变速恒频风力发电机基本原理综述

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一、风力发电机的运行特性

风力发电机组可以进行风能、机械能、电能的转换。风能转换机械能主要通过风力机和它的控制系统来完成，机械能转换电能是由发电机和控制系统来实现的。

当额定风速满足不了时，风力机则通过固定的桨叶节距角的控制来正常运行，如果要满足转速随风速的变化而变化时，只需通过风力机的反力矩来进行调节来达到最佳的叶尖速比；当风速较高时，变桨距的系统可以控制桨叶的节距角，而且只需通过机械的调节就能改变风能的利用系数，从而能有效的控制风电机组中速与功率的变化，将其控制在稳定运行的范围内。DFIG就是通过上面两个阶段来完成控制。

Vw在不同的情况下，风力的最大利用系数Cpmax只能对应一个叶尖速比(λopt)，Cpmax范围是：0.4～0.59，但由于风向及风速对风力机的干扰，Cpmax实际在0.5左右的范围内。

实际上由于测量风速的误差要保证转速和风速相对应是比较困难的。所以可以通过Cpmax和λopt来计算Pmax，公式：

Pmax=0.5ρπR2CP(λ,β)[(R/λopt)ωr]

理论上讲，风速与输出的功率之间有密切的关系。一般功率会抑制所有的电力以及电力电子器件；转速会抑制制所有的旋转部件的机械强度。

二、DFIG的基本原理

双馈风机(双馈型变速恒频风力发电机组,DFIG),是由传动装置、转子变频器、异步发电机、风轮机、变桨装置等部分所组成。

DFIG的风轮机的发电机是通过变速齿轮箱带动的，是绕线式双馈电机：其转子通过变换器接入电网，定子则是直接并入到电网，传输功率可双向流动。由于风速和电机转速不是固定的，可以控制转子电流的f或调整转子的转矩，保证频率的恒定。

双馈风机可以在最佳速比及最大功率点运行，所以具有效率高的优点，并且变换器容量只需发电机容量的1/4-1/3，所以成本较低。

定转子的转速为n1，励磁电流在转子绕组产生的旋转磁场转速为n2,转差率s。转子侧的三相电流的相序由n-n1的符号决定：

(1)当n>n1时，s>0，发电机的状态为亚同步运行，转子侧产生正相序的励磁电流；

(2)当n

(3)当n=n1时，s=0，发电机的状态为保持同步运行，此时转子中的励磁电流是直流电流，转子与电网间没有能量传输。

三、双馈感应发电机的控制

(一)双馈感应发电机的等值电路

DFIG的圆周内分布着气隙均匀的三相绕组，且转子和定子都具有三相对称的绕组，磁路和电路也具有对称性。

(二)最大风能追踪

DFIG在交流励磁变速恒频风力发电中应用比较多。只要将低频的三相交流电流接入发电机的转子就可以实现励磁，通过调整励磁电流的三要素：幅值、相序、相位，可以保证输出恒定的频率电压。此外还可以通过矢量变换的控制技术独立调节发电机的有功和无功。要实现最大风能捕获的追踪控制需要通过调整有功功率从而控制风力机的转速；此外还可以通过无功功率的调整来控制功率因数达到系统的动和静态运行的稳定的目的。

四、风电场并网电压稳定性分析

随着电力系统中负荷或输入功率的上升会引起系统的电压崩溃。单凭风电场自身不能控制动态电压，所以需要电网提供风电场无功功率，在发生严重故障时，电压会失去稳定，风电场的保护会被机组切除掉，如果不能正常切除风电机组，系统电压将不能保持稳定。

恒速风电机组的静态电压稳定：稳定状态运行时，随着风电场出力的增加，机端的母线电压会降低，稳定性也会下降。在暂态运行时，故障线路的切除会需要更多的无功功率，也会进一步降低机端的电压。

暂态电压稳定：随着电压的降低异步发电机的稳定裕度也会降低。在电力系统发生故障时，发电机加速增加会吸收更多的无功，电压稳定性会降低。风电场异步发电机暂态电压失去稳定时，会消耗更多的无功功率，需要轻型直流输电中的换流站提供更多的无功功率给发电机，这样风电场侧电压能迅速得到恢复，异步发电机输出的有功功率输将能很快恢复到稳定状态。当系统故障消除后，利用有功功率的调节功能和风力机桨距角控制器从而减小发电机的输入机械功率这，这有利于异步发电机风电场的暂态电压稳定性的提高，并且加速恢复故障后风电机组的电压。