变速恒频发电系统

二、变速恒频发电系统

对于变速恒频发电系统，风轮以变速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比。在调节转速的过程中，需要主动进行桨距角的控制，使其保持在最佳位置，以保证叶尖速比恒定。在额定风速以上的运行状态时，也需要进行变桨距调节。此时风力机的运行效率高，获得的风能也比恒速运行的风力机的大。为了获得最佳的运行效果，最好的办法是设置电力电子装置，在发电机与电网之间加入变流器，发电机转速可以与电网频率解耦，并允许风轮转速变化。虽然系统的电气部分会因此变得复杂、成本会增加，但电气部分在整个机组中所占的比例不大。因此，大、中型的变速恒频风力发电机组已受到广泛关注。变速恒频的方式是目前风力发电技术的主要发展方向，典型的机型是变桨距变速恒频双馈风力发电机组和变桨距变速恒频永磁直驱风力发电机组。

风力发电机组的变速恒频控制方式包括四种：笼型异步发电机变速恒频风力发电系统（见图5-5）、双馈发电机变速恒频风力发电系统（见图5-6）、直驱型变速恒频风力发电系统和混合式变速恒频风力发电系统（半直驱风力发电系统）。

变速恒频风力发电系统有不连续变速系统和连续变速系统两种类型。

1.不连续变速系统

具有不连续变速系统的风力发电机组可以比单一转速运行的风力发电机组获得更多的年发电量，因为它可以在一定的风速范围内运行于最佳叶尖速比附近。但是它对风速的快速变化实际上只起一台单速风力机的作用，而不能像连续变速系统那样有效地获取变化的风能。不连续变速系统不能利用转子的惯性来吸收峰值转矩，它无法改善风力机的疲劳寿命。不连续变速系统主要有下面几种形式。

1）采用多台不同转速的发电机

一般采用两台转速不同、功率不同的异步发电机，在某一时间，只有一台发电机连接到电网中，传动机构的设计使发电机可以在两种风轮转速的情况下运行于比同步转速稍高的转速下。

2）双绕组双速异步发电机

双绕组双速异步发电机有两个定子绕组，嵌在相同的定子铁芯槽中。发电机具有两种不同的同步转速（低同步转速和高同步转速），采用哪一个转速取决于两个绕组的极对数。在某一时间内仅有一个绕组工作，转子为笼型。由于总有一个绕组未被利用，所以损耗、成本、重量均高于单速发电机。

3）双速极幅调制异步发电机

双速极幅调制异步发电机只有一个定子绕组，但有两种不同的运行速度。绕组与普通单速发电机的不同，每相绕组由匝数相同的两部分组成，并联时对应于一种转速，串联时对应于另一种转速。通过定子绕组的六个接线端子，由开关控制不同接法，得到两种不同的转速。(https://www.daowen.com)

2.连续变速系统

连续变速系统可以通过机械方法、电/机械方法、电气方法和电力电子学方法实现。机械方法是通过采用变速比液压传动或可变传动比机械传动来实现的，电/机械方法是通过采用定子可旋转的异步发电机来实现的，电气方法是采用高滑差异步发电机或双定子异步发电机来实现的，这些方法在实际应用中存在一定的不足，难以推广，而电力电子学方法是最具有前景的方法，它主要由发电机和电力电子装置来实现连续变速。

1）同步发电机交流/直流/交流系统

同步发电机可以随风轮变速旋转，产生变化的电功率。发电机发出频率变化的交流电，通过调节发电机的励磁电流来控制电压。发电机发出的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电，再通过线路换向的逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网。这种方式输出波形的谐波含量小，且容易滤掉，但电力电子装置在主回路，容量大，价格高。

图5-7所示为永磁同步发电机风力发电系统。由低速永磁发电机组成的风力发电系统的定子通过全功率变流器与交流电网连接，发电机变速运行，通过变流器保持输出电流的频率与电网频率一致。

2）磁场调制发电机系统

磁场调制发电机系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成。发电机本身的旋转频率高，不用直流电励磁，而是要用输出的低频（一般为50 Hz）交流电励磁。这种系统换向简单，损耗小，效率高，输出波形整齐；但它的电力电子变换装置在主电路中，容量大，价格高。

3）双馈异步发电机系统

双馈异步发电机系统如图5-8所示。双馈异步发电机的结构和绕线型异步发电机的类似，定子绕组直接接入电网，转子绕组由一台频率、电压可调的低频电源提供三相低频励磁电流，低频电源一般采用交-交循环变流器。当转子绕组通入三相低频电流时，在转子中形成旋转磁场，这个旋转磁场的转速与转子的机械转速相叠加，使其等于定子的同步转速，于是在发电机的定子绕组中感应出对应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转子的机械转速随之变化，对应地，转子电流的频率和旋转磁场的速度也随之变化，以补偿发电机转速的变化，保持输出频率恒定不变。

除了上述系统外，还有一种新型的无刷双馈异步发电机，其采用双极定子和嵌套耦合的笼型转子，具有结构简单、没有电刷和集电环、基本不需要维护的独特优势，正在受到广泛关注。