1.3.3 帶部分功率變換器的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)——雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)

目前普遍采用的是變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，變速風力發(fā)電機組通常裝有一臺感應(yīng)發(fā)電機或同步發(fā)電機，再通過功率變換器連接到電網(wǎng)上。功率變換器控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速，由風速變化引起的功率波動主要由發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化來吸收，剩余的由風輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化來吸收。變速風力發(fā)電機組的缺點是電氣系統(tǒng)較復雜，需要使用較多電子元器件，增加了電力電子開關(guān)的損耗，增加了裝置的成本。但變速風輪的引入增加了可用發(fā)電機的種類，使發(fā)電機和功率變換器的組合更加靈活。

根據(jù)變速運行的范圍，變速風力發(fā)電機組可分為帶部分功率變換器的變速風力發(fā)電機組和帶全功率變換器的變速風力發(fā)電機組。

帶部分功率變換器的變速風力發(fā)電系統(tǒng)如圖1.5所示。這個系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子交流勵磁的雙饋發(fā)電機（DFIG），因此稱為雙饋發(fā)電機組。雙饋發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與繞線轉(zhuǎn)子異步電機（WRIG）是一樣的，與有限變速恒頻風力發(fā)電機組不同的是，轉(zhuǎn)子電路上接的是部分功率變換器（額定容量約為發(fā)電機額定功率的30%左右）。這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路中實現(xiàn)的，當風速發(fā)生變化時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速也會變化，這時可通過控制轉(zhuǎn)子電流頻率來保持定子頻率的恒定，即應(yīng)滿足

式中，f₁為定子電流頻率，因定子與電網(wǎng)相連，所以定子電流頻率應(yīng)與電網(wǎng)電流頻率相同；f_r為轉(zhuǎn)子機械頻率；n_p為發(fā)電機極對數(shù)；f₂為轉(zhuǎn)子電流頻率。

圖1.5 帶部分功率變換器的變速風力發(fā)電系統(tǒng)

相比之下，雙饋發(fā)電機變速運行的范圍比OptiSlip的運行范圍要寬，因為它既可運行在超同步轉(zhuǎn)速下，也可運行在亞同步轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速控制范圍取決于變換器容量的大小。通常，轉(zhuǎn)速范圍在同步轉(zhuǎn)速的-40%～+30%范圍之內(nèi)。從經(jīng)濟的角度考慮，使用較小容量的變換器更有利。

在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用雙饋發(fā)電機除可實現(xiàn)變速恒頻控制、減小變換器容量外，還可對有功和無功實現(xiàn)解耦控制，起到補償電網(wǎng)無功的作用，既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。此外，變換器還以可實現(xiàn)風輪機組平穩(wěn)地并網(wǎng)。這種系統(tǒng)的缺點是必須使用集電環(huán)，風輪機必須通過齒輪箱增速后才能和發(fā)電機連接；另外，在電網(wǎng)故障時要采取保護措施。