双馈感应发电机模型

摘要

本发明公开了一种双馈感应发电机模型，属于电力技术领域，以便于对双馈风电系统进行分析、设计和改进。该双馈感应发电机模型，包括定子电路模型和转子电路模型；所述定子电路模型包括三相的定子绕组电路，每相所述定子绕组电路用于模拟定子绕组匝间电容的影响；所述转子电路模型包括三相的转子绕组电路，每相所述转子绕组电路用于模拟转子绕组匝间电容的影响。本发明可用于双馈风电系统。

说明书

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体地说，涉及一种双馈感应发电机模型。

背景技术

交流励磁双馈感应发电机(Doubly Fed Induction Generator，简称DFIG)的 变速恒频风力发电系统(简称双馈风电系统)具有成本低、体积小、功率损耗低 等优点，因此已被十分广泛的应用。

双馈风电系统通常由双馈感应发电机、交-直-交背靠背变流器及电缆等部件 构成，在双馈风电系统工作时，发电机的定子侧和转子侧都有能量馈送。由变流 器中的逆变器共模电压所引起的放电电流，通过发电机内部寄生电容会产生流入 地线的漏电流，高频漏电流过大将产生电磁干扰(EMI)。另外，为了降低开关 损耗，通常会加快变流器中半导体设备的开关速度，开关速度的提高将使输出电 压的上升时间变短，导致反射波在变流器和发电机之间来回运行，也称为电压反 射现象。该反射波经过多次反射会在发电机端叠加出幅值和频率很高的过电压， 该过电压通过电机的寄生电容形成轴电压，轴电压过高可能会造成发电机的绝缘 失效，损坏发电机的轴承，而影响系统运行的可靠性。

因此，需要建立一个准确的双馈感应发电机的模型，特别是高频模型，以便 于对双馈风电系统进行分析、设计和改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双馈感应发电机模型，以便于对双馈风电系统进 行分析、设计和改进。

本发明提供一种双馈感应发电机模型，包括定子电路模型和转子电路模型；

所述定子电路模型包括三相的定子绕组电路，每相所述定子绕组电路用于模 拟定子绕组匝间电容的影响；

所述转子电路模型包括三相的转子绕组电路，每相所述转子绕组电路用于模 拟转子绕组匝间电容的影响。

优选的，每相所述转子绕组电路包括并联的转子绕组匝间电容C_rw、C_rw的 等效电阻R_rw和转子漏感L_lr。

进一步，该双馈感应发电机模型还包括连接于所述定子电路模型与所述转子 电路模型之间的共模拓扑电路。

优选的，所述双馈感应发电机包括定子绕组、转子铁芯和转子绕组；

所述共模拓扑电路包括定子绕组对转子铁芯的寄生电容C_sr，转子绕组对转 子铁芯的寄生电容C_wr，以及定子绕组与转子绕组之间的寄生电容C_ws；C_sr和C_wr串联，C_ws并联在C_sr和C_wr两端。

进一步，所述双馈感应发电机还包括轴承；

所述共模拓扑电路还包括轴承等效电容C_b，C_b的一端连接于C_sr与C_wr之间， C_b的另一端接地。

进一步，所述双馈感应发电机还包括机壳；

所述共模拓扑电路还包括转子铁芯与机壳之间的寄生电容C_rf，C_rf的一端连 接于C_sr与C_wr之间，C_rf的另一端接地。

优选的，每相所述定子绕组电路包括第一部分定子漏感ηL_ls、定子绕组电阻 R_s、第二部分定子漏感(1-η)L_ls、定子绕组与转子绕组之间的寄生电容C_sw和C_sw的等效电阻R_sw；

其中，ηL_ls、R_s和(1-η)L_ls串联，C_sw、R_sw与(1-η)L_ls并联。

优选的，3％≤η≤10％。

优选的，每相所述定子绕组电路还包括定子绕组与机壳之间的寄生电容C_sf和C_sf的等效电阻R_sf；

其中，C_sf的一端与R_sf的一端连接，C_sf的另一端连接在ηL_ls与R_s之间，R_sf的另一端接地。

进一步，所述定子电路模型还包括定子外壳电阻R_f和定子外壳电感L_f；

R_f和L_f串联在每相所述定子绕组电路中的R_sf与地之间。

本发明带来了以下有益效果：本发明提供的双馈感应发电机模型中，包括定 子电路模型中的三相的定子绕组电路，以及转子电路模型中的三相的转子绕组电 路，能够模拟双馈风电系统在高频工作状态下，定子侧和转子侧产生的轴电压及 电磁干扰，从而有利于对双馈风电系统进行分析、设计和改进。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书 中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过 在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需 要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的双馈感应发电机模型的示意图；

图2是双馈感应发电机的共模干扰的容性耦合的示意图；

图3是图2的共模拓扑电路的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如 何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据 以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施 例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之 内。

如图1所示，本发明实施例提供一种双馈感应发电机模型，包括定子电路模 型和转子电路模型。定子电路模型包括A、B、C三相的定子绕组电路，，每相 定子绕组电路用于模拟定子绕组匝间电容的影响。转子电路模型包括A、B、C 三相的转子绕组电路，每相转子绕组电路用于模拟转子绕组匝间电容的影响。

其中，每相转子绕组电路包括并联的转子绕组匝间电容C_rw、C_rw的等效电 阻R_rw和转子漏感L_lr，主要模拟转子绕组匝间电容的影响。C_rw、R_rw和L_lr的数值 可通过阻抗分析测量获得。

本发明实施例提供的双馈感应发电机模型中，包括定子电路模型中的三相的 定子绕组电路，以及转子电路模型中的三相的转子绕组电路，能够模拟双馈风电 系统在高频工作状态下，定子侧和转子侧产生的轴电压及电磁干扰。并且，转子 耦合产生的轴电压在双馈风电系统中占主要地位，而本实施例中能够模拟每一相 的转子绕组匝间电容的影响。因此，本发明实施例提供的双馈感应发电机模型有 利于对双馈风电系统进行分析、设计和改进，并且该双馈感应发电机模型所适用 的频率范围很宽，低频可达到100Hz，高频可达到10MHz。

进一步，本发明实施例提供的双馈感应发电机模型中，还包括连接于定子电 路模型与转子电路模型之间的共模拓扑电路。

如图2所示，双馈感应发电机包括定子绕组1、转子绕组3、转子铁芯4、 机壳2、轴承5等部件，而双馈感应发电机在高频工作状态下会发生容性耦合现 象，具体包括：定子绕组1对转子铁芯4的寄生电容C_sr，转子绕组3对转子铁芯 4的寄生电容C_wr，定子绕组1与转子绕组3之间寄生电容C_ws，定子绕组1与机 壳2之间的寄生电容C_sf，转子铁芯4与机壳2之间的寄生电容C_rf，转子绕组3 与机壳2之间的寄生电容C_wf，轴承5的滚珠与外瓦之间的寄生电容C_b1，轴承5 的滚珠与内瓦之间的寄生电容C_b2。这些参数均可通过阻抗分析测量获得。

图3为图2的拓扑结构电路，并将图2中的C_b1和C_b2等效为可变电容C_b与一开关并联。表示当输出电压较低时，相当于开关闭合，将C_b短路，即C_b的 大小等于0；当输出电压达到一定阈值时，相当于开关断开，并且的C_b大小还会 随输出电压的变化而变化。

如图1所示，本实施例中，共模拓扑电路也相应的包括定子绕组对转子铁芯 的寄生电容C_sr，转子绕组对转子铁芯的寄生电容C_wr，以及定子绕组与转子绕组 之间的寄生电容C_ws。其中，C_sr和C_wr串联，C_ws并联在C_sr和C_wr两端。而转子 绕组与发电机的机壳之间的寄生电容C_wf的耦合作用很小，可以忽略不计。

进一步，共模拓扑电路还包括轴承等效电容C_b，以及转子铁芯与机壳之间 的寄生电容C_rf。其中，C_b和C_rf的一端均连接于C_sr与C_wr之间，C_b和C_rf的另一 端接地(定子外壳)。

共模拓扑电路模拟了双馈风电系统中的共模电压，是发电机的三相电压中共 有的成分，也称为零序电压，其对电机的机-电能量转换没有直接影响。但是，由 于双馈风电系统的高频特性和电压的快速变化，共模电压将产生有害的电磁干 扰、漏电流和轴承电流。因此，对共模拓扑电路进行建模，能够更好的对双馈风 电系统进行分析、设计和改进。

作为一个优选方案，本实施例中，每相定子绕组电路包括第一部分(定子绕 组的前几匝)定子漏感ηL_ls、定子绕组电阻R_s、第二部分定子漏感(1-η)L_ls、定子 绕组与转子绕组之间的寄生电容C_sw和C_sw的等效电阻R_sw，ηL_ls、R_s和(1-η)L_ls串 联，并且C_sw、R_sw与(1-η)L_ls并联。

其中，η的取值范围在3％至10％之间，通常可选为5％，即第一部分定子漏 感为5％定子绕组的漏感，第二部分定子漏感为其余的95％定子绕组的漏感。L_ls、 C_sw和R_sw的数值可通过阻抗分析测量得到，主要模拟转子绕组匝间电容的影响。

本实施例中，将L_ls分为了ηL_ls和(1-η)L_ls两部分，因为定子绕组的前几匝比 较容易发生绝缘失效而被击穿，所以本实施例中的ηL_ls考虑到定子绕组的前几匝 的对地漏电容及寄生电容，能够有效预测定子绕组的前几匝被击穿或烧毁的现 象。

进一步，每相定子绕组电路还包括定子绕组与发电机的机壳之间的寄生电容 C_sf和C_sf的等效电阻R_sf。C_sf的一端与R_sf的一端连接，形成串联，C_sf的另一端连 接在ηL_ls与R_s之间，R_sf的另一端接地(机壳)。C_sf是沿着定子绕组长度方向与 机壳的容性耦合的分布参数，C_sf及R_sf的数值可通过阻抗分析测量获得。

此外，定子电路模型还可以包括定子外壳电阻R_f和定子外壳电感L_f，R_f和 L_f串联在每相定子绕组电路中的R_sf与地之间。R_f和L_f的数值可通过发电机制造 商获得，比如查看发电机的铭牌、出厂说明书等。

本发明实施例提供的双馈感应发电机模型，能够模拟双馈风电系统在高频工 作状态下，定子侧和转子侧产生的轴电压及电磁干扰，还利用共模拓扑电路模拟 了共模电压产生的电磁干扰、漏电流和轴承电流，并且考虑到定子绕组的前几匝 的对地漏电容及寄生电容的影响。因此，本发明实施例提供的双馈感应发电机模 型，能够模拟每一相的转子绕组匝间电容和共模电压的影响，并能够有效预测定 子绕组的前几匝被击穿或烧毁的现象，以便于对双馈风电系统进行分析、设计和 改进。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发 明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技 术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上 及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利 要求书所界定的范围为准。