雙饋電機原理

1、雙饋電機原理 1 單饋電機與雙饋電機    眾所周知，一般線繞型異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速（圖1a）或按可控硅低同步串級調(diào)速（圖1b）其轉(zhuǎn)子調(diào)速 （n）均低于定子同步轉(zhuǎn)速(n1 ),轉(zhuǎn)差功率 （PS）都是從轉(zhuǎn)子繞組輸出，前者消耗在外接電阻上，后者回輸?shù)诫娋W(wǎng)上。 （轉(zhuǎn)差功率 即轉(zhuǎn)子銅耗。電機同步轉(zhuǎn)速不變，輸出轉(zhuǎn)速變小時，轉(zhuǎn)子電流增加，轉(zhuǎn)子銅耗增加。即轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差功率越大； 異步電機定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差額率稱 轉(zhuǎn)差率 ）   通常，人們將這種定

2、子由固定電源（一般為工頻電網(wǎng)電源）供電，轉(zhuǎn)子消耗或回收轉(zhuǎn)差功率的交流異步電動機稱為“單饋”電機。忽略電機損耗，設(shè)電機定子電磁功率為P1，電源相序為A-B-C ； 電機轉(zhuǎn)子繞組同步轉(zhuǎn)速為n2,(轉(zhuǎn)子三相電流相序為a-b-c)；轉(zhuǎn)子輸出機械功為PM,則單饋電機的功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系為：    P1=PM+PS . 單饋電機功率（P1）=轉(zhuǎn)子輸出機械功（PM）+轉(zhuǎn)差功率（PS）    n=n1-n2 .單饋電機轉(zhuǎn)速 （n）=定子同步轉(zhuǎn)速（n1）轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)速（ n2）&

3、#160;   欲使電機轉(zhuǎn)速超越同步轉(zhuǎn)速，根據(jù)電磁感應(yīng)關(guān)系和電機穩(wěn)定運行條件可知，電機轉(zhuǎn)子繞組應(yīng)由另一套輸出電壓為Ef的獨立附加電源Sf（又稱交流勵磁電源）供電，并向轉(zhuǎn)子繞組輸入轉(zhuǎn)差功率PS，且勵磁相序應(yīng)改為a-b-c（圖1c）。這種定、轉(zhuǎn)子繞組分別由各自交流電源供電的交流電機稱為“雙饋”電機。工作于超同步電動狀態(tài)的“雙饋”電機其功率及轉(zhuǎn)速關(guān)系為：P1+PS=PM 雙饋電機功率=轉(zhuǎn)子輸出機械功（PM）轉(zhuǎn)差功率（PS）n=n1+n2 .雙饋電機轉(zhuǎn)速=定子同步轉(zhuǎn)速（n1）轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)速（n2）    “雙饋”與“單饋”電

4、機本質(zhì)區(qū)別是：“單饋”電機轉(zhuǎn)子繞組三相電流是感生的，輸出轉(zhuǎn)差功率PS（相當于“發(fā)電”），三相電流相序不能改變，只能實現(xiàn)低同步以下（n<n1）調(diào)速；“雙饋”電機的轉(zhuǎn)子繞組三相電流由轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢E2與Ef共同產(chǎn)生，Sf電源可強制性向電機輸入PS，且三相電流的相序可加以控制。     在調(diào)速傳動中，線饒型電動機的應(yīng)用并不少見，但作“雙饋”應(yīng)用并不多，這是因采用“雙饋”雖可獲得比“單饋”更好的調(diào)速性能和技術(shù)、經(jīng)濟指標，但需要增加一套獨立的雙向變頻電源Sf，且控制系統(tǒng)復(fù)雜。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)和微機控制技術(shù)的滲透，雙饋調(diào)速也日益成熟，并

5、得到推廣應(yīng)用。    2 “雙饋”電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)    設(shè)“雙饋”電機定子回路供電電壓為U1，電流為I1；轉(zhuǎn)子回路電流為I2,勵磁電源Sf的輸出電壓為Ef；氣隙磁通為m ，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢為E2 ，忽略電機各部分損耗，則：    定子側(cè)電磁功率：P1=3U1I1cos 1  (1為I1與U1相位差，即電機定子側(cè)功率因數(shù))     轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)差功率：PS=3E2I2 

6、;cos2 （2 為I2與E2 相位差，即轉(zhuǎn)子側(cè)功率因數(shù)）    勵磁電源容量：PfPS=3EfI2 cos. (為I2 與Ef 相位差，即勵磁電源Sf 的功率因數(shù))     轉(zhuǎn)矩： M=KMI2m sin.（KM 轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)，I2 與m 相位差）    當控制1 ，2 相位角時，可以控制功率P1 與PS&

7、#160;的流轉(zhuǎn)；當改變角時，可改變M的正負；當調(diào)節(jié)時，可調(diào)節(jié)勵磁電流的有功分量與無功分量，從而調(diào)節(jié)cos 1 。圖2示出了“雙饋”電機調(diào)節(jié)有功功率時（=0和180°時的）四種運轉(zhuǎn)狀態(tài)各量近似的相位關(guān)系。    從圖2可知，雙饋電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的改變既有標量控制，又有矢量控制，當需要調(diào)節(jié)cos 1 時，=0180°    3 多級組合型勵磁電源    為使電機獲得由低同步超同步的無級調(diào)速性能和有功與無功獨立調(diào)節(jié)

8、的運行特性，從上所述可知，作為“雙饋”調(diào)速轉(zhuǎn)子勵磁電源的基本條件是：功率可逆流轉(zhuǎn)，且輸出電壓及其電流的幅值、頻率、相位、相序均可調(diào)節(jié)。從理論上講，勵磁電源可分為二相，三相或多相，下面以選擇三相為例加以說明：    3.1 晶閘管相控整流與有源逆變器組合電源（AC-DC-AC）：相控變流電源 （圖3）    它由兩組完全相同的全控橋式整流電路組成，具有中間帶大電感濾波直流環(huán)節(jié)。電機側(cè)變流器和電源側(cè)變流器在傳遞轉(zhuǎn)差功率PS 時既可工作于“整流” 狀態(tài)（AC-DC），又可工作于（有

9、源）“逆變”狀態(tài)（DC-AC）。變壓器T是考慮在一定調(diào)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓與電網(wǎng)相互匹配而設(shè)置的。    優(yōu)點 采用電網(wǎng)換流，主控電路簡單，PS雙向控制易實現(xiàn)。    缺點 勵磁電流為方波，存在較大諧波轉(zhuǎn)矩；在nn1時電機側(cè)變流器無換流電壓，電機無法跨越同步轉(zhuǎn)速點，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，需另采取特殊換流措施。.     3.2 可控整流器與電壓型SPWM逆變器組合電源(AC-DC-AC)：SPWM變頻電源(圖4)  

10、60; 電源側(cè)變流器是三相全控ACDC相控整流器，電機側(cè)變流器是三相電壓型SPWM逆變器，具有電容濾波中間直流環(huán)節(jié)。前者為電網(wǎng)換流，后者為自換流逆變器,采用SPWM調(diào)制控制。    優(yōu)點 該組合電源能為轉(zhuǎn)子提供正弦電壓或電流，可消除低次諧波轉(zhuǎn)矩，可在同步轉(zhuǎn)速點平滑過渡。     缺點 低頻區(qū)輸出波形較差，動態(tài)性能較差，大容量裝置成本高。   3.3 雙高頻PWM整流器組合電源(AC-DC-AC)：:雙向高功率因素高頻整流電源(圖5)&#

11、160;   在電源側(cè)與電機側(cè)各接一套三相高頻PWM整流電路，通過中間電容濾波直流環(huán)節(jié)連接起來。當PS 輸出轉(zhuǎn)子，電源側(cè)變流器用作高頻PWM整流(AC-DC)，電機側(cè)整流器將高頻PWM整流器轉(zhuǎn)化為”逆相”運行(DC-AC)，反之，亦然。   優(yōu)點 能向電機轉(zhuǎn)子提供三相正弦波勵磁電壓和電流，能使電源側(cè)電壓和電流為正弦波，且功率因素為1。    缺點 可關(guān)斷器件讀，低頻特性差，成本高，控制較復(fù)雜。    4 單級勵磁電源

12、    該類電源僅有一級電能轉(zhuǎn)換器組成。    4.1 晶閘管相控型交交直接變頻器(AC-DC)：直接變頻電源(圖6).    圖6是三相零式AC/AC變頻電路,它是三相交交變頻器最簡單的一種，由六組三相半波可控整流電路組成。主電路要用18個元件。在大容量系統(tǒng)中，要采用六組三相全控橋式整流電路，要用36個元件。在采用”余弦交迭法”對控制角() 進行”調(diào)制”控制時，可為轉(zhuǎn)子提供正弦勵磁電壓或電流。    優(yōu)點 

13、;電源無中間直流環(huán)節(jié)，變換效率高，勵磁電壓或電流接近正弦波，可減少低次諧波轉(zhuǎn)矩，控流無”死區(qū)”存在，低頻特性好。，    缺點 主電路元件多，控制復(fù)雜，輸出f0僅為(1/2- 1/3)電源頻率。    4.2 矩陣式AC/AC變頻電源(圖7)    采用9個二端雙向全控逆導開關(guān),(圖7b),按3×3矩陣排列,可組成三相三相矩陣式變換器。這是一種”廣義電能轉(zhuǎn)換器”，采用高頻SPWM控制技術(shù)，通過不同控制算法可以變更矩陣結(jié)構(gòu)形式,組成直-直

14、斬波(DC-DC) 用于雙饋電機”起動”; 組成直-交逆變（DC-AC）用于雙饋電機“投勵”或低同步運行，組成交    -直整流（AC-DC）用于雙饋電機同步運行或超同步運行。采用矩陣式變換器可使雙饋電機多變量的協(xié)調(diào)控制和多運轉(zhuǎn)狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)化大大簡化。    優(yōu)點 可使電機側(cè)電壓及電流為正弦波，電源側(cè)電流與電源電壓同相且為正弦波，調(diào)頻范圍不受限制，可直接通過升頻控制使電機反轉(zhuǎn)，靈活的電路結(jié)構(gòu)變化，使變換器具有多種功能。    缺點 可關(guān)

15、斷器件多（18個），需按嚴格邏輯程序進行控制，技術(shù)不成熟，成本高。   5 多功能勵磁電源（圖8）    從4.2可知，雙饋電機為適應(yīng)多變量解耦控制和多運轉(zhuǎn)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換，其勵磁電源要具有斬波、整流、逆變、變頻等多種功能，為簡化電源結(jié)構(gòu)，減少開關(guān)元件，可選擇12個最基本、最重要的變換器為基礎(chǔ)，通過增減n個單向?qū)щ娫ǘO管）和機械開關(guān)的換接以構(gòu)成多功能變流器。例如可以選擇三相不可控整流橋和一套高頻PWM整流器作基礎(chǔ)，通過D1，D2和K1K4轉(zhuǎn)換（見圖8），可獲得相控高頻PWM整流、斬波及逆變器四種功能，上述四功能變

16、換器分別可適應(yīng)雙饋調(diào)速“起動”、“低同步”、“同步”、“超同步”的需要。        參考文獻：    1 泵站電機雙饋調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 湖北工學院學報 2000.9 廖冬初 劉群 張杰等    2大中型電排站“提速增容”方案選擇 電氣傳動自動化增刊 2001.8 劉群 張杰 廖冬初   

17、0;3基于8XC196MC單片機的雙饋電機斬波與雙饋調(diào)速技術(shù)研究 電機與控制學報，2002.6    林成武 朱建光 王鳳翔    4電流型逆變器用于雙饋調(diào)速的實驗研究通信電源技術(shù). 劉文軍 劉群 戴碧君    超同步串級調(diào)速系統(tǒng) 電氣傳動自動控制 同濟大學 袁國華 陳德儉 趙錦標 孫澤昌    上鋼一廠 朱

18、世照幾種雙饋式變速恒頻風電機組低電壓穿越技術(shù)對比分析1 引言     并網(wǎng)風力發(fā)電是近十年來國際上發(fā)展速度最快的可再生能源技術(shù)。并網(wǎng)風力發(fā)電機與傳統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備最大的區(qū)別在于，其在電網(wǎng)故障期間并不能維持電網(wǎng)的電壓和頻率，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常不利。電網(wǎng)故障是電網(wǎng)的一種非正常運行形式，主要有輸電線路短路或斷路，如三相對地，單相對地以及線間短路或斷路等，它們會引起電網(wǎng)電壓幅值的劇烈變化。 雙饋式變速恒頻風電機組是目前國內(nèi)外風電機組的主流機型，其發(fā)電設(shè)備為雙饋感應(yīng)發(fā)電機，當出現(xiàn)電網(wǎng)故障時，現(xiàn)有的保護原則是將雙饋感應(yīng)發(fā)電機立即從電網(wǎng)中脫網(wǎng)

19、以確保機組的安全。隨著風電機組單機容量的不斷增大和風電場規(guī)模的不斷擴大，風電機組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴重。人們越來越擔心，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風電機組因自身保護而脫網(wǎng)的話，將嚴重影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。因此，隨著接入電網(wǎng)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機容量的不斷增加，電網(wǎng)對其要求越來越高，通常情況下要求發(fā)電機組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運行（ fault ride-through ），并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運行，也就是說，要求風電機組具有一定低電壓穿越 (low voltage ride-through) 能力。為此，國際上已有一

20、些新的電網(wǎng)運行規(guī)則被提出。例如：德國北部的電力公司 (e.on netz 公司 ) 要求風電場能夠在圖 1 所示的電壓范圍內(nèi) (即圖中陰影區(qū) ) 不脫網(wǎng)運行 133 ，電網(wǎng)電壓跌落到 15% 以后風電機組不脫網(wǎng)運行時間須持續(xù)達 300ms ，當電網(wǎng)電壓跌落低于曲線后才允許風電機組脫網(wǎng)。這里電壓指的是風電場連接點的電壓。而為英國部分地區(qū)供電的 national grid 電力公司則要求當高于 200kv 的輸

21、電線路發(fā)生故障時，所有并網(wǎng)運行的電站或風電場必須在 140ms 內(nèi)保持不脫網(wǎng)運行 2 。另外蘇格蘭電力公司 (scottish hydro-electric 公司 ) 對電網(wǎng)故障時電站或風電場不脫網(wǎng)運行也有類似的要求 3 。圖1 e.on netz公司對電網(wǎng)故障時風電場不脫網(wǎng)運行的電壓范圍要求33    為了提高風電機組的低電壓穿越能力，必須針對當前主流風電機組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機的運行特點進行研究，研究它們在電網(wǎng)故障與故障恢復(fù)過程中的暫態(tài)行為，消除或減輕在不離網(wǎng)控制

22、情況下可能引起的機組損害。許多文獻 4-7 報道了在電網(wǎng)電壓跌落情況下，風電機組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機會導致轉(zhuǎn)子側(cè)過流，同時轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加會導致轉(zhuǎn)子勵磁變流器直流側(cè)電壓升高，發(fā)電機勵磁變流器的電流以及有功和無功都會產(chǎn)生振蕩。這是因為雙饋感應(yīng)發(fā)電機在電網(wǎng)電壓瞬間跌落的情況下，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，從而會產(chǎn)生直流分量，由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的滑差，這樣便會引起轉(zhuǎn)子繞組的過壓、過流。如果電網(wǎng)出現(xiàn)的是不對稱故障的話，會使轉(zhuǎn)子過壓與過流的現(xiàn)象更加嚴重，因為在定子電壓中含有負序分量，而負序分量可以產(chǎn)生很高的滑差。過流會損壞轉(zhuǎn)子勵

23、磁變流器，而過壓會使發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿。為了保護發(fā)電機勵磁變流器，采用過壓、過流保護措施勢在必行。為了保證電網(wǎng)故障時雙饋感應(yīng)發(fā)電機及其勵磁變流器能安全不脫網(wǎng)運行，適應(yīng)新電網(wǎng)運行規(guī)則的要求，國內(nèi)外學術(shù)界和工程界對電網(wǎng)故障時雙饋感應(yīng)發(fā)電機的保護原理與控制策略進行了大量研究。據(jù)文獻的報道，當前的低電壓穿越技術(shù)一般有三種方案：一種是采用了轉(zhuǎn)子短路保護技術(shù)（ crowbar protection ），二種是引入新型拓撲結(jié)構(gòu)，三是采用合理的勵磁控制算法。下面逐一分析介紹。2 轉(zhuǎn)子短路保護技術(shù) 8    這是目前一些風電制造商采用得

24、較多的方法，其在發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)裝有 crowbar 電路，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，在檢測到電網(wǎng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時，閉鎖雙饋感應(yīng)發(fā)電機勵磁變流器，同時投入轉(zhuǎn)子回路的旁路（釋能電阻）保護裝置 , 達到限制通過勵磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機不脫網(wǎng)運行（此時雙饋感應(yīng)發(fā)電機按感應(yīng)電動機方式運行）。    目前比較典型的 crowbar 電路有如下幾種：        (1) 混合橋型 cro

25、wbar 電路 9 ，如圖 2 所示，每個橋臂由控制器件和二極管串聯(lián)而成。圖2 混合橋型crowbar        (2)IGBT型crowbar電路9，如圖3所示，每個橋臂由兩個二極管串聯(lián)，直流側(cè)串入一個igbt器件 和一個吸收電阻。圖3 igbt型crowbar        (3) 帶有旁路電阻的 crowbar 電路 10 ，如圖

26、0;4 所示，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時，通過功率開關(guān)器件將旁路電阻連接到轉(zhuǎn)子回路中，這就為電網(wǎng)故障期間所產(chǎn)生的大電流提供了一個旁路，從而達到限制大電流，保護勵磁變流器的作用。圖4 旁路電阻型crowbar    勵磁變流器在電網(wǎng)故障期間，與電網(wǎng)和轉(zhuǎn)子繞組一直保持連接，因而在故障期間和故障切除期間，雙饋感應(yīng)發(fā)電機都能與電網(wǎng)一起同步運行。當電網(wǎng)故障消除時，關(guān)斷功率開關(guān)，便可將旁路電阻切除，雙饋感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)入正常運行。  crowbar 電路的轉(zhuǎn)子短路保護技術(shù)存在這樣一些缺點：首先，需要增加新的保護裝置從而增加了系統(tǒng)成本；另外

27、，電網(wǎng)故障時，雖然勵磁變流器和轉(zhuǎn)子繞組得到了保護，但此時按感應(yīng)電動機方式運行的機組將從系統(tǒng)中吸收大量的無功功率，這將導致電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的進一步惡化，而且傳統(tǒng)的 crowbar 保護電路的投切操作會對系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)沖擊。文獻 1 提出了改進方案，該方案與傳統(tǒng)方案的區(qū)別在于：在轉(zhuǎn)子短路保護電阻切除后，將轉(zhuǎn)子電流控制指令設(shè)定為該時刻轉(zhuǎn)子電流的實際值，從而防止由于轉(zhuǎn)子電流控制器指令電流與實際電流不等而引起的暫態(tài)沖擊。然后通過逐漸改變轉(zhuǎn)子電流指令，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流控制器的軟起動。在轉(zhuǎn)子電流控制器的作用下發(fā)電機將逐步恢復(fù)到正常運行。這緩解了 crowbar

28、60;保護電路的投切操作對系統(tǒng)產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊，在一定程度上縮短了發(fā)電機低電壓穿越的過渡時間。但該文獻僅限于研究對稱故障發(fā)電機不脫網(wǎng)運行，未討論電網(wǎng)故障運行初始條件對不脫網(wǎng)運行效果的影響。3 引入新型拓撲結(jié)構(gòu)     除了上述典型 crowbar 技術(shù)的應(yīng)用外，一些文獻還提出了一些新型低壓旁路系統(tǒng)，如圖 5 、圖 6 所示。圖 5 新型旁路系統(tǒng)圖6a) 并聯(lián)連接網(wǎng)側(cè)變流器3.1 新型旁路系統(tǒng) 11-13    如圖 5 所示，這

29、種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的軟啟動裝置類似，在雙饋感應(yīng)發(fā)電機定子側(cè)與電網(wǎng)間串聯(lián)反并可控硅電路。 在正常運行時，這些可控硅全部導通，在電網(wǎng)電壓跌落與恢復(fù)期間，轉(zhuǎn)子側(cè)可能出現(xiàn)的最大電流隨電壓跌落的幅度的增大而增大，為了承受電網(wǎng)故障電壓大跌落所引起的的轉(zhuǎn)子側(cè)大電流沖擊，轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁變流器選用電流等級較高的大功率igbt 器件，這樣來保證變流器在電網(wǎng)故障時不與轉(zhuǎn)子繞組斷開時的安全。電網(wǎng)電壓跌落再恢復(fù)時，轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流可能會達到電壓跌落前的幾倍。因此，當電網(wǎng)電壓跌落嚴重時，為了避免電壓回升時系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子側(cè)所產(chǎn)生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應(yīng)發(fā)電機通過反并可控硅電路與電網(wǎng)脫網(wǎng)。脫網(wǎng)以后，轉(zhuǎn)子勵磁變

30、流器重新勵磁雙饋感應(yīng)發(fā)電機，電壓一旦回升到允許的范圍之內(nèi)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機便能迅速地與電網(wǎng)達到同步。再通過開通反并可控硅電路使定子與電網(wǎng)連接。這樣可以減小對 igbt 耐壓、耐流的要求。對于短時間內(nèi)能夠接受大電流的 igbt 模塊，可以減少雙饋感應(yīng)發(fā)電機的脫網(wǎng)運行時間。轉(zhuǎn)子側(cè)大功率饋入直流側(cè)會導致直流側(cè)電容電壓的升高，而直流側(cè)的耐壓等級依賴于直流側(cè)電容的大小，因此直流側(cè)設(shè)計 crowbar 電路，在直流側(cè)安裝電阻來作吸收電路，將直流側(cè)電壓限制在允許范圍內(nèi)。    這種方式的不足之處是：該方案需要增加系統(tǒng)的成

31、本和控制的復(fù)雜性?？紤]到定子故障電流中的直流分量，需要可控硅器件能通過門極關(guān)斷，這要求很大的門極負驅(qū)動電流，驅(qū)動電路太復(fù)雜。這里的可控硅串聯(lián)電路如果采用穿透型 igbt 的話， igbt 必須串聯(lián)二極管。而采用非穿透型 igbt 的話，通態(tài)損耗會很大。理論上，如果利用接觸器來代替可控硅開關(guān)的話，雖通態(tài)時無損耗，但斷開動作時間太長。而且由于該方案在輸電系統(tǒng)故障時發(fā)電機脫網(wǎng)運行，因此對電網(wǎng)恢復(fù)正常運行起不到積極的支持作用。3.2 串聯(lián)連接變流器    通常雙饋感應(yīng)發(fā)電機的背靠背式勵磁變流器采用如圖 

32、6a) 所示的與電網(wǎng)并聯(lián)方式 13-16 ，這意味著勵磁變流器能向電網(wǎng)注入或吸收電流。為了提高系統(tǒng)的低電壓穿越能力，文獻 17 提到了一種新的連接方式，即將變流器與電網(wǎng)進行串聯(lián)連接，比如，變流器通過發(fā)電機定子端的串聯(lián)變壓器實現(xiàn)與電網(wǎng)串聯(lián)連接，則雙饋感應(yīng)發(fā)電機定子端的電壓為網(wǎng)側(cè)電壓和變流器輸出的電壓之和。這樣便可以通過控制變流器的電壓來控制定子磁鏈，有效的抑制由于電網(wǎng)電壓跌落所造成的磁鏈振蕩，從而阻止轉(zhuǎn)子側(cè)大電流的產(chǎn)生，減小系統(tǒng)受電網(wǎng)擾動的影響，達到強化電網(wǎng)的目的。但這種方式將增加系統(tǒng)許多成本，控制也比較復(fù)雜。4 采用新的勵磁控制策略&

33、#160;   從制造成本的角度出發(fā)，最佳的辦法是不改變系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，而是通過修改控制策略來達到相同的低電壓穿越效果：在電網(wǎng)故障時，使發(fā)電機能安全度越故障，同時變流器繼續(xù)維持在安全工作狀態(tài)。    文獻 18 利用數(shù)值仿真的方法對電網(wǎng)三相對稱故障時發(fā)電機不脫網(wǎng)運行的勵磁控制進行了研究。研究結(jié)果表明，通過適當提高現(xiàn)有雙饋感應(yīng)發(fā)電機勵磁控制器中 pi 調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)，能夠在一定范圍內(nèi)維持電網(wǎng)故障時發(fā)電機不脫網(wǎng)運行。然而該文獻未對故障時發(fā)電機不脫網(wǎng)運行的范圍進行詳細地研究計算。該文獻提出的方法僅適用于系

34、統(tǒng)對稱三相故障引起發(fā)電機母線電壓輕微下降時保持發(fā)電機不脫網(wǎng)運行，當故障引起發(fā)電機母線電壓嚴重下降時，勵磁變流器將出現(xiàn)過電壓和過電流。文獻 19 則利用硬性負反饋的方式補償發(fā)電機定子電壓和磁鏈變化對有功、無功解耦控制性能的影響，該方案能夠在一定程度上提高雙饋感應(yīng)發(fā)電機在輸電系統(tǒng)故障時的運行特性，并能夠在一定范圍內(nèi)限制發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流，保護轉(zhuǎn)子勵磁變流器。但該方案對轉(zhuǎn)子電流的有效控制是在提高轉(zhuǎn)子電壓的前提下實現(xiàn)的，考慮到轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁變流器輸出最大電壓的限制，該方案僅適用于輸電系統(tǒng)故障引起發(fā)電機電壓輕度驟降的場合，對于引起發(fā)電機定子電壓嚴重驟降的電網(wǎng)故障，該方案會由于轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁變流器

35、無法提供足夠高的勵磁電壓而失去對轉(zhuǎn)子電流的控制。另外，文獻 20 還建議充分利用發(fā)電機電網(wǎng)側(cè)變流器在電網(wǎng)故障過程中對電網(wǎng)電壓的支持作用，通過協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)側(cè)變流器的控制提高電網(wǎng)故障時發(fā)電機不脫網(wǎng)運行的控制效果。 文獻 27-32 提出了一種滅磁保護原理。在理解電網(wǎng)短路故障時發(fā)電機的暫態(tài)物理過程的基礎(chǔ)上，提出了電網(wǎng)短路故障時雙饋感應(yīng)發(fā)電機不脫網(wǎng)運行的勵磁控制策略。為保證故障期間雙饋感應(yīng)發(fā)電機勵磁變頻器安全運行，新的勵磁控制策略針對故障過程中發(fā)電機內(nèi)部電磁變量的暫態(tài)特點，控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁鏈 ( 故障暫態(tài)時該磁通只通過漏

36、磁路徑，是漏磁鏈 ) 以抵消定子磁鏈中的 “ 有害 ” 暫態(tài)直流分量對轉(zhuǎn)子側(cè)的影響。    文獻以仿真和小容量試驗驗證了該控制策略在電網(wǎng)對稱故障下的正確性，并分析了各種因素對控制效果的影響。文獻 32 對基于滅磁保護原理的勵磁策略進行的深入分析表明，故障前初始條件（定子電壓和轉(zhuǎn)差率）對本控制策略的故障效果影響非常大，隨著故障前定子電壓的增加，轉(zhuǎn)子電流可能無法控制在滿足勵磁變流器安全要求的最大暫態(tài)電流峰值之內(nèi)，只有故障前初始條件處于可控運行范圍內(nèi)時，在故障勵磁控制的作用下，發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障

37、電流才能夠控制在 2.0pu 的安全范圍。5 結(jié)束語    本文通過對國內(nèi)外學術(shù)界和工程界在電網(wǎng)故障時雙饋感應(yīng)發(fā)電機的保護原理與控制策略進行研究分析，得出以下幾點結(jié)論，為實際應(yīng)用中具體設(shè)計提供參考。        (1) 電力系統(tǒng)要求雙饋感應(yīng)發(fā)電機能在電網(wǎng)故障時保持不脫網(wǎng)運行，并對電網(wǎng)穩(wěn)定性提供支持。因此在導出發(fā)電機基本電磁關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析電網(wǎng)故障過程中發(fā)電機內(nèi)部電磁變量的暫態(tài)變化過程，研究適應(yīng)小值電網(wǎng)故障情況的新勵磁控制策略，即出現(xiàn)不嚴重的電網(wǎng)故障時，

38、電壓跌落未嚴重到一定程度的情況下，通過一定的勵磁控制方法，實現(xiàn)發(fā)電機和變流器安全度越短時低電壓故障，而不必需要觸發(fā) crowbar 電路來進行發(fā)電機和變流器的保護。        (2) 在大值瞬態(tài)故障下一般需要使用 crowbar 這種短接保護措施來保護發(fā)電機和變流器。因 crowbar 電路觸發(fā)后和電網(wǎng)故障恢復(fù)時，一般轉(zhuǎn)子電壓和電流會瞬態(tài)跳變，然后衰減。利用仿真工具分析比較目前各種 crowbar 電路的優(yōu)劣，從成本，可靠性和可能達

39、到的最佳性能指標，工作極端環(huán)境適應(yīng)性等方面進行比較改進，優(yōu)選出最佳方案，減小電壓跌落情況下觸發(fā) crowbar 電路時轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流跳變幅度。        (3) 電網(wǎng)運行時經(jīng)常出現(xiàn)的是不對稱故障情況，當電網(wǎng)出現(xiàn)不對稱故障時，會使過壓、過流的現(xiàn)象更加嚴重，因為在定子電壓中含有負序分量，而負序分量可以產(chǎn)生很高的滑差。然而目前嚴重故障下進行的研究大都是針對電網(wǎng)對稱故障的情況，無法滿足實際電網(wǎng)故障情況要求，不能實現(xiàn)工程實際應(yīng)用。因此，考慮電網(wǎng)不對稱故障下，發(fā)電機的控制模型和算法有待于進一步改進研究。變

40、頻器在風力發(fā)電行業(yè)中的應(yīng)用 目前，世界上大中型風力發(fā)電機組主要有兩種型式:一類是定槳距失速調(diào)節(jié)型，屬于恒速機型，一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機作為發(fā)電機，通過定槳距失速控制的風輪機使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值，繼而使風電機組并網(wǎng)后定子磁場旋轉(zhuǎn)頻率等于電網(wǎng)頻率，轉(zhuǎn)子、葉輪的變化范圍小，捕獲風能的效率低;另一類是變速變距型，一般采用雙饋電機或者永磁同步電機，通過調(diào)速器和變槳距控制相結(jié)合的方法使葉輪轉(zhuǎn)速可以跟隨風速的變化在很寬的范圍內(nèi)變化，保持最佳葉尖速比運行，從而使cp(風能利用系數(shù))在很大的風速變化范圍內(nèi)均能保持最大值，能量捕獲效率最大。發(fā)電機發(fā)出的電能通過變流器調(diào)節(jié)，變成與電網(wǎng)

41、同頻、同相、同幅的電能輸送到電網(wǎng)。相比之下，變速型風力發(fā)電機具有不可比擬的優(yōu)勢。目前流行的變速變槳風力發(fā)電機組的動力驅(qū)動系統(tǒng)主要兩種方案:一種是升速齒輪箱繞線式異步電動機 雙饋電力電子變換器;另一種是無齒輪箱的直接驅(qū)動低速永磁發(fā)電機全功率變頻器。兩個方案各有優(yōu)缺點:前者采用高速電機，體積小重量輕，雙饋變流器的容量僅與電機的轉(zhuǎn)差容量相關(guān)，效率高、價格低廉，缺點是升速齒輪箱價格貴，噪音大、易疲勞損壞;后者無齒輪箱，可靠性高，但采用低速永磁電機，體積大，造價高，變頻器需要全功率，成本提高。除了上述兩個方案外，還引入了兩個折中方案，一個是低速集成齒輪箱的永磁同步電機全功率變頻器;一個是高速齒輪箱的永磁

42、同步電機全功率變頻器。根據(jù)美國國家可再生能源實驗室報告的量化比較數(shù)據(jù)分析，這兩種折中方案也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理2.1 葉輪能量最大捕獲原理風力機通過葉輪來捕獲流動的風能，風的能量轉(zhuǎn)化為葉輪旋轉(zhuǎn)的動能，齒輪箱再把這種機械能傳輸?shù)桨l(fā)電機，由發(fā)電機通過內(nèi)部的電磁關(guān)系將機械能變?yōu)殡娔茌敵觥?#160;圖1為在不同風速下，葉輪轉(zhuǎn)速與風力機輸出功率的關(guān)系圖。由圖1可知，對應(yīng)于每個風速的曲線，都有一個最大輸出功率點，風速越高，輸出功率越高，相應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)速也越高。因此，如果能隨風速變化改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速，使得風力機在所有風速下都工作于最大功率輸出點，則發(fā)出電能最多，否則發(fā)電效能將降

43、低。圖1不同風速下，發(fā)電及轉(zhuǎn)速與輸出功率曲線圖雙饋發(fā)電機的最大風能捕獲控制就是通過預(yù)先制定的風速對應(yīng)的最大功率曲線，控制風力機轉(zhuǎn)速，使其跟隨風速的變化而相應(yīng)變化，保證風力機的葉尖速比恒定，達到最大功率輸出。假設(shè)在風速v2下，系統(tǒng)最初工作p1 點，如果風速階躍變化到v3，風力機轉(zhuǎn)速由于慣性保持不變，此時風力機輸出機械功率達到p2點，大于雙饋發(fā)電機的發(fā)電功率，此時，風力機輸入力矩大于雙饋發(fā)電機的輸出力矩，風力機轉(zhuǎn)速增加，沿對應(yīng)于風速v3的曲線向p3移動，當達到該點后，雙饋發(fā)電機根據(jù)最大功率曲線給出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩給定值，并與風力機輸入力矩相平衡，此時系統(tǒng)便穩(wěn)定工作于p3點，輸出對應(yīng)于v3風速下的最大功率

44、p3。2.2 雙饋發(fā)電機的變速恒頻控制原理根據(jù)感應(yīng)電機定轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對靜止的原理，可以得出變速恒頻風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速與定轉(zhuǎn)子繞組電流頻率關(guān)系的數(shù)學表達式(1) (1)式中，f1為定子電流頻率，由于定子與電網(wǎng)相連，所以f1與電網(wǎng)頻率相同;p為電機的極對數(shù);n為風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;f2為轉(zhuǎn)子電流頻率。當風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，通過轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速裝置調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率f2，保證f1恒定不變，實現(xiàn)風力發(fā)電機的變速恒頻控制。當風力發(fā)電機處于亞同步速運行時，即n < n1(同步轉(zhuǎn)速)，f2取正號，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器從電網(wǎng)吸取功率pr(轉(zhuǎn)子功率)，為發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供頻率為f2的正向勵磁

45、電流，保證定子繞組產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同幅的電壓矢量，從而將風力機捕獲的機械能pmec轉(zhuǎn)化為電能，此時定子輸出的功率為ps=pmecpr。當風力發(fā)電機處于超同步速運行時，即n>n1(同步轉(zhuǎn)速)，f2取負號，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器將吸收的機械能反饋回電網(wǎng)pr，為發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供頻率為f2的負向勵磁電流，保證定子繞組產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同幅的電壓矢量，同時將風力機捕獲的機械能pmec轉(zhuǎn)化為電能，此時定子輸出的電能為ps=pmecpr。3abb風力發(fā)電變頻器abb傳動公司目前主要有兩類產(chǎn)品應(yīng)用于風力發(fā)電系統(tǒng)，一類是應(yīng)用于雙饋發(fā)電機系統(tǒng)的變頻產(chǎn)品acs80067，一類是應(yīng)用于永磁同步電機且無齒輪箱(直驅(qū)系統(tǒng))的變頻產(chǎn)品

46、acs80077，這里主要介紹變頻產(chǎn)品acs80067。3.1 控制原理acs80067風力發(fā)電變頻器主要和帶有轉(zhuǎn)子繞組和滑環(huán)的感應(yīng)式發(fā)電機一起使用，連接于雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)之間，電路圖如圖2所示。圖2acs80067風力發(fā)電變頻器電路圖變頻器工作原理與上節(jié)所述一致，當風速變化時，acs80067通過內(nèi)部控制快速增加或降低轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，保證發(fā)電機獲得最優(yōu)滑差，達到獲得最大發(fā)電量的目的。該傳動單元也可以完成在將定子輸出接入電網(wǎng)之前使定子輸出電壓和電網(wǎng)電壓同步的目的。在脫離電網(wǎng)時，傳動單元通過將轉(zhuǎn)矩給定調(diào)整為零，使定子電流減少至零，以便將發(fā)電機從電網(wǎng)脫離。網(wǎng)側(cè)變流器是一個基于igbt模塊的

47、變流器，將輸入的三相交流電整流為所需的直流電，為轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器供電。網(wǎng)側(cè)變流器控制對象為直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)無功功率，通過檢測網(wǎng)側(cè)兩相電流和直流母線電壓，采用直接轉(zhuǎn)矩的控制方法，實現(xiàn)直流母線電壓泵升且恒定以及網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控(一般設(shè)置為1)的目的。同時也可以實現(xiàn)功率的雙向流動以及降低網(wǎng)側(cè)電流諧波含量的目的。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器包含一個或兩個基于igbt的逆變器模塊，將直流電逆變?yōu)楫a(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場所需頻率和幅值的三相交流電，向轉(zhuǎn)子繞組供電。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制對象為轉(zhuǎn)矩和無功功率，通過對轉(zhuǎn)矩的控制實現(xiàn)對發(fā)電機發(fā)電有功功率的控制，通過對無功功率的控制完成對發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場的建立，實現(xiàn)對發(fā)電機無功功率的控制。圖3雙饋感應(yīng)

48、發(fā)電機直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖3是abb公司雙饋感應(yīng)式發(fā)電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)原理圖。圖3中，s、0、g表示定子磁通、轉(zhuǎn)子磁通和電網(wǎng)磁通;t*、t表示轉(zhuǎn)矩給定值和估計值;r_ref、pf*表示轉(zhuǎn)子磁通給定值和功率因數(shù)給定值;m為轉(zhuǎn)子的機械角度;is、ir為定子和轉(zhuǎn)子電流;電機參數(shù):rr為轉(zhuǎn)子電阻，ls為定子感抗，lr為轉(zhuǎn)子感抗，m為互感，為漏抗。dtc控制系統(tǒng)有兩種運行模式:發(fā)電模式: s1、s2閉合，控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩和無功功率或功率因數(shù);同步模式: s1閉合、s2斷開，控制發(fā)電機同步并網(wǎng)，此時轉(zhuǎn)矩給定t*=0。兩種模式間的切換，無明顯的電壓和電流沖擊。轉(zhuǎn)矩給定由最優(yōu)發(fā)電量決定，而發(fā)電量由風速v與發(fā)電

49、功率p的曲線p=f(v)決定。無功功率(或功率因數(shù))給定由電網(wǎng)所需的實際值決定，一般可設(shè)為0kvar(或1)。轉(zhuǎn)矩反饋由兩部分組成。在同步模式運行時(s2斷開時，is=0且t*=0)，轉(zhuǎn)矩反饋表示電網(wǎng)磁通矢量g和定子磁通矢量s的角度差，由此控制定子磁通矢量s的運動，使其與電網(wǎng)磁通矢量g同步運動;發(fā)電模式運行時，電網(wǎng)磁通矢量g和定子磁通矢量s已經(jīng)同步，=0或s=g。轉(zhuǎn)矩計算如式(2)所示。 （2）在同步模式運行時，定子磁通估計值(轉(zhuǎn)子坐標轉(zhuǎn)換到定子坐標后)由等式(3)得到。 （2）發(fā)電模式運行時，轉(zhuǎn)子磁通矢量 r的計算先是測量出定子磁通矢量s，由式(4)得到定子坐標下的轉(zhuǎn)子磁

50、通矢量r。將其幅值作為控制器的反饋量。將其轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子坐標下rejm，確定r所在的扇區(qū)。轉(zhuǎn)子的機械角度m可以通過角度編碼器測量得到。 (4)3.2 變頻器選型如前所述，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的變頻器由于接在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)，所以變頻器容量可小于發(fā)電機的容量，僅為發(fā)電機的轉(zhuǎn)差功率，因此，變頻器容量的選擇與風力發(fā)電機的調(diào)速范圍密切相關(guān)。一般風力發(fā)電機的調(diào)速范圍為額定轉(zhuǎn)速的70130，轉(zhuǎn)差率為±30，所以變頻器的額定容量可選為發(fā)電機額定容量的13。表附表為acs80067的選型表。假設(shè)發(fā)電機額定電壓為690v，額定功率為2mw，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，調(diào)速范圍為±30，即發(fā)

51、電機轉(zhuǎn)速工作范圍為1000r/min2000r/min，因此，變頻器的功率可選為2mw×300.6mw，根據(jù)選型表可得:轉(zhuǎn)子側(cè)變流器型號為acs80010407707;而整流側(cè)變流器由于控制的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1，只流過有功電流，故容量相對較小，型號為acs80010405807。3.3 技術(shù)特點acs80067還具有以下技術(shù)特點:(1)長壽命設(shè)計變頻器內(nèi)部器件選型和系統(tǒng)配置均按照20年使用年限設(shè)計，特別是直流母線電容采用膠片電容替代原有的電解電容，壽命更長、耐低溫特性良好。冷卻風扇具有調(diào)速功能，可延長其使用壽命。(2)適用于惡劣的使用環(huán)境變頻柜內(nèi)和模塊內(nèi)部均內(nèi)置加熱器，且配置有溫度和濕

52、度傳感器，對抗低溫和高濕環(huán)境。所有線路板均帶有防腐涂層，柜體防護等級為ip54，保證了變頻器惡劣環(huán)境下的可靠工作。(3)高端配置、緊湊型設(shè)計變頻器將輸入lcl濾波器、輸出濾波器du/dt以及進線接觸器和直流熔斷器作為標準配置，通訊適配器和以太網(wǎng)適配器作為選裝配置。緊湊型的設(shè)計理念使得其在同等功率的變頻器中體積最小，適用于放在發(fā)電機艙內(nèi)。(4)低電壓穿越能力在電網(wǎng)發(fā)生嚴重故障期間，比如短路或瞬間掉電，可通過使用有源或無源crowbar硬件，提供對電網(wǎng)的支持，保證電機依然在網(wǎng)。(5)優(yōu)良的可控性由于整流單元采用igbt可控整流，直流母線電壓得到泵升，因此電機轉(zhuǎn)子的電壓可控制高達750v，風機的速度

53、范圍更寬，轉(zhuǎn)子的電流更低。發(fā)電機的功率因數(shù)可達到+/-0.9，甚至更高，這完全取決于電機設(shè)計，變頻器對此不成為瓶頸。在轉(zhuǎn)子電壓接近于0v時，變頻器也完全可控可以在速度范圍內(nèi)的任何一點切入切出。即使在風機靜止時，也可以通過整流單元發(fā)出無功功率對電網(wǎng)提供支持。(6)完善的保護功能具有多重保護功能，例如過流、接地、風機超速和失速等保護功能，提供對電機轉(zhuǎn)子和變頻器的完整保護。4應(yīng)用案例上海南洋電機廠采用acs80067變頻器構(gòu)建雙饋風力發(fā)電機的實驗平臺，風力機采用直流電動機模擬，即雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子靠直流電動機拖動。系統(tǒng)連接示意圖如圖4所示。技術(shù)數(shù)據(jù)如下所示:圖4試驗臺系統(tǒng)連接圖發(fā)電機:定子額定電壓690

54、v;定子額定電流1500a;額定頻率50hz;額定功率1345kw;額定轉(zhuǎn)速1513r/min;同步轉(zhuǎn)速1500r/min;功率因數(shù)0.9;轉(zhuǎn)子開路電壓1990v;轉(zhuǎn)子電流550a;變頻器型號:acs80067048007707;調(diào)速范圍±30。4.1 同步運行雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)投入電網(wǎng)前首先要進行同步運行，即使發(fā)電機的定子電壓在幅值、頻率和相位上與電網(wǎng)電壓達到一致。典型的同步運行步驟如下:(1) 將發(fā)電機轉(zhuǎn)子拖動到設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，即同步轉(zhuǎn)速的70130，啟動變頻器;(2) 開關(guān)s1閉合，網(wǎng)側(cè)變流器啟動為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器建立直流電壓。開關(guān)s2仍然斷開;(3) 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器測量電網(wǎng)電壓

55、ugrid(開關(guān)s2的輸入側(cè))和定子電壓us;(4) 轉(zhuǎn)子側(cè)此時工作于同步模式，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器通過磁化轉(zhuǎn)子繞組，感應(yīng)出與電網(wǎng)電壓同步的定子電壓;(5) 當定子電壓與電網(wǎng)電壓同步后，開關(guān)s2閉合，同步運行過程完成。此后變頻器切換到轉(zhuǎn)矩控制模式，接受給定的轉(zhuǎn)矩和無功功率指令，準備開始發(fā)電。圖5為采用abb專用軟件drivewindow記錄的同步運行曲線圖。圖5(a)為發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速被直流電動機拖動到1300r/min(如曲線1所示)后，變頻器投入運行。開關(guān)s1閉合后，網(wǎng)側(cè)變流器啟動建立直流母線電壓(如曲線2所示)，當直流母線電壓建立完成并穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器投入運行，為轉(zhuǎn)子繞組提供三相勵磁電流，產(chǎn)生

56、旋轉(zhuǎn)的磁場，并在定子繞組上感生電壓(如曲線4所示)，當定子繞組上的感應(yīng)電壓與電網(wǎng)電壓(如曲線3所示)在幅值、頻率和相位完全一致后，同步過程完成，可以隨時閉合開關(guān)s2，將發(fā)電機并入電網(wǎng)。曲線5和6分別為同步過程中的定轉(zhuǎn)子電流。(a)同步運行各變量(有效值)變化曲線(b)定子和電網(wǎng)u相(瞬時值)電壓曲線圖5 定子電壓和電網(wǎng)電壓同步運行曲線圖圖5(b)所示為電網(wǎng)u相電壓與定子u相電壓在同步過程中的變化曲線。由圖可知，當變頻器投入運行后，定子u相電壓迅速建立，并與電網(wǎng)u相電壓在相位、幅值上完全一致，達到同步的要求。4.2 發(fā)電運行圖6為發(fā)電機處于超同步運行(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1513r/min)，給定轉(zhuǎn)矩為額

57、定轉(zhuǎn)的85，無功功率給定為零時，電網(wǎng)線電壓、相電流的波形圖。理論分析可知，當發(fā)電機處于超同步運行狀態(tài)，發(fā)電機的定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)應(yīng)同時向電網(wǎng)輸出電能，網(wǎng)側(cè)相電流為定子與轉(zhuǎn)子的電流之和。通常網(wǎng)側(cè)變流器的無功功率給定設(shè)置為零，所以定子與轉(zhuǎn)子電流的相位相同，都與電網(wǎng)電壓反相。實際上，由圖6可知，電網(wǎng)相電壓與定子電流相位相差180°，完全反相，發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)，向電網(wǎng)輸出電能，功率因數(shù)為1。圖6網(wǎng)側(cè)線電壓與電流波形圖5結(jié)束語綜上所述，風力發(fā)電作為21世紀全球最有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉粗唬貙⑹艿皆絹碓蕉嗟闹匾?。由abb研制和生產(chǎn)的風力發(fā)電變頻產(chǎn)品acs8006777代表了當今風電的兩大主流方向，已

58、經(jīng)成功應(yīng)用于世界各地，對于推對該項技術(shù)的全球發(fā)展起到了積極的推動作用Crowbar電路在雙饋風力發(fā)電機中的作用及控制原理    由于 DFIG（雙饋感應(yīng)電機） 定子直接掛網(wǎng)，電網(wǎng)波動將直接引起定子電流的變化。       當電網(wǎng)電壓驟降時，DFIG 發(fā)出的功率不能及時送出，導致定子側(cè)產(chǎn)生很大的故障電流。由于定、轉(zhuǎn)子之間的強耦合，故障電流立即被傳遞到轉(zhuǎn)子側(cè)；又因為電壓驟降導致電磁轉(zhuǎn)矩變小，運行滑差增大，使饋入轉(zhuǎn)子的功率增加，進一步引起轉(zhuǎn)子回路的過壓和過流。而且，大電流會導致電機鐵心飽和、電抗減小，

59、實際轉(zhuǎn)子電流還要進一步增大。 轉(zhuǎn)子能量流經(jīng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(RSC)之后， 一部分被電網(wǎng)側(cè)變換器 (GSC) 傳遞電網(wǎng) ， 其余的為直流母線電容充電 ，導致母線電壓快速升高 。      如果不能及時采取保護措 施 ， 定、轉(zhuǎn)子繞組僅靠其自身電阻和漏抗不足以抑制浪涌電流（浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設(shè)備的峰值電流。 ），過大的電流和電壓將導致勵磁變頻器、定轉(zhuǎn)子繞組以及母線電容損壞。   

60、  在電網(wǎng)電壓驟降時，一種常用的辦法是采用電阻短接轉(zhuǎn)子繞組來旁路RSC，為轉(zhuǎn)子側(cè)的浪涌電流提供一條通路，即Crowbar 電路 。按照所用開關(guān)元件的不同，Crowbar 分為主動式和被動式2 種，其中被動式Crowbar 采用晶閘管，主動式Crowbar 采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等可關(guān)斷元件，主要區(qū)別在于能否強制關(guān)斷。變速恒頻DFIG 風力發(fā)電系統(tǒng)原理圖，其中 直流 Crowbar 利用電阻作為吸收電路， 防止直流母線電壓過高（整流濾波后的母線電壓），起到保護設(shè)備作用 進氣壓力傳感器：反映進氣歧管內(nèi)的絕對壓力大小的變化，是向E

61、CU（發(fā)動機電控單元）提供計算噴油持續(xù)時間的基準信號,一般固定在發(fā)動機的右上部,個個車型可能都不一樣. 空氣流量傳感器：測量發(fā)動機吸入的空氣量，提供給ECU作為噴油時間的基準信號, 節(jié)氣門位置傳感器：測量節(jié)氣門打開的角度，提供給ECU作為斷油、控制燃油/空氣比、點火提前角修正的基準信號,在節(jié)氣門閥體上,節(jié)氣門裝在進氣歧管上. 曲軸角度傳感器：檢測曲軸及發(fā)動機轉(zhuǎn)速，提供給ECU作為確定點火正時及工作順序的基準信號,裝在曲軸皮帶輪上面. 氧傳感器：檢測排氣中的氧濃度，提供給ECU作為控制燃油/空氣比在最佳值（理論值）附近的的基準信號,裝在消聲器的三元催化上面

62、. 進氣溫度傳感器：檢測進氣溫度，提供給ECU作為計算空氣密度的依據(jù),裝在空氣濾芯到節(jié)器門的一根管子上. 水溫傳感器：檢測冷卻液的溫度，向ECU提供發(fā)動機溫度信息,裝在缸蓋上. 爆燃傳感器：安裝在缸體上專門檢測發(fā)動機的爆燃狀況，提供給ECU根據(jù)信號調(diào)整點火提前角,裝在發(fā)動機的有上角上 怠速馬達:管發(fā)動機的怠速的,裝在節(jié)氣門閥體上. 噴油嘴:管噴射出可燃混合氣體的,可燃混合氣體是汽油和空氣混合的產(chǎn)物,可燃混合氣體是噴在氣缸體的,裝在進氣歧管上的. ECU:是電子控制單元(電腦板)就是以上傳感器提供一個信息,然后給出一個正確的信息,裝在發(fā)

63、動機向后的一塊鐵板上. 電控系統(tǒng)-氧傳感器 1973年開始制定了汽車排放法規(guī)，到了1978年排放法規(guī)更為嚴格。為了與新的排放法規(guī)相適應(yīng)，在汽車上采用了三元催化劑排氣凈化裝置。為充分發(fā)揮三元催化劑的凈化特性，需要把空燃比控制在理論空燃比（=1）附近的狹窄范圍內(nèi)，如圖1-80所示。發(fā)動機廢氣中的氧含量直接反映發(fā)動機空燃比，因此檢測發(fā)動機廢氣中的氧含量是控制混合氣空燃比的有效手段。廢氣中的氧氣超過一定限度說明混合氣偏稀，而廢氣中完全沒有氧氣側(cè)說明混合氣偏濃，偏濃混合氣將會造成排氣污染。  圖1-80  三元催化劑凈化率特性曲線氧傳感器的作用是指示發(fā)動

64、機中混合氣的燃燒是否完全，測定廢氣中的氧含量，然后將檢測的結(jié)果及時反饋給發(fā)動機的控制系統(tǒng)，以便使發(fā)動機控制系統(tǒng)不論發(fā)動機機械狀態(tài)如何，都能有效地對燃料系統(tǒng)進行調(diào)控，把混合氣的空燃比控制在理論空燃比附近很窄的范圍內(nèi)，使裝有三元催化轉(zhuǎn)換器的發(fā)動機達到最佳的排氣凈化效果。氧傳感器裝在排氣歧管或前排氣管內(nèi)，如圖1-81所示。圖1-81  氧傳感器的安裝位置1-排氣歧管   2-氧傳感器現(xiàn)在已經(jīng)實用化了的氧傳感器，有氧化鋯（ZrO2）氧傳感器和二氧化鈦（TiO2）氧傳感器兩種。氧化鋯氧傳感器，是利用氧化鋯高溫時其內(nèi)外兩側(cè)氧濃度差，使其產(chǎn)生電動勢的特性來測量廢氣中氧

65、的濃度。二氧化鈦氧傳感器是利用二氧化鈦周圍氧氣分壓的不同而進行氧化或還原反應(yīng)，從而使電阻發(fā)生變化的原理來測量廢氣中氧的濃度。根據(jù)氧傳感器是否需要加熱，可將氧傳感器分為加熱式和不加熱式，二氧化鈦氧傳感器為加熱式，氧化鋯氧傳感器有加熱型的也有不加熱型的。加熱式氧傳感器上一般有3根引線（三線式），其中一根為信號線，另外兩根為加熱線；而不加熱式氧傳感器為單線式，即只有一根信號線。1、氧化鋯（ZrO2）氧傳感器圖1-82所示為氧化鋯氧傳感器的結(jié)構(gòu)，該傳感器由可產(chǎn)生電動勢的多孔二氧化鋯陶瓷管、具有導線作用的套管以及為防止氧化鋯管破損的防護罩與導入排氣的通氣窗等構(gòu)成。在試管狀氧化鋯元素的內(nèi)外兩側(cè)，設(shè)置了白金

66、電極，為了保護白金電極，用陶瓷包覆電極外側(cè)，內(nèi)側(cè)輸入氧濃度高的大氣，外側(cè)輸入氧濃度低的汽車排出氣體。圖1-82  氧化鋯式氧傳感器的結(jié)構(gòu) a）結(jié)構(gòu)圖  b）局部放大圖1-防護置  2-氧化鋯體  3-殼體  4-輸出接頭  5-外套  6-導線  7-電動勢  8-大氣一側(cè)的白金電極  9-固態(tài)電解質(zhì)（氧化鋯元素）10-排氣一側(cè)的白金電極  11-涂層（陶瓷）12-排氣  13-大氣圖1-83a所示氧化鋯式氧傳感器的作用原理，氧化鋯在高溫下具有這樣一種特性

67、，即當內(nèi)外側(cè)的氧濃度差較大時，就會產(chǎn)生電動勢，這種傳感器的工作和干電池的原理相似，氧傳感器的二氧化鋯起到類似電觸液的作用。在高溫時，二氧化鋯能導電，如果此時兩個極板接觸的氣體的含氧量不同，極板之間就會產(chǎn)生一個微量電壓。這是因為氧離子帶兩個自由電子，即有負電荷，而二氧化鋯吸收氧離子，結(jié)果負電荷積聚在靠鉑極一側(cè)的二氧化鋯表面。氧傳感器利用這一性質(zhì)，在氧化鋯管內(nèi)側(cè)導入大氣（氧濃度高），外側(cè)接觸氧濃度低的排氣。因此，隨著排氣中的氧濃度變化，其內(nèi)外側(cè)濃度比也在變化，在氧不足的過濃混合氣側(cè)，其氧濃度比較大，使之產(chǎn)生電動勢。同時，在氧過剩的稀薄混合氣側(cè)，其氧濃度比較小，使之幾乎不產(chǎn)生電動勢。圖1-83  氧化鋯式氧傳感器的作用原理及輸出特性a）氧化鋯式氧傳感器的作用原理