2.3.2 并网运行的风力发电系统

1．风力机驱动双速异步发电机与电网并联运行

（1）双速异步发电机。在与电网并联运行的风力发电系统中大多采用异步发电机，由于风能的随机性，风速的大小经常变化，驱动异步发电机的风力机不可能经常在额定风速下运转，通常风力机在低于额定风速下运行的时间约占风力机全年运行时间的60%～70%，为了充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年来广泛应用双速异步发电机。

双速异步发电机系统指具有两种不同的同步转速（低同步转速及高同步转速）的电机，根据前述的异步电机理论，异步电机的同步转速与异步电机定子绕组的极对数及所并联电网的频率有如下关系，即

式中：nS为异步电机的同步转速，r/min; p为异步电机定子绕组的极对数；f为电网的频率，我国电网的频率为50Hz。

因此并网运行的异步电机的同步转速是与电机的极对数成反比的，例如4极的异步电机的同步转速为1500r/min，6极的异步电机的同步转速为1000r/min，可见只要改变异步电机定子绕组的极对数，就能得到不同的同步转速，如何改变电机定子绕组的极对数呢？可以有以下三种方法：

1）采用两台定子绕组极对数不同的异步电机，一台为低速同步转速的，一台为高同步转速的。

2）在一台电机的定子上放置两套极对数不同的相互独立的绕组，即是双绕组的双速电机。

3）在一台电机的定子上仅安置一套绕组，靠改变绕组的连接方式获得不同的极对数，即所谓的单绕组双速电机。

双速异步发电机的转子皆为鼠笼式，因为鼠笼式转子能自动适应定子绕组极对数的变化，双速异步发电机在低速运转时的效率较单速异步发电机高，滑差损耗小；在低风速时获得多发电的良好效果，国内外由定桨距失速叶片风力机驱动的双速异步发电机皆采用4/6极变极的，即其同步转速为1500r/1000r/min，低速时对应于低功率输出，高速时对应于高功率输出。

（2）双速异步发电机的并网。如前所述，近代异步发电机并网时多采用晶闸管软并网方法来限制并网瞬间的冲击电流，双速异步发电机与单速异步发电机一样也是通过晶闸管软并网方法来限制启动并网时的冲击电流，同时也在低速（低功率输出）与高速（高功率输出）绕组相互切换过程中起限制瞬变电流的作用，双速异步发电机通过晶闸管软切入并网的主电路，如图2-44所示，双速异步发电机启动并网及高低输出功率的切换信号皆由计算机控制。

双速异步发电机的并网过程如下：

1）当风速传感器测量的风速达到启动风速（一般为3.0～4.0m/s）以上，并连续维持达5～10min时，控制系统计算机发出启动信号，风力机开始启动，此时发电机被切换到小容量低速绕组（例如6极，1000r/min）根据预定的启动电流值，当转速接近同步速时，通过晶闸管接入电网，异步发电机进入低功率发电状态。

2）若风速传感器测量的1min平均风速远超过启动风速，例如7.5m/s，则风力机启动后，发电机被切换到大容量高速绕组（例如4极，1500r/min），当发电机转速接近同步转速时，根据预定的启动电流值，通过晶闸管接入电网，异步发电机直接进入高功率发电状态。

（3）双速异步发电机的运行控制。双速异步发电机的运行状态，即高功率输出或低功率输出（在采用两台容量不同发电机的情况下，即是大电机运行或小电机运行），是通过功率控制来实现的。

1）小容量电机向大容量电机的切换。当小容量发电机的输出在一定时间内（例如5min）平均值达到某一设定值（例如小容量电机额定功率的75%左右），通过计算机控制将自动切换到大容量电机。为完成此过程，发电机暂时从电网中脱离出来，风力机转速升高，根据预先设定的启动电流值，当转速接近同步速时通过晶闸管并入电网，所设定的电流值应根据风电场内变电所所允许的最大电流来确定。由于小容量电机向大容量电机的切换是由低速向高速的切换，故这一过程是在电动机状态下进行的。

2）大容量电机向小容量电机的切换。当双速异步发电机在高输出功率（即大容量）运行时，若输出功率在一定时间内（例如5min）平均下降到小容量电机额定容量的50%以下时，通过计算机控制系统，双速异步发电机将自动由大容量电机切换到小容量电机（即低输出功率）运行，必须注意的是当大容量电机切出，小容量电机切入时，虽然由于风速的降低，风力机的转速已逐渐减慢，但因小容量电机的同步转速较大容量电机的同步转速低，故异步发电机将处于超同步转速状态下，小容量电机在切入（并网）时所限定的电流值应小于小容量电机在最大转矩下相对应的电流值，否则异步发电机会发生超速，导致超速保护动作而不能切入。

2．风力机驱动滑差可调的绕线式异步发电机与电网并联运行

（1）基本工作原理。现代风电场中应用最多的并网运行的风力发电机是异步发电机。异步发电机在输出额定功率时的滑差率数值是恒定的，约在2%～5%之间。众所周知，风力机自流动的空气中吸收的风能是随风速的起伏而不停地变化，风力发电机组的设计都是在风力发电机输出额定功率时使风力机的风能利用系数（CP值）处于最高数值区。当来流风速超过额定风速时，为了维持发电机的输出功率不超过额定值，必须通过风轮叶片失速效应（即定桨距风轮叶片的失速控制）或是调节风力机叶片的桨距（即变桨距风轮叶片的桨距调节）来限制风力机自流动空气中吸收的风能，以达到限制风力机的出力，这样风力发电机组将在不同的风速下维持不变的同一转速。按照风力机的特性可知，风力机的风能利用系数（CP值）与风力机运行时的叶尖速比（TSR）有关（图2-45），因此，当风速变化而风力机转速不变化时，风力机的CP值将偏离最佳运行点，从而导致风电机组的效率降低，为了提高风电机组的效率，国外的风力发电机制造厂家研制了滑差可调的绕线式异步发电机，这种发电机可以在一定的风速范围内，以变化的转速运转，而同时发电机则输出额定功率，不必借助调节风力机叶片桨距来维持其额定功率输出，这样就避免了风速频繁变化时的功率起伏，改善了输出电能的质量；同时也减少了变桨距控制系统的频繁动作，提高了风电机组运行的可靠性，延长使用寿命。

由异步发电机的原理可知，如不考虑其定子绕组电阻损耗及附加损耗，异步发电机的输出电功率P基本上等于其电磁功率，即

式中：Pem为电磁功率；M为发电机的电磁转矩；Ω1为旋转磁场的同步旋转角速度。

式中：p为异步发电机定子及转子的极对数；m1表示电机的相数；U1为定子绕组的相电压；r1及x1为定子绕组的电阻及漏抗；r′2及x′2为转子绕组折合后的电阻及漏抗；f1为电网的频率。

式中：nS为发电机的同步转速；n为发电机的转速。

在电网电压及频率恒定不变的情况下，异步发电机并入电网后，在输出额定电功率时，其滑差率应为负值，即异步发电机的转速应高于同步转速（n＞n1），而电磁转矩M为制动性质的。现设异步发电机在转速为na、滑差率为Sa、电磁转矩为MN时发出额定功率，如图2-46中的a点，当风速变化时，例如风速增大，风力机及发电机的转速也随之增大，则异步发电机的滑差率S的绝对值丨S丨也将增大，此时只要增加绕线转子内串入的电阻r2，并维持r2的数值不变，则有式（3-38）可知，异步发电机的电磁转矩M就保持不变，发电机输出的电功率P也维持不变，此时异步发电机的转速已由图2-46所示的M—S特性曲线1上a点移到特性曲线2上的b点，特性曲线2为增大绕线转子电阻r2后的M—S特性曲线，异步发电机的转速已由na=（1+丨Sa丨）nS变为nb=（1+丨Sb丨）nS，而滑差由Sa变为Sb。

从异步电机的基本理论可知，异步电机的电磁转矩M也可表示为

式中：CM为绕线转子异步电机的转矩系数，对已制成的电机为一常数；Φm为电机气隙中基波磁场每极磁通量，在定子绕组相电压不变的情况下，Φm为常数；I2a为转子电流的有功分量。

从式（2-41）可知，只要有保持I2a不变，则电磁转矩M不变，联系前述式（2-38），可见当风速变化，异步发电机的转速变化时，改变异步发电机绕线转子所串电阻r2，使转子电流的有功分量I2a不变，则即能实现维持-为常数，从而达到发电机输出功率不变的目的。在这种允许滑差率有较大变化的异步发电机中，是通过由电力电子器件组成的控制系统，以调整绕线转子回路中的串接电阻值来维持转子电流不变，所以这种滑差可调的异步发电机又称转子电流控制（PoterCurrentControl），简称RCC异步电机。

（2）滑差可调的异步发电机的结构。滑差可调异步发电机从结构上讲与串电阻调速的绕线式异步电动机相似，其整个结构包括绕线式转子的异步电机、绕线转子外接电阻、由电力电子器件组成的转子电流控制器及转速和功率控制单元，图2-47表示滑差可调异步发电机的结构布置原理。

图2-47由电流互感器测量出的转子电流值与由外部控制单元给定的电流基准值比较后计算得出转子回路的电阻值，并通过电力电子器件IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）的导通和关断来进行调整；而IGBT的导通与关断则由PWM（脉冲宽度调制器）来控制。因为由这些电力电子器件组成的控制单元其左右是控制转子电流的大小，故称为转子电流控制器，此转子电流控制器可调节转子回路的电阻值使其在最小值（只有转子绕组自身电阻）与最大值（转子绕组自身电阻与外接电阻之和）之间变化，使发电机的滑差率能在0.6%～10%之间连续变化，维持转子电流为额定值，从而达到维持发电机输出的电功率为额定值。

（3）滑差可调的异步发电机的功率调节。在采用变桨距风力机的风力发电系统中，由于桨距调节有滞后时间，特别在惯量大的风力机中，滞后现象更为突出，在阵风或风速变化频繁时，会导致桨距大幅度频繁调节，发电机输出功率也将大幅波动，对电网造成不良影响；因此单纯靠变桨距来调节风力机的功率输出，并不能实现发电机输出功率的稳定性，利用具有转子电流控制器的滑差可调异步电机与变桨距风力机的配合，共同完成发电机输出功率的调节，则能实现发电机电功率的稳定输出。

具有转子电流控制器的滑差可调异步发电机与变桨距风力机配合时的控制原理如图2-48所示。

按照图2-48的控制原理图，变桨距风力机—滑差可调异步发电机的启动并网及并网后得运行状况如下：

1）图2-48中S代表机组启动并网前的控制方式，属于转速反馈控制。当风速达到启动风速时，风力机开始启动，随着转速的升高，风力机的叶片节距交连续变化，使发电机的转速上升到给定转速值（同步转速），继之发电机并入电网。

2）图2-48中R代表发电机并网后的控制方式，即功率控制方式。当发电机并入电网后，发电机的转速由于受到电网频率的牵制，转速的变化表现在电机的滑差率上，风速较低时，发电机的滑差率较小，当风速低于额定风速时没通过转速控制环节、功率控制环节及RCC控制环节将发电机的滑差调到最小，滑差率在1%（即发电机的转速大于同步转速1%），同时通过变桨距机构将叶片攻角调至零，并保持在零附近，以便最有效地吸收风能。

3）当风速达到额定风速时，发电机的输出功率达到额定值。

4）当风速超过额定风速时，如果风速持续增加，风力机吸收的风能不断增大，风力机轴上的机械功率输出大于发电机输出的电功率，则发电机的转速上升，以反馈到转速控制环节后，转速控制输出将使变桨距机构动作，改变风力机叶片攻角，以保证发电机为额定输出功率不变，维持发电机在额定功率下运行。

5）当风速在额定风速以上，风速处于不断的短时上升和下降的情况下时，发电机输出功率的控制状况如下：当风速上升时，发电机的输出功率上升，大于额定功率，则功率控制单元改变转子电流给定值，使异步发电机转子电流控制环节动作，调节发电机转子回路电阻，增大异步发电机的滑差（绝对值），发电机的转速上升，由于风力机的变桨距有滞后效应，叶片攻角还未来得及变化，而风速已下降，发电机的输出功率也随之下降，则功率控制单元又将改变转子电流给定值，使异步发电机转子电流控制环节动作，调节转子回路电阻值，减小发电机的滑差（绝对值）使异步发电机的转速下降。根据上述的基本工作原理可知，在异步发电机转速上升或下降的过程中，发电机转子的电流将保持不变，可见在短暂的风速变化时，借助转子电流控制环节的作用即可维持异步发电机的输出功率恒定，从而减少了对电网的扰动影响。必须指出，正是由于转子电流控制环节的动作时间远较变桨距机构的动作时间要快（也即前者的响应速度远较后者为快），才能实现仅仅借助转子电流控制器就能实现发电机功率的恒定输出。

滑差可调异步发电机运行时风速、发电机转速及发电机输出功率随时间的变化情况如图2-49所示，该图现实的是丹麦Vestas公司制造的由变桨距风力机及具有RCC控制环节的异步发电机组成的额定功率为660kW的风力发电机组的运行状况曲线。从图上可以看出，在风速波动变化的情况下，由于实现了异步发电机的滑差可调，保证了风力发电机在额定风速以上起伏时维持额定输出功率不变。

3．变速风力机驱动双馈异步发电机与电网并联运行

现代兆瓦级以上的大型并网风力发电机组多采用风力机叶片桨距可以调节及变速运行的方式，这种运行方式可以是实现优化风力发电机组内部件的机械负载及优化系统内的电网质量。众所周知，风力机变速运行时将使其连接的发电机也作变速运行，因此必须采用在变速运转时能发出的恒频恒压电能的发电机，才能实现与电网的连接。将具有绕线转子的双馈异步发电机与应用最新电力电子技术的IGBT变频器及PWM控制技术结合起来，就能实现这一目的，也即是变速恒频发电系统。

（1）系统组成。由变桨距风力机及双馈异步发电机组成的变速恒频发电系统与电网的连接情况如图2-50所示。当风速变化时，系统工作情况如下：

当风速降低时，风力机转速降低，异步发电机转子转速也降低，转子绕组电流产生的旋转磁场转速将低于异步电机的同步转速ns，定子绕组感应电动势的频率f低于f1（50Hz），与此同时转速测量转子立即将转速降低的信息反馈到控制转子电流频率的电路，使转子电流的频率增高，则转子旋转磁场的转速又回升到同步转速ns，这样定子绕组感应电动势的频率f又恢复到额定频率f1（50Hz）。

同理，当风速增高时，风力机及异步电机转子转速升高，异步发电机定子绕组的感应电动势的频率将高于同步转速所对应的频率f1（50Hz），测速装置会立即将转速和频率升高的信息反馈到控制转子电流频率的电流，使转子电流的频率降低，从而使转子旋转磁场的转速回降至同步转速ns，定子绕组的感应电动势频率重新恢复到频率f 1（50 Hz）。必须注意，当超同步运行时，转子旋转磁场的转向应与转子自身的转向相反，因此当超同步运行时，转子绕组应能自动变化相序，以使转子旋转磁场的旋转方向倒向。

当异步电机转子转速达到同步转速时，此时转子电流的频率应为零，即转子电流为直流电流，这与普通同步发电机转子励磁绕组内通入直流电时相同的。实际上，在这种情况下双馈异步发电机已经和普通同步发电机一样了。

如图2-50所示，双馈异步发电机输出端电压的控制是靠控制发电机转子电流的大小来实现。当发电机的负载增加时，发电机输出端电压降低，此信息由电压检测获得，并反馈到控制转子电流大小的电路，也即通过控制三相半控或全控整流桥的晶闸管导通角，使导通角增大，从而使发电机转子电流增加，定子绕组的感应电动势增高，发电机输出端电压恢复到额定电压。反之，当发电机负载减小时，发电机输出端电压升高，通过电压检测后获得的反馈信息将使半控或全控整流桥的晶闸管的导通角减小，从而使转子电流减小，定子绕组输出端电压降回至额定电压。

（2）变频器及控制方式。在双馈异步发电机组成的变速恒频风力发电系统中，异步发电机转子回路中可以采用不同类型的循环变流器（Cycle Converter）作为变频器。

1）采用交—直—交电压型强迫换流变频器。采用此种变频器可实现由亚同步运行到超同步运行的平稳过渡，这样可以扩大风力机变速运行的范围。此外，由于采用了强迫换流，还可实现功率因数的调节，但由于转子电流为方波，会在电机内产生低次谐波转矩。

2）采用交—交变频器，可以省去交—直—交变频器中的直流环节，同样可以实现由亚同步到超同步运行的平稳过渡及实现功率因数的调节，其缺点是需应用较多的晶闸管，同时在电机内也会产生低次谐波转矩。

3）采用脉宽调制（PWM）控制的由IGBT组成的变频器。

采用最新电力电子技术的IGBT变频器及PWT控制技术，可以获得正弦形转子电流，电机内不会产生低次谐波转矩，同时能实现功率因数的调节，现代兆瓦级以上的双馈异步发电机多采用这种变频器。

（3）兆瓦级机组的技术数据。国外开发研制的由变桨距风力机及双馈异步发电机组成的中、大型变速恒频发电系统的技术数据如下：异步发电机滑差率变化范围2%～25%（最大35%）；异步发电机功率因数调节0.95（领先）～0.95（滞后）；异步发电机输出有功功率300～3000kW。

确定功率1.5MW、4极（同步转速1500r/min）、双馈异步发电机运行数据见表2-8及图2-51。

（4）系统的优越性。

1）这种变速恒频发电系统有能力控制异步发电机的滑差在恰当的数值范围内变化，因此可以实现优化风力机叶片的桨距调节，也就是可以减少风力机叶片桨距的调节次数，这对桨距调节机构是有利的。

2）可以降低风力发电机组运转时的噪声水平。

3）可以降低机组剧烈的转矩起伏，从而能够减小所有部件的机械应力，这为减轻部件质量或研制大型风力发电机组提供了有力的保证。

4）由于风力机是变速运行，其运行速度能够在一个较宽的范围内被调节到风力机的最优化效率数值，使风力机的CP值得到优化，从而获得高的系统效率。

5）可以实现发电机低起伏的平滑的电功率输出，达到优化系统内的电网质量，同时减小发电机温度变化。

6）与电网连接简单，并可实现功率因数的调节。

7）可实现独立（不与电网连接）运行，几个相同的运行机组也可实现并联运行。

8）这种变速恒频系统内的变频器的内容取决于发电机变速运行时最大滑差功率，一般电机的最大滑差率为±（25%～35%），因此变频器的最大容量仅为发电机额定容量的1/4～1/3。

4．变速风力机驱动交流发电机经变频器与电网并联运行

由风力机驱动交流（同步）发电机经变频装置与电网并联的原理性框图如图2-52所示，在这种风力发电系统中，风力机可以是水平轴变桨距控制或失速控制的定桨距风力机，也可以是立轴的风力机，例如达里厄（Darrieus）型风力机。

在这种风力发电系统中，风力机为变速运行，因而交流发电机发出的为变频交流电，经整流—逆变装置（AC—DC—AC）转换后获得恒频交流电输出，再与电网并联，因此这种风力发电系统也是属于变速恒频风力发电系统。

如前所述，风力机变速运行时可以做到使风力机维持或接近在最佳叶尖速比下运行，从而使风力机的CP值达到或接近最佳值，实现更好地利用风能的目的。

在这种关系中，由于交流发电机是通过整流—逆变装置与电网连接，发电机的频率与电网的频率是彼此独立的，因此通常不会发生同步发电机并网时由于频率差而产生的冲击电流或冲击力矩问题，是一种较好的平稳的并网方式。

这种系统的缺点是需要将交流发电机发出的全部交流电能经整流—逆变装置转换后送入电网，因此采用大功率高反压的晶闸管，电力电子器件的价格相对较高，控制也较复杂，此外，非正弦形逆变器在运行时产生的高频谐波电流流入电网，会影响电网的电能质量。

5．风力机直接驱动低速交流发电机经变频器与电网连接运行

这种并网运行风力发电系统的特点是：由于采用了低速（多极）交流发电机，因此在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，而成为无齿轮箱的直接驱动型，如图2-53所示。

这种系统中的低速交流发电机，其转子的极数大大多于普通交流同步发电机的极数，因此这种电机的转子外圆及定子内径尺寸大大增加，而其轴长向长度则相对很短，呈圆环状，为了简化电机的结构，减小发电机的体积和质量，采用永磁体励磁是有利的。

由于IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件，它既具有工作速度快，驱动功率小的优点，又兼有大功率晶体管的电流能力大、导通压降低的优点，因此在这种系统中多采用IGBT逆变器。

无齿轮箱直接驱动型风力发电系统的优点主要有以下几点：

（1）由于不采用齿轮箱，机组水平轴向的长度大大减小，电能产生的机械传动路径被缩短了，避免了因齿轮箱旋转而产生的损耗、噪声以及材料的磨损甚至漏油等问题，使机组的工作寿命更加有保障，也更适合于环境保护的要求。

（2）避免了齿轮箱部件的维修及更换，不需要齿轮箱润滑油以及对油温的监控，因而提高了投资的有效性。

（3）由于发电机具有大的表面，散热条件更有利，可以使发电机运行时的温升降低，减小发电机温升的起伏。

德国及加拿大都曾研究开发过中、大型无齿轮箱直接驱动型风力发电机组，德国并已批量生产容量为500kW及1.5MW的大、中型机组。

6．变速风力机经滑差连接器驱动同步发电机与电网并联运行

如前所述，风力机驱动同步发电机与电网并联时，当风速变化风力机变速运行时，同步发电机输出端将发出变频变压的交流电，是不能与电网并联的。如果在风力机与同步发电机之间采用电磁滑差连接器来连接，则当风力机做变速运行时，借助电磁滑差连接器，同步发电机能发出恒频恒压的交流电，实现与电网的并联运行，这种系统的原理如图2-54所示。

电磁滑差连接器是一个特殊的电力机械，它起着离合器的作用，它由两个旋转的部分组成，一个旋转部分与原动机相连；另一个旋转部分与被驱动机械相连，这两个旋转部分之间没有机械上的连接，而是以电磁作用的方式来实现从原动机到被驱动机械之间的弹性连接并传递力矩。从结构上看，电磁滑差连接器与滑差电机相似，在图4-54中，由电枢、磁极、励磁绕组、滑环及电刷组成。其励磁绕组由晶闸管整流器供给电流，励磁电流的大小则由晶闸管控制。

系统的工作原理如下：当风力机的转速由于风速的变化而改变时，电磁滑差连接器的主动轴转速n1将随之变化，但与同步发电机连接的电磁滑差连接的从动轴转速n2，则通过速度负反馈，自动调节电磁滑差连接器的励磁电流而维持不变，也就是使电磁滑差连接器的主动轴与从动轴之间的转速差（即滑差）作相应的变化而保证之，这一点从具有不同励磁电流时电磁滑差连接器的机械特性上就可以看出（图2-55）。

图2-55中表示的为励磁电流分别为Ie 1、Ie 2、Ie3时的M—S特性曲线；M为通过电磁作用施加于从动轴上的力矩；S为滑差，即S=（n1-n2）/n1。设风力发电机组工作于励磁电流为Ie1的M—S特性曲线上的a点，此时力矩为Mn，电磁滑差连接器的主动轴转速为n1，从动轴转速n2=ns（ns为同步发电机的同步转速），现若风速加大，风力机转速n及电磁滑差连接器的主动轴转速n1皆升高，从动轴转速n2也将升高，但通过测速装置及转速负反馈，及时调节励磁电流由Ie1变为Ie2，则风电机组将工作于励磁电流为Ie2的M—S特性曲线上的b点，从而维持作用于同步发电机轴上的力矩为Mn不变，从动轴的转速n2=ns也维持不变，这样同步发电机输出端的电压及频率皆将维持为额定值不变，但此时电磁滑差连接器的滑差已由a点的Sa变为b点的Sb；同理当风速继续增大时，则风力发电机组将由b点过渡到c点，而滑差则由Sb变为Sc。当风速减小时，励磁电流将由Ie3向Ie1的大小变化，而滑差则由Sc向Sa的大小变化。这种系统的优点是当风力机随风速的变化而作变速运行时，可以使风力机的CP值得到优化，同时可以在较宽的滑差变化范围内，在发电机端获得恒频压的交流电，而且发电机输出的电压波形为正弦波，这种系统的缺点是当滑差较大时，有相当大的一部风能将被消耗在电磁滑差连接装置的发热损耗上，使整个系统的效率降低，这种系统由于是变速恒频的发电系统，故也可称作为独立运行的电源运转使用。