變速恒頻風力發電機基本原理綜述

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一、風力發電機的運行特性

風力發電機組可以進行風能、機械能、電能的轉換。風能轉換機械能主要通過風力機和它的控制系統來完成，機械能轉換電能是由發電機和控制系統來實現的。

當額定風速滿足不了時，風力機則通過固定的槳葉節距角的控制來正常運行，如果要滿足轉速隨風速的變化而變化時，只需通過風力機的反力矩來進行調節來達到最佳的葉尖速比；當風速較高時，變槳距的系統可以控制槳葉的節距角，而且只需通過機械的調節就能改變風能的利用系數，從而能有效的控制風電機組中速與功率的變化，將其控制在穩定運行的范圍內。DFIG就是通過上面兩個階段來完成控制。

Vw在不同的情況下，風力的最大利用系數Cpmax只能對應一個葉尖速比(λopt)，Cpmax范圍是：0.4～0.59，但由于風向及風速對風力機的干擾，Cpmax實際在0.5左右的范圍內。

實際上由于測量風速的誤差要保證轉速和風速相對應是比較困難的。所以可以通過Cpmax和λopt來計算Pmax，公式：

Pmax=0.5ρπR2CP(λ,β)[(R/λopt)ωr]

理論上講，風速與輸出的功率之間有密切的關系。一般功率會抑制所有的電力以及電力電子器件；轉速會抑制制所有的旋轉部件的機械強度。

二、DFIG的基本原理

雙饋風機(雙饋型變速恒頻風力發電機組,DFIG),是由傳動裝置、轉子變頻器、異步發電機、風輪機、變槳裝置等部分所組成。

DFIG的風輪機的發電機是通過變速齒輪箱帶動的，是繞線式雙饋電機：其轉子通過變換器接入電網，定子則是直接并入到電網，傳輸功率可雙向流動。由于風速和電機轉速不是固定的，可以控制轉子電流的f或調整轉子的轉矩，保證頻率的恒定。

雙饋風機可以在最佳速比及最大功率點運行，所以具有效率高的優點，并且變換器容量只需發電機容量的1/4-1/3，所以成本較低。

定轉子的轉速為n1，勵磁電流在轉子繞組產生的旋轉磁場轉速為n2,轉差率s。轉子側的三相電流的相序由n-n1的符號決定：

(1)當n>n1時，s>0，發電機的狀態為亞同步運行，轉子側產生正相序的勵磁電流；

(2)當n

(3)當n=n1時，s=0，發電機的狀態為保持同步運行，此時轉子中的勵磁電流是直流電流，轉子與電網間沒有能量傳輸。

三、雙饋感應發電機的控制

(一)雙饋感應發電機的等值電路

DFIG的圓周內分布著氣隙均勻的三相繞組，且轉子和定子都具有三相對稱的繞組，磁路和電路也具有對稱性。

(二)最大風能追蹤

DFIG在交流勵磁變速恒頻風力發電中應用比較多。只要將低頻的三相交流電流接入發電機的轉子就可以實現勵磁，通過調整勵磁電流的三要素：幅值、相序、相位，可以保證輸出恒定的頻率電壓。此外還可以通過矢量變換的控制技術獨立調節發電機的有功和無功。要實現最大風能捕獲的追蹤控制需要通過調整有功功率從而控制風力機的轉速；此外還可以通過無功功率的調整來控制功率因數達到系統的動和靜態運行的穩定的目的。

四、風電場并網電壓穩定性分析

隨著電力系統中負荷或輸入功率的上升會引起系統的電壓崩潰。單憑風電場自身不能控制動態電壓，所以需要電網提供風電場無功功率，在發生嚴重故障時，電壓會失去穩定，風電場的保護會被機組切除掉，如果不能正常切除風電機組，系統電壓將不能保持穩定。

恒速風電機組的靜態電壓穩定：穩定狀態運行時，隨著風電場出力的增加，機端的母線電壓會降低，穩定性也會下降。在暫態運行時，故障線路的切除會需要更多的無功功率，也會進一步降低機端的電壓。

暫態電壓穩定：隨著電壓的降低異步發電機的穩定裕度也會降低。在電力系統發生故障時，發電機加速增加會吸收更多的無功，電壓穩定性會降低。風電場異步發電機暫態電壓失去穩定時，會消耗更多的無功功率，需要輕型直流輸電中的換流站提供更多的無功功率給發電機，這樣風電場側電壓能迅速得到恢復，異步發電機輸出的有功功率輸將能很快恢復到穩定狀態。當系統故障消除后，利用有功功率的調節功能和風力機槳距角控制器從而減小發電機的輸入機械功率這，這有利于異步發電機風電場的暫態電壓穩定性的提高，并且加速恢復故障后風電機組的電壓。