1.3.3 带部分功率变换器的变速恒频风力发电系统——双馈风力发电系统

目前普遍采用的是变速恒频风力发电系统，变速风力发电机组通常装有一台感应发电机或同步发电机，再通过功率变换器连接到电网上。功率变换器控制发电机转速，由风速变化引起的功率波动主要由发电机转子转速变化来吸收，剩余的由风轮转子转速变化来吸收。变速风力发电机组的缺点是电气系统较复杂，需要使用较多电子元器件，增加了电力电子开关的损耗，增加了装置的成本。但变速风轮的引入增加了可用发电机的种类，使发电机和功率变换器的组合更加灵活。

根据变速运行的范围，变速风力发电机组可分为带部分功率变换器的变速风力发电机组和带全功率变换器的变速风力发电机组。

带部分功率变换器的变速风力发电系统如图1.5所示。这个系统采用转子交流励磁的双馈发电机（DFIG），因此称为双馈发电机组。双馈发电机的结构与绕线转子异步电机（WRIG）是一样的，与有限变速恒频风力发电机组不同的是，转子电路上接的是部分功率变换器（额定容量约为发电机额定功率的30%左右）。这种变速恒频控制方案是在转子电路中实现的，当风速发生变化时，发电机转速也会变化，这时可通过控制转子电流频率来保持定子频率的恒定，即应满足

式中，f₁为定子电流频率，因定子与电网相连，所以定子电流频率应与电网电流频率相同；f_r为转子机械频率；n_p为发电机极对数；f₂为转子电流频率。

图1.5 带部分功率变换器的变速风力发电系统

相比之下，双馈发电机变速运行的范围比OptiSlip的运行范围要宽，因为它既可运行在超同步转速下，也可运行在亚同步转速下，转速控制范围取决于变换器容量的大小。通常，转速范围在同步转速的-40%～+30%范围之内。从经济的角度考虑，使用较小容量的变换器更有利。

在风力发电系统中采用双馈发电机除可实现变速恒频控制、减小变换器容量外，还可对有功和无功实现解耦控制，起到补偿电网无功的作用，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的运行稳定性。此外，变换器还以可实现风轮机组平稳地并网。这种系统的缺点是必须使用集电环，风轮机必须通过齿轮箱增速后才能和发电机连接；另外，在电网故障时要采取保护措施。