双馈风力发电机结构分析

双馈异步风力发电机组在实现变速恒频风力发电模式的同时，可配合变桨距风力机灵活地控制风能的转换效率，保证在全风况下风力机输出机械功率的安全与稳定。典型的双馈异步风电机组结构如图2－8所示，机组的主要物理结构包括风力机、齿轮箱、双馈异步发电机、背靠背变换器组成的交流励磁电源、风速计及相关的控制系统。风力机捕获的风能经齿轮箱传递后成为驱动双馈异步发电机发电的机械能，双馈异步发电机的定子直接接入电网，转子部分则通过背靠背变换器间接接入电网，定子和转子侧都能与电网进行功率的交换。

图2-8　典型的双馈异步风电机组结构

各部分的主要作用概述如下：

（1）风力机是风力发电系统最重要的组成部分之一，它可以实现将风能转化为驱动发电机发电的机械能。目前主流应用为三叶片的水平轴风力机，可以实现变速和变桨距运行，转速根据风速调整以提高风能输出效率和电能质量。风力机中的变桨距系统在保证桨距角变化速度与角度在安全范围的前提下，跟踪桨距角控制器计算出的桨距角参考值，利用轮毂里面的机电或液压设备可以使全部叶片或单独每个叶片绕其中轴线转动，从而改变风力机的桨距角。桨距角控制系统可以限制高风速下风力机输出的机械功率，保护风力机在高风速下的安全和稳定。在低于额定风速时，通常使风力机的桨距角为最小值保持定桨距工作状态，保证较高的风能转换效率。(www.xing528.com)

（2）齿轮箱用于连接风力机和发电机，实现低转速的风力机和高转速的风力发电机之间的连接匹配。由于三叶片水平轴风力机的转速仅为6～20 r／min，远远小于风力发电机的额定转速（一般为1 500 r／min左右），所以必须采用多级齿轮箱的方式升速。

（3）双馈异步风力发电机完成的是机械能到电能的转换。双馈异步发电机产生的电能主要依靠定子侧直接向电网输出，转子侧也可以通过背靠背变换器间接地与电网实现功率交换。双馈异步发电机兼具异步发电机和同步发电机的特点：双馈发电机的转子转速可以不同于同步转速，与异步发电机一样运行转速不会受制于电网电压频率和风力发电机的极对数，由于双馈发电机转子侧的励磁由背靠背变换器产生的交流电流完成，可以像同步发电机一样通过控制励磁电流灵活地改变有功和无功功率输出以及发电机的功率因数。

（4）背靠背变换器是连接在电网和转子绕组之间的一个可以产生频率、相位和幅值可变的励磁变换器，对双馈异步发电机的转子绕组提供励磁电流，也为转差功率在发电机转子侧和电网之间的流动提供途径。其由转子侧变换器（Rotor Side Converter，RSC）、网侧变换器（Grid Side Converter，GSC）和直流母线电容组成。网侧变换器直接与电网相连，其作用是通过控制与电网交换的功率维持直流母线电容电压的稳定并且可调节功率因数。转子侧变换器与双馈电机的转子绕组相连，作用是通过产生励磁电流的方式控制双馈发电机定子侧输出的有功和无功功率，并保证不同转子转速下的恒频发电。双馈风力发电系统中的背靠背变换器是一个双向变换器，允许转差功率在变换器中双向流动，亚同步运行时转差功率由电网注入双馈发电机，在超同步时则由发电机转子侧流向电网，所以扩大了双馈风力发电机的转速范围。

（5）风速计包括超声风速风向仪、搭配微型风力机的光电转速传感器、相干激光雷达等风速采集及信息处理装置，可以较为精确地预先探测风力机一定距离的来流风速，计算出风力机叶轮扫掠面的等效风速，是风电场测量系统重要的一部分。在实际中为了获得更可靠和准确的数据，一套风力发电机组通常装配多个风速传感器。测量的风速信息可以参与前馈控制，辅助风电场的发电主动控制技术。