2.1 變速恒頻風力發電技術

近年來，隨著電力電子技術和微機控制技術的發展，雙饋型異步發電機（doubly-fed induction generator，簡稱DFIG）得到了廣泛的重視。DFIG在結構上類似繞線式異步電機，具有定、轉子兩套繞組。在控制中，DFIG轉子一般由接到電網上的變換器進行交流勵磁，由于發電機的定、轉子都參與了勵磁，“雙饋”的含義因此而得。

2.1.1 變速恒頻發電的優點

變速恒頻發電是一種新型的發電技術，非常適用于風力、水力等綠色能源開發領域，尤其是在風力發電方面，變速恒頻體現出了顯著的優越性和廣闊的應用前景：

（1）采用變速恒頻發電方式，可按照捕獲最大風能的要求，在風速變化的情況下實時地調節風力機轉速，使之始終運行在最佳轉速上，從而提高了機組發電效率，優化了風力機的運行條件。

（2）變速恒頻發電可以在異步發電機的轉子側施加三相低頻電流實現交流勵磁，控制勵磁電流的幅值、頻率、相位實現輸出電能的恒頻恒壓。同時采用矢量變換控制技術，實現發電機輸出有功功率、無功功率解耦（簡稱P-Q解耦）控制。控制有功功率可調節風力發電機組轉速，實現最大風能捕獲的追蹤控制；調節無功功率可調節功率因數，提高風力發電機組及電力系統運行的動、靜態穩定性。

（3）采用變速恒頻發電技術可使發電機組與電網系統之間實現良好的柔性連接，比傳統的恒速恒頻發電系統更易實現并網操作及運行。

2.1.2 變速恒頻風力發電系統的形式

變速恒頻風力發電系統有多種形式，有的是通過發電機與電力電子裝置相結合實現變速恒頻，有的是通過改造發電機本身結構而實現變速恒頻。它們具有各自的特點，適用于各種不同的場合。

1．交-直-交風力發電系統

交-直-交風力發電系統中的變速恒頻控制是在電機的定子電路中實現的。由于風速的不斷變化，風力機和發電機也隨之變速運行。發電機發出頻率變化的交流電首先經過三相橋式整流器變換成直流電，然后通過逆變器變換為恒定電網頻率的交流電，如圖2-1所示。因此，變頻器的容量和發電機的容量相同。

這種系統在并網時沒有電流沖擊，對系統幾乎沒有影響；同時由于頻率變換裝置采用靜態自勵式逆變器，雖然可調節無功功率，但有高頻電流流向電網。這類系統可以采用同步發電機、籠型異步發電機和永磁發電機。

2．交流勵磁雙饋異步發電系統

該系統采用轉子交流勵磁的雙饋型異步發電機，雙饋型異步發電機的定子并到電網上，轉子通過勵磁變頻器與電網相連，如圖2-2所示。

當風速變化引起發電機轉速變化時，控制轉子電流的頻率，可使定子頻率恒定，即滿足下式：

式中 f1——電網頻率；

fm——轉子機械頻率；

nm——發電機機械轉速；

p——電機極對數；

fs——轉子電流頻率。

發電機的機械轉速和電轉速之間的關系為nr=pnm。當發電機的轉速nr小于同步轉速n1時，處于亞同步狀態，此時勵磁變頻器向發電機轉子提供交流勵磁，發電機由定子發出電能給電網；當nr大于同步轉速n1時，此時發電機同時由定子和轉子發出電能給電網，勵磁變頻器的能量流向逆向；當nr等于同步轉速n1時，fs=0，勵磁變換器向轉子提供直流勵磁。

由式（2-1）可知，當發電機的機械轉速nm變化時，即pfm變化時，若控制fs相應變化，可使f1保持恒定不變，這樣就實現了變速恒頻的控制。

由于這種變速恒頻控制方案是在轉子電路實現的，流過轉子電路的功率是由發電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，僅為定子額定功率的一部分，因此圖2-2中所示的雙向勵磁變頻器的容量僅為發電機容量的一小部分，成本將會大大降低。交流勵磁雙饋型異步發電機的控制方案除了可實現變速恒頻控制及減小變頻器的容量外，在磁場定向矢量控制下還可實現P-Q解耦控制，對電網而言可起到無功補償的作用。

3．無刷雙饋型發電機系統

這種系統如圖2-3所示，無刷雙饋型發電機定子有兩套極數不同的繞組，一為功率繞組，直接接電網；另一為控制繞組，通過雙向變換器接電網。無刷雙饋發電機轉子為特殊設計的籠型結構，取消了電刷和滑環，轉子的極數應為定子兩套繞組極對數之和。

無刷雙饋型發電機定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當于交流勵磁雙饋型發電機的定子繞組和轉子繞組，因此，盡管這兩種發電機的運行機制有著區別，但卻可以通過同樣的控制策略實現變速恒頻控制。

盡管這種變速恒頻控制方案是在定子電路實現的，但流過定子控制繞組的功率僅為無刷雙饋發電機總功率的一小部分，這是由于控制繞組的功率為功率繞組功率的pc/（pp+pc）（pp為定子功率繞組的極對數，pc為定子控制繞組的極對數），雙向變換器的容量也僅為發電機容量的一小部分。

無刷雙饋發電機具有與有刷雙饋型異步發電機相同的特性，但沒有滑環和電刷，既降低了電機的成本，又提高了系統運行的可靠性。只是目前仍處于試驗研究階段，尚未進入工程實用階段。

4．開關磁阻發電機系統

開關磁阻式風力發電系統以開關磁阻發電機為機電能量的轉換核心，開關磁阻發電機為雙凸極電機，定子、轉子均為凸極齒槽結構，定子上設有集中繞組，轉子上既無繞組也無磁體，故機械結構簡單、堅固、可靠性高。此外，由于風力機的功率特性有其自身的特點，為了使風能捕獲的效果最佳，就必須使開關磁阻發電機與風力機能夠良好的配合，通過對發電系統的控制，使風力機工作在最佳功率負載線上。開關磁阻發電機沒有獨立的勵磁繞組，而是與集中嵌放的定子電樞合二為一，并通過控制器分時控制實現勵磁與發電，因而簡化了控制系統結構，提高了可靠性。同時，因為發電機相繞組間無電磁耦合，容錯能力大大增強。