知识贴：双馈发电机的基本概念 、原理和结构

双馈发电机是结合了异步发电机和同步发电机的优点而发展起来的一种新型发电机。具有良好的调速性能、有功和无功功率独立可调、改善电网功率因数、提高系统的稳定性以及相对较小的励磁容量等优点。可广泛应用于风力以及抽水蓄能等新型可再生能源发电系统中。

双馈风力发电机具有如下优点：

1. 双馈风力发电机定子的输出功率是恒频恒压的交流电，可直接并网；转子的转差功率经过变换后也可以与并入电网。

2. 双馈风力发电机仅需对转子功率进行变频控制，而转子功率一般为总功率的20%以内，即需要整流逆变容量非常小，变频损耗小，变频器成本低，控制系统体积小。

3. 双馈风力发电机在变速运转时发出的电高频谐波含量低，风能利用充分；而同步风力发电机发出的电在整流逆变过程中会产生高频谐波电流流入电网，使电网的品质变坏，而风能利用相对要差一些。

4. 双馈风力发电机的转速受转子上所接变频器控制，在风速较高时不会造成发电机飞车，因此该类发电机的可靠性较高；而同步风力发电机的转速受外界风速决定，当风速较高时会造成发电机飞车，因此该类发电机的可靠性较差。

另一方面，双馈风力发电机也具有如下缺点：

1. 转子需要采用双向变频器，变速恒频控制回路多，控制技术复杂，成本昂贵。

2. 转子绕组接双向变频器，控制系统采用SPWM或IGBT，变速运行范围只能控制在同步转速的±35%以内。

3. 发电机需要安装滑环系统，必须定期维护、检修和更换。

4. 控制回路会在转轴上感应产生一定程度的轴向电压，必须对轴承部份进行绝缘处理或采用绝缘轴承，而如陶瓷滚子轴承等绝缘轴承成本昂贵。

三相双馈风力发电机从电机结构上与三相绕线式异步电动机相似，发电机主要运行在较大转差的三相交流励磁发电机状态下，其励磁方式主要是跟踪发电机转速变换情况，在电力电子器件的控制下，随着变换交流励磁电流的频率进行交流励磁，保证发电机定子产生的电能在频率上与工频50Hz一致，电能电压可以在一定的范围内可控可调，从而调节双馈发电机的运行工况，并入电网向电网输送符合质量标准的交流电能。转子的转差功率则通过电力电子器件的变换成为工频50Hz电能向电网输送。双馈风力发电机系统原理图如图1所示。

图1 双馈风力发电系统原理图

双馈风力发电机的基本结构如图2所示：

图2 双馈风力发电机基本结构图

如图2所示，发电机主要由定子、转子、滑环、接线盒、编码器、润滑系统等组成，具体结构如下：

1．发电机为箱式结构，卧式安装。主体采用空-水冷却形式，内部空冷，外部水冷。

2. 定子机座为箱式结构，采用钢板焊接而成。定子铁心采用内压装结构，直接将片叠入机座，然后将定子压圈与机座辐板焊牢。

3. 定子采用开口槽，定子线圈采用成形线圈，双层叠绕，F级绝缘。定子铁心和线圈进行2次VPI真空压力整体浸漆。

4. 转子采用闭口平底槽，转子线圈采用优质铜母排，双层波绕，H级绝缘。因发电机堵转电压为1924V，并且考虑到转子外接变频器，且为旋转部件，因此转子对地绝缘按3000V级考虑。转子铁心与转子绕组同样采用VPI真空压力整体浸漆。

5. 转轴采用“光轴”结构，即转子片直接套在转轴上。轴采用耐低温合金锻钢，以便于满足风力发电机能在-50℃～+50℃范围内正常运行。

6．因飞逸转速最高为2650r/min，因此转子引出铜条及电缆的固定是一道难题，引出铜条的固定在上下左右都要定位，防止其位移。电缆采用平衡环固定，另外每根电缆至少再用两个线夹固定，避免电机运行时电缆有移位或甩动的现象。无纬带的厚度也相应增强，转子线圈端部加钢带箍2圈。

7．设计要求轴承理论寿命为150,000小时，经计算并保留余量的情况下，选取两端均为FAG深沟球轴承；同时，为防止转子调频时引起的轴电流，前后轴承均采用陶瓷滚子轴承，且转轴接地。

8. 发电机安装有自动加脂设备和手动加脂接口，可实现在一定周期内自动加注油脂，有效减少维护工作。尾端安装有光电编码器，用于监控发电机运行过程中的机械转速和旋转方向。

9. 发电机机座下部两侧设计有防潮加热器，以便停机时防潮使用。定子绕组每相3只，共9只Pt100测温元件，轴承每端2只，共4只Pt100测温元件，以便监控发电机运行时的绕组和轴承温度。且定子每相设计有1只高压温度开关，以便于绕组温度过高时可以自动切断。所有元件均引至专门的辅助接线盒内，并有相应标记。

10. 定、转子接线盒内各安装3根铜母线，发电机定子采用母排引出至定子接线盒内，转子采用电缆引出至转子接线盒内。且定、转子接线盒内均安装有避雷器，以避免因雷击产生的电涌对发电机造成损坏。

9．计算满载定子绕组温升76K，转子绕组温升88K。

风力发电机一般安装在户外，在结构设计过程中，充分考虑发电机运行环境的极端恶劣。冰冻不至于影响设备运行，腐蚀盐雾等对发电机结构不会产生危害。同时还对结构部件进行了大量的静、动态计算，疲劳强度校核，冲击、波动载荷计算，使发电机整体结构安全可靠。

（编自《电气技术》，原文标题为“2MW双馈发电机的研制和开发”，作者为吴世展。）

双馈异步发电机

一、 风力发电机的主要类型

二、双馈发电机的工作原理

双馈发电机的定子绕组接工频电网，转子绕组由具有可调节频率、相位、幅值和相序的三相电源励磁，采用双向可逆专用变频器。双馈发电机可以在不同的风速下运行，其转速可以随风速的变化做相应调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，提高了风能的利用率。同时，通过控制馈入转子绕组的电流参数，不仅可以保持定子输出的电压和频率不变，还可以调节输入到电网的功率因数，提高系统的稳定性。

变速恒频双馈发电机运行时电机转速与定、转子绕组电压频率关系的数学表达式：

f1=（p/120）×nr±f2

式中： f1为定子电压频率；

p为电机的极数；

nr为双馈发电机的转速；

f2为转子励磁电压频率。

由上式可知，当转速nr发生变化 时，若调节f2变化，可使f1保持恒定不变，实现双馈发电机的变速恒频控制。

a、亚同步发电运行

nr ＜n1时 ，

（即 0＜S＜1）

f2取正号，如果忽 略各种损耗，则发电机的能量关系为：

P电磁=P机械+P转差

P上网=P电磁

（定子馈电，转子由变 频器提供励磁）

b、超同步发电运行

nr ＞ n1时，

（即 S＞1）

f2取负号，如果忽略各种损耗，则发电机的能量关系为：

P机械=P转差+P电磁

P上网=P转差+P电磁

（定子馈电+转子馈电）

注：n1为发电机的同步转速。

当双馈发电机输出的有功功率和转速保持恒定时，调节转子励磁电流可以调节无功功率，控制功率因数。

当处于“欠励状态”时，定子电流Is超前于电网电压Us，定子电流中有超前的无功分量，发电机的输出中，有超前的无功功率；当从某一欠励磁状态开始增加转子励磁电流时，发电机输出的超前无功功率开始减少，从而定子电流中超前的无功分量也开始减少；达到正常励磁时，无功功率变为零，定子侧电流中的无功分量也变为零，此时cosφ=1；如果此后继续增加转子励磁电流，将进入“过励状态”，定子电流Is滞后于电网电压Us，定子电流中有滞后的无功分量，发电机将输出滞后性的无功功率，随着转子励磁电流的增加，定子电流中滞后的无功分量也增加。

因此，欠励磁时功率因数超前（容性），过励磁时功率因数滞后（感性）。双馈发电机具有与同步发电机相似的无功功率调节特性曲线（即“V”形曲线） 。

三、双馈发电机的特点

1、由于定子直接与电网连接，转子采用变频器供电，因此，系统中的变频器容量仅取决于发电机运行时的最大转差功率，一般发电机的最大转差率为25%~35%，因而变频器的最大容量仅为发电机额定容量的1/4~1/3。这样，系统的总体配置费用就比较低。

2、具有变速恒频的特性。

3、可以实现有功功率和无功功率的调节。

四、双馈发机考核的关键点

1、工作特性

a、空载特性测定

b、负载特性测定（包括转子绕组短路状态下异步发电机的固有特性和转子绕组由双向逆变器供电状态下的调节特性）

c、效率计算和特性曲线绘制

2、温升考核

a、cosΦ=1

b、cosΦ=±0.95

3、一般电机试验项目

绝缘介电性能、噪声、振动、超速、转动惯量等

4、其它

a、输出电能质量

由于电网本身质量的影响因素和发电机转子绕组所接双向逆变器非正弦电源的影响因素不易排除，因此，对双馈发电机输出电能的质量很难有个准确合理的界定，此项性能的考核方法还有待商榷。

b、短路电抗测定

在这里，“短路”的概念指的是发电机的突然三相短路，“电抗”的概念指的是发电机在突然三相短路的瞬变状态下的超瞬变电抗。这以往是在同步发电机中需要考虑的一种过渡过程，由于在这一过程中，电流、转矩的变化较大，需要考虑与发电机相连的电器与机械系统的承受能力，而双馈发电机的工作原理与同步发电机有一定的相似性，因此，对双馈发电机进行短路电抗测定也开始被提及。鉴于目前国际上对此还没有一个具体的测定方法，所以，我们至今也没有看到一个具体测定的实例。如果参照同步发电机测定短路电抗的方法，在试验条件和操作性方面，还有一些具体问题需要解决。

因此，以上两项，目前只能作为研究项目，尚不能进行正式的考核。

五、双馈异步发电机YRSFK500L1-4概况

1、发电机型号的含义

2、结构数据

安装方式：IMB3

发电机安装倾斜角：5°

发电机本体防护等级：IP54

发电机集电环外壳防护等级：IP23

冷却方式：IC616（带空/空冷却器）

平衡等级：G2.5

绝缘等级：F

转动惯量：45kgm2

最大工作转速：2050r/min

最大转速：2400r/min

环境运行温度：－30℃~＋40℃

环境生存温度：－40℃~＋50℃

电机总重量：5.8t

3、总体结构概况

4、主要零部件

定子

转子

前端盖

前端盖

前端盖

后端盖

后端盖

定、转子接线盒

定、转子接线盒

空/空冷却器

空/空冷却器

5、电磁数据

发电机类型：交流异步双馈发电机

极数：4

额定输出功率：1550kW

额定定子输出功率：1325kW

额定转子输出功率：225kW

定子额定电压：690V

转子开路电压：1955V

额定转速：1755r/min

工作转速范围：975~1970r/min

功率因数：＋0.95~－0.95

效率：97%

定子接法：△

转子接法：Y

6、特点

1、额定容量大，转动惯量小。为了控制发热，定转子冲片选用低损耗优质冷轧硅钢片。

2、发电机工作时，转子采用变频器供电。而变频器在使用IGBT作为功率元件后，电机的转子线圈将承受来自变频器的过电压冲击。因此对电机转子的绝缘结构，我们做了以下针对性的设计：

转子的工作电压范围在0～700V，我们在转子线圈绝缘结构设计时，将转子线圈的电压提高至2000V作为转子线圈绝缘电压设计基值。

先进的绝缘结构。采用多层亚胺薄膜补强的优质云母带作为线圈的主绝缘，提高耐电性能，同时辅以低电阻防晕网状纸，减少尖端放电的可能性，两者结合保证了转子绝缘的可靠性。

工艺上，转子线圈采用成型线圈。同时转子槽形经特殊设计，线圈可以轻松放入槽内，最大限度保证转子线圈绝缘层不受到损坏。

VPI（真空压力）浸漆+旋转烘焙。提高挂漆量的同时，提高转子的平衡精度。

3、由于风力发电机使用场合的特殊性，设计使用寿命要求≥20年。因此在结构设计时，着重考虑以下几个方面：

耐低温。主体结构的材料采用耐低温的材料。

整体结构耐振性能。箱式+框架式结构的机座，一方面保证了发电机整体的刚性，另一方面适应实际运行时被固定在四个弹性支撑件上。

杜绝轴电流的产生。一是发电机的轴承套采用绝缘轴承套的结构。二是在轴的两端再安装接地碳刷，进行二次保护。

4、实时监控系统及雷电保护装置（选配）。

定子每相线圈安装2个PT1OO。

前后轴承各装有2个PT1OO。

主电刷和接地碳刷均具有碳刷磨损监控装置。

定、转子雷电保护装置。

7、发电机的使用维护

运输、存储

安装、调试

维护、保养

润滑脂的补充

电刷维护

滑环维护

热敏元件检测数据的分析判断

风机的正常使用

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