的频率，谐波电流也将达到很高的水平。可供选择的还有基于IGBT或者GTO半导体的变换器。额定功率可以达到40MW（IGCT）或者100MW(GTO) 的变速驱动器已经安装成功了。这些半导体类型的缺点是它们相比IGBT较低的开关频率。双馈感应电机为仅仅需要在电机的额定值（速度和无功功率）附近限定范围内运行的应用提供了一个非常经济的解决方案。它的结构是带有绕线型转子和滑环的感应发电机。定子绕组直接和电网相连，转子绕组通过一个电力电子转换器与电网相连。转换器必须只和滑环相连接，而滑环的功率一般不会超过额定功率的30%，和满功率的转换器相比，转换器额定频率的减少意味着很重要的成本节约，图1是一个双馈电机的示意图。 对DFIM/DFIG进行恰当的控制，电机的速度可以被控制在额定速度附近一个限定的范围内，电机的无功功率也可以在感性和容性范围内被控制。最后面的那个特质是一个很重要的优势：在一个解除管制的电力市场，无功功率的可控制性。对电网进行反馈以及使线路损耗最小化都是非常有价值的。对于电力电子变换器,大都是用一个双向的IGBT-PWM系统.利用AFE(主动前端),电网侧的电流可以独立于转子电流被控制.现在这种结构配置的电机对于兆瓦级(1-5MW)的风力涡轮机机来说已经是一个主流的选择。对于更大的设备,比如几百兆瓦的水力涡轮发电机来说，转子电流由一个周波变流器控制，它也允许限定范围内的速度控制。尽管电网侧周波变换器的功率因数不能被控制，但是我们可以利用周波变换器控制转子电流以达到来在感性和容性范围内控制定子电流的目的。周波变换器对电网功率质量的影响是非常有限的，因为它仅仅占发电机总功率的一小部分。转子变流器的等级决定了电机的运行区域，这已经在许多的文献中提到过，假定变流器功率，那么速度范围为，然而，这是在不考虑定子无功功率输出也会对转子电气负载产生影响的情况下。而且，因为功率变换器（大部分是IGBT）决定了运行的限制条件，那么转子的视在功率和电流至少是和转子的有功功率具有同等重要性的。双馈感应电机的静态特性总体特性双馈感应电机的速度控制意味着转子频率和转子绕组产生或者消耗有功功率的控制。由感应电机理论我们知道，速度与定子转子频率的关系是：和 （1）n：每分钟转数；p；极对数。速度和定子有功功率，转子有功功率以及机械功率之间（忽略电气损耗）的关系是：和 （2）图1所示电路中所有可能的运行方式的电功率的流向已经在表一中给出。在某一种模式下，转子是可以产生电功率的，这种功率可以被耗散（就像在鼠笼电机以及在维斯塔斯装备了OptiSlip的风力涡轮发电机中的那样）也可以被反馈到电网（发电模式），这种情况下就需要在转子上应用一个双向功率变换器。 表1：多种模式下的电功率的流向电动机发电机（提供机械转矩）（接受机械转矩）欠同步消耗产生； 产生（或者耗散）消耗过同步消耗产生；消耗产生（或者耗散）方程（2）简单的指出了转子变频器的额定功率作为所需要的速度范围的函数，这将会在下一段更加详细的描述。等效电路图2表示的是稳定运行情况下，在一个固定不变的坐标系内一个双馈电机的等效电路（电动机的惯例）。转子的工程量参照定子：和 （3）（绕组数量）由上面的电路我们可以计算转子电流和电压的稳态值。需要特别注意的是转子视在功率作为定子有功和无功电流的函数额的计算，这是因为转子视在功率对转子电力电子变换器的要求等级有很大的影响。在稳态模式下定子和电压方程式： （4） （5）以及和 （6） 转子电流可以由（4）式的变形式计算： （7） 同样转子电压可以作为速度，定子电压和定子电流的函数来计算： （8）由转子变频器产生的视在功率是： （9）转子负荷图利用上面的方程，作为电机速度，定子无功和有功功率的函数，我们可以得到与转子电气负载有关的各种工程量。对所有的结果，我们用到了每一个单位标号，而由此我们得到的结论是转子负载图是独立于电机的额定频率的。由于定子直接和电网连接，定子电压可以被认为是恒定的并等同为单位1，那么这就意味着定子的有功和无功功率在数值上和定子的有功和无功电流是相等的。对于下面的转子负载图，我们以GAMESA公司的850KW的双馈风力发电机的数据为例： 电机的阻抗P.U.为(涉及到得定子视在功率为： 转子电流一个决定IGBT变频器主要成本的参数是它的额定电流。因此，一个DFIG转子电流的大小是作为速度和低昂子无功功率的函数计算的。这些在发电机定子无功功率为单位1的情形下在图3中作了展示。我们可以看到转子电流是独立于转子速度的，这也是可以从（7）式中推出的。图4显示了是定子无功功率的函数，其中的变化范围是0.2到1单位（发电机模式）。对的影响在区域的附近最大。我们可以得出的结论是额定转子电流决定了和的最大值，转子电流的限定并不影响点击的速度范围。转子电压图5展示了转子电压是速度和定子无功功率的函数，在情形下。我们可以看到是随着速度和定子无功功率变化而变化的。这也可以由（8）式中得到解释：由滑差行决定，而恒定的滑差值是由决定的。包括两方面，有功电流和无功电流。它们各自分别和与在数值山相等，因为被假定是恒定的而且是单位1。对的影响在图5中表示。在图6中等值线的绘制是在不同的值下进行的。我们可以得出的结论是转子电压对和的依赖性相比速度来说是比较低的。确切的系数可以由（8）式得到，它是机械设计量（主要是电阻）的参数。对于通常的电机设计，比如本问文中提到的例子，DFIG的转子额定电压主要是由所需要的速度范围决定的，而所需要的定子有功功率和无功功率范围却影响很小。转子视在功率到目前为止我们的结论是：l 是和的限制因素；l 是速度范围的限定因素。和是定子相关的工程量，这就是说，他们是有有效的定转子绕组比率决定的。对一个具体的电机的设计来说，绕组比率的选择可以用这样一个方法，就是把运行区域优化为一个电力电子变换器成本的函数。转子视在功率并不依赖于绕组比率。的示图显示了无论选择什么样的（定转子绕组比），我们都不可能避开运行的限制条件。图7显示了在的条件下，作为速度和定子无功功率的函数。图8显示了对于不同的值的的等值线。从图中我们可以看出：l 在容性区域内，速度范围是有限的；而且，随着容性程度的加深，速度范围对的依赖性急剧减少；l 在感性区域内，速度范围稍有扩大；l 在附近的区域内，对较小的值，速度范围变的非常大。最后一个特性对于风力涡轮机非常的有用，在低风速（因此导致低有功功率）的情况下，伴随着涡轮机速度的降低，空气动力的效率会得到很大的提高。不仅如此，随着涡轮机速度的降低，轴承和联接器的磨损也减少了。双馈感应电机的运行区域图9显示了双馈电机最终的运行区域。它由以下的限制条件所限定：l 图9中的实曲线（1）代表了最大定子电流（本例中为）所确定的限 制条件。l 虚线（2）代表了转子电流（本例中为）所确定的限制条件。这个限 制条件可以从图（4）中得到。这条曲线关于轴稍微有点不对称， 而且它的位置不受电机速度的影响。l 竖直虚线（3）代表了由电机装备（如轴承等）决定的有功功率限制。在本例中是。当忽略电气损耗时，机械功率就是和之和。在电机同步转度附近的一个很小的范围内可以用近似估计。l 转子视在功率的最大值决定了速度范围。图9显示了由此确定的速度范围限制在同步转速上下的10%到50%。这时，我们已经假定一个最大值图9的系统变量是和图8中的是相关的。它们的位置几乎是独立于转差率（过或欠同步运行）。这些也可以在图8中看出：系统变量是关于轴对称的。l 图9中并未展示出的一个限制运行范围的条件是由离心力决定的电机的最大速度。结论：我们已经示图去确定一个双馈感应电机的稳态运行速度范围，有功和无功功率。因此，转子变频器的电气负载，主要是其视在功率，已经被用作一个基本的判断标准，当然，我们已经假定了变流器的级别对总的安装成本有很大的影响。在电网扰动的情况下，双馈感应发电机的动态性能，特别是在电压降方面，相比传统发电机有更多的问题。动态的仿真显示了在电网扰动的情况下，双馈感应发电机并不能够充分的对电网进行回馈。主动前端译自英文Active Front End。从结构上看，由于采用了 IGBT 功率元件， 所以它相当于一个逆变器，不同的是其输入为交流输出为直流，因为它位于电源进线侧， 所以被称为前端。企主动的含义在于，与传统的二级管或可控制硅整流技术相比，主动前端不再是被动地将交流转变成直流，而是具备了很多主动的控制功能。它不仅能消除高次谐波，提高功率因数， 而且不受电网波动的影响， 具有卓越的动态特性。 主动前端（AFE整流单元的工作原理可简述为：AFE整流单