双馈风力发电机的工作原理

双馈风力发电机（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）是目前风力发电系统中广泛应用的一种发电机类型，其特点是通过转子侧变流器实现部分功率的变频控制，从而适应风速变化并高效并网发电。以下是其工作原理的详细说明：

1. 基本结构

双馈发电机的主要组成部分包括：

• 定子：直接与电网连接，输出功率。

• 转子：通过背靠背变流器（由转子侧变流器和电网侧变流器组成）与电网连接，实现双向能量流动。

• 变速齿轮箱（可选）：连接风机叶片与发电机，调节转速（部分直驱系统省略齿轮箱）。

2. 工作原理

(1) 变速运行与功率控制

• 转速适应：
  当风速变化时，风机叶轮转速随之变化，转子转速（ωrωr）与同步转速（ωsωs）产生滑差（s=ωs?ωrωss=ωsωs?ωr）。

  • 亚同步速（ωr<ωsωr<ωs）：转子从电网吸收功率，变流器向转子注入能量。

  • 超同步速（ωr>ωsωr>ωs）：转子向电网输出功率，变流器从转子提取能量。

• 功率流动：

  • 定子输出大部分功率（约70%-80%），直接馈入电网。

  • 转子通过变流器处理滑差功率（约20%-30%），实现高效能量利用。

(2) 励磁与变频控制

• 转子侧变流器通过调节转子电流的频率（fr=s?fsfr=s?fs）和相位，控制发电机磁场，使定子输出频率始终与电网同步（如50Hz/60Hz），实现“变速恒频”运行。

(3) 无功功率调节

• 通过控制转子电流的幅值和相位，可独立调节无功功率，支持电网电压稳定。

3. 优势

• 部分功率变流：仅需处理转子滑差功率，降低变流器容量和成本（典型为总功率的30%）。

• 宽转速范围：允许转速变化范围达±30%同步转速，提高风能捕获效率。

• 电网友好性：支持低电压穿越（LVRT），增强电网稳定性。

4. 典型应用场景

• 中大型风电机组（1.5MW以上）。

• 需要高效率和电网兼容性的风电场。

5. 与全功率变流系统的对比