东汽FD70/FD77风电机组变流器系统原理及应用

　　1.2 变速恒频发电机结构和原理
　　双馈发电机的定子通过开关和电网连接，转子通过碳刷引出和变频器输出连接。如图2 所示，观察方向从左至右，转子旋转方向为顺时针旋转；相对定子不动，转子转速为n。
　　风电机组转速小于同步转速1500r/min 时，在转子绕组上加上低频交流电，在转子线圈周围就会形成旋转磁场。这个旋转磁场的转速，相对于转子轴（相当于转子不动）来定义，转速为n1，方向与转子旋转方向n 相同。n 和n1 方向相同，两者同向相加，合成为转子旋转磁场n0。转子绕组旋转磁场，相对于转子轴而旋转；转子旋转磁场，相对于定子绕组而旋转。
　　风电机组转速大于同步转速1500r/min 时，改变转子电流的相序，可以改变转子绕组旋转磁场的方向，使得转子绕组旋转磁场的方向n2 与转子旋转方向n 相反。改变转子电流的频率可以改变转子绕组旋转磁场的速度，n 和n2 方向相反，两者反向相减，合成为转子旋转磁场n0=1500r/min。
　　例如：当风电机组转速为1200r/min 时，在转子绕组上加上一个正向旋转的三相交流电，频率为10Hz，则转子旋转磁场的转速n0=n+n1=1200+30×10=1500r/min。以1500r/min 的旋转磁场切割定子绕组，则在定子绕组上感应出50Hz 的交流电。当风电机组转速为1800r/min 时，在转子绕组上加上一个反向旋转的三相交流电，频率为-10Hz，则转子旋转磁场的转速n0=n+n2=1200+30×10=1500r/min。
　　变流器通过实时跟踪发电机转子的转速，从而实时调整变流器输出的转子电流频率和相序，可以保证转子旋转磁场的转速始终保持为同步转速1500r/min，从而保证发电机发出的电压频率为工频50Hz，无论发电机的转速是多少（1100r/min~1800r/min），发电机输出电压频率都是50Hz，实现变速恒频发电。
　　变流器主要完成电源频率的变换，网侧NPR IGBT 负责将690V 电源电压整流成1000V 以上的直流母线电压或者将直流母线电压逆变成工频50Hz 的690V 电源电压反馈回电网；机侧MPR IGBT 负责将直流母线电压逆变成频率（0Hz~40Hz）可调、幅值和相位可调的交流电压加到转子绕组上，或者将发电机转子绕组发出的变频交流电压整流成直流母线电压，再由网侧IGBT 将直流母线电压逆变成工频50Hz 的690V 电源电压反馈回电网（图3）。

图3 电源频率变换示意图

　　当风速较小，发电机的转速小于同步转速时，转子绕组需要励磁。能量从电网到变流器再到转子绕组线圈，通过网侧IGBT-- 直流母线电压-- 机侧IGBT 变换成频率、幅值和相位可调的交流电压加到转子绕组上。
　　当风速较大，发电机的转速大于同步转速时，转子绕组要对外发电，首先经过机侧IGBT 把发电机转子绕组发出的变频交流电压整流成直流母线电压，再通过网侧IGBT 将直流母线电压逆变成工频50Hz 的690V 电源电压反馈回电网。因为发电机的定子绕组和转子绕组都在同时发电，所以称为双馈发电机。