第3章 定速異步風力發電機組的原理及建模

3.1 概述

在風力發電技術發展的過程中，出現了多種多樣的機型，并且新的機型仍在研制發展之中。早期的風力發電采用的是定速發電機組，相比于變速風力發電機組，它的結構簡單，價格低廉。定速風力發電機組通常采用鼠籠異步電機作為發電機，轉子通過齒輪箱由風力機驅動，定子側直接連接到電網。在正常運行狀況下，定子側頻率由電網頻率決定。而異步電機滑差率通常在1%～3%之間（兆瓦級發電機通常低于1%），因此在風速變化下，轉子轉速變化范圍很小，定速風力發電機組的名稱也由此而來。

定速風力發電機組結構簡單，在制造、安裝和維護上具有很大的優勢。異步發電機直接與電網相連，省卻了價格昂貴的大功率變流器。雖然風力發電機組在啟動過程需要軟啟動器來控制電壓上升，但軟啟動器采用的是價格低廉的晶閘管，而且一旦啟動完成，軟啟動器就被短路，因此也不需要大功率的散熱裝置。籠型異步電機不需要滑環和電刷，堅固耐用，維護量小，而且定速風力發電機組的控制系統也比變速機組簡單得多。但定速風力發電機組的缺點也很明顯：風力發電機組在不同的風速下只能“定速”運行，風能轉化效率較低；其次，在風速變化情況下，風力發電機組定速運行使機組不僅要承受更大的機械應力，而且并網有功功率的波動也會對電網的穩定運行造成一定的影響；定速風力發電機組在沒有附加設備的情況下不能單獨調節無功功率。

電力電子技術的發展使得大功率變流器在風力發電系統得到廣泛應用。在定速風力發電機組的基礎上，將鼠籠異步電機與電網通過全功率變流器連接，從而對發電機的功率進行控制而變速運行，實現風力發電機組的最大功率跟蹤，提高風力發電機組的運行效率，并且全功率變流器的可控性還可以提高變速風力發電機組的故障穿越能力，甚至對電網提供無功支持。本章將僅介紹定速異步風電機組（Fixed Speed Induction Generator，FSIG）的結構和運行原理，并給出仿真算例分析其并網特性。全功率驅動籠型異步發電機組的控制策略將在第5章中介紹。