异步机发电有两种运行方式：一是并网运行；二是独立运行，各有其特点。
8.1.3.1 与电网并联运行
1.并网方式
异步风力发电机的并网方式有直接并网、降压并网、晶闸管软并网三种。
（1）直接并网。
图8-7 异步发电机直接并网
1）并网条件。①发电机转子的转向与旋转磁场的方向一致；②发电机的转速尽可能接近同步转速。第①条必须严格满足，如两者不一致，可通过接线调整相序来满足；对于第②条，转子转速与同步转速相差越大，并网时对电网冲击越大，对发电机损害越大。
2）并网过程。当风力机将发电机的转速带到同步转速附近（98%～100%）时，测速装置发出自动并网信号，通过断路器合闸完成并网，如图8-7所示。
3）优缺点。优点是简单。缺点是并网前发电机未励磁，定子无电压，并网后有一个吸收无功功率建立磁场的过程，会造成5～6倍额定电流的冲击，引起电网电压下降。
4）适用性。适用于容量较小的场合，百千瓦级以下机组。
（2）降压并网。在发电机和电网之间串接电阻、电抗器或变压器，增加发电机与电网之间的电气距离。并网后，发电机运行稳定时将串联部分切除。缺点是需要投资、运行中消耗功率，不经济。适用于百千瓦级以上较大的机组。
（3）晶闸管软并网。晶闸管软并网是在异步发电机与电网之间每相串入双向晶闸管，如图8-8所示，通过控制晶闸管的导通角来控制并网时的冲击电流，可获得一个平滑的并网暂态过程。
图8-8 异步发电机通过晶闸管软并网
并网过程：当满足并网条件时，发电机输出端断路器闭合，发电机经双向晶闸管接入电网；在控制系统的控制下晶闸管导通角由0°～180°逐渐增大，通过电流反馈对双向晶闸管的导通角实现闭环控制，将冲击电流限制在允许的范围内；并网暂态过程结束后，当发电机转速与同步转速相同时，控制器发出信号，闭合断路器短接双向晶闸管。
2.并网运行特性
在图8-4所示的笼型异步发电机T-s曲线中，D—F区间是发电机稳定运行区间，并网后的发电机运行在直线部分，如图8-9所示。异步发电机接在电网运行时，当风力机传给发电机的功率增加时，转速n增大，转差率|s|增大，发电机输出有功功率也增大。发电机从原来的稳定运行点A1过度到新的运行点A2。
图8-9 笼型异步发电机转矩-转速特性曲线
随着风力的增加发电机的运行点会沿着曲线移动，当移动超过最大转矩点后，发电机进入不稳定运行区，随着输入机械转矩的增加，转速增加，电磁转矩反而减少，发电机转速迅速上升而出现十分危险的飞车现象。因此风力发电机必须配备可靠的失速叶片或限速保护装置，以确保在风速超过额定或阵风时，风力机输出的机械转矩限制在一定范围内，保证发电机输出的电磁功率不超过最大转矩对应的功率。
运行点还受电网电压的影响，异步电机的电磁转矩与电压的平方成正比，当电网电压降低时，最大电磁功率减小，也容易出现飞车现象。
电网故障时往往伴随电压降低，风力发电机必须退出运行，这是风力发电机并网运行面临的一个问题。
3.无功功率补偿问题
异步风力发电机与电网并联运行时带负载能力强，电压、频率稳定，因此在有电网的地区应尽可能并网运行。其优点是接入电网时不需要整步，运行中也不会发生振荡，而这些都是同步发电机做不到的。然而，并网运行时异步发电机需从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场。当发生短路时，除瞬时的短路电流外，不会有大的短路稳定电流，因为此时异步发电机将失去励磁。
异步发电机需要很大的励磁电流，励磁电流约为额定电流的25%～30%，而且励磁电流滞后于电压接近90°，这使电网中同步发电机的功率因数大大降低，使电网无功功率不足，影响电网电压的稳定性。因此，必须给电网并联适当的电容以补偿无功功率。
异步发电机并网增加电网的无功负担，这个缺点比较突出。但是这种电机结构简单，运行可靠，且并网手续方便，只需注意转速应略大于同步转速，即可投入电网。
8.1.3.2 独立运行
异步发电机如果与负载直接相联，其运行必要的励磁电流须由并联在端点上的电容器供给，如图8-10所示。图中，空载特性U=f（Im）是一条饱和曲线；电容线是电容器的特性曲线，它是一条直线，其斜率取决于容抗XC。(www.xing528.com)
图8-10 异步发电机独立运行
1.独立运行异步发电机的电压建立
独立运行的异步发电机的电压建立过程如下：异步发电机的剩磁在定子绕组内产生很小的剩磁电压Ur，该电压加在电容器上产生相应的电容电流IC，该电流流经发电机绕组，从而增加电机磁场强度，使电压上升；随着电压上升，电容电流IC随之增大，二者相互激励直到空载特性曲线和电容线的交点A，即为稳定运行点。
显然，电压的大小与空载特性、转速及电容器有关，电容C增大，则电容线的斜率变小，交点上升，发电机的电压升高；如果电容C过小，两条曲线无明确交点，则发电机无法正常工作，空载时临界电容值可用以下方法估算
式中 X1、Xm——异步电机定子绕组的漏电抗与励磁电抗；
IC——电容电流；
Im——励磁电流；
UN——额定电压；
XC——电容电抗。
因为Im=IC，由此
XC=X1+Xm
则
2.负载变化时的调节
外接电容器的电容应大于临界电容值C，外接电容器通常为三角形连接，是为了节省投资；如星形连接，则电容量为三角形连接的3倍，这样增大了电容器的电容值。
发电机独立运行与并网运行不同，若要保持其电压和频率恒定，必须随着负载的变化相应调节转速和电容。
（1）有功负载增加，转差率|s|增大，要维持f1不变，
，必须提高转速，即增大原动机的输入功率，否则f1下降，并导致端电压下降。
（2）负载感性电流增大，必须加大电容量，才能维持电压不变。
但是这样调节比较困难，给使用带来不便，也较难保证电压和频率恒定。因此单机运行只适用于供电系统无法达到且供电质量要求不太高的偏远地区。
3.主副电容接线方法
（1）主电容器组的选择。主电容器组是空载时保证发电机起动并达到额定输出电压所需的电容器量C，当三相的主电容量总值C确定后，每一相的主电容量为C/3。
（2）副电容器组的连接。副电容器组是为了保持发电机带负荷后端电压不致下降所需增加的电容器C2。副电容器组可按负荷情况分成几个单元，有几个隔离开关分别控制，电压降低时，副电容器组依次投入使用，随着电压的升高断开。当三相的副电容量总值C2确定后，若仅一个单元，每相的副电容量为C2/3；若分两个单元，每相的副电容量为C2/6。
主副电容器接线图如图8-11所示。
图8-11 主副电容器接线图
显然，异步发电机独立运行的关键是铁芯中有剩磁和电压的建立，如果铁芯中没有剩磁，可以事先用蓄电池接在电机某一相的绕组上，通电几秒钟对铁芯进行磁化，或称充磁。这种运行方式通常被用于自成供电体系的小型风力发电机。
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