变速恒频发电系统的工作原理和优势

变速恒频是指发电机的转速随风速变化，发出的电流通过适当的变换，使输出频率与电网频率相同。

笼型感应发电机变速恒频风力发电系统如图4-16所示，其定子绕组通过AC／DC／AC变流器与电网相连，变速恒频变换在定子电路中实现。当风速变化时，发电机的转子转速和发电机发出的电能的频率随着风速的变化而变化，通过定子绕组和电网之间的变流器，将频率变化的电能转化为与电网频率相同的电能。

图4-16 笼型感应发电机变速恒频风力发电系统

为了使额定功率运行时输出功率稳定，笼型感应发电机变速恒频风力发电系统常做成变桨矩的。

在这种变速恒频风力发电系统中，采用的是全额变流器，其额定功率与感应发电机的额定功率相等，从而用小变速箱和全额变流器取代了定速系统的大变速箱。从风轮转速到额定电网频率的速度转换由变速箱和全额变流器共同完成，这将减小机械速率转换造成的总功率损失，空载损耗减少了，机组就可以在低风速时起动运行。

全额变流器是一种由直流环节连接的两组电力电子变流器组成的背靠背变流系统。这两个变流器分别为电网侧变流器和发电机侧变流器。发电机侧变流器接受感应发电机产生的有功功率，并将功率通过直流环节送往电网侧变流器。发电机侧变流器也用来通过感应发电机的定子端对感应发电机励磁。电网侧变流器接受通过直流环节送来的有功功率，并将其送到电网。也就是说，它平衡了直流环节两侧的电压。根据所选的控制策略，电网侧变流器也用来控制功率因数和支持电网电压。

当感应发电机通过AC／DC／AC变流器与电网连接时，发电机和电网不交换无功功率，因此，感应发电机通过发电机侧变流器励磁。为了减少发电机侧变流器的额定功率，可在发电机机端安装固定电容。在高负载运行时，感应发电机由固定电容和发电机侧变流器共同励磁；在低负载运行时，感应发电机由固定电容励磁，发电机侧变流器可吸收多余的无功功率。

当感应发电机通过AC／DC／AC变流器与电网连接时，风力发电机组可以在较大的范围内变速，优化了功率输出特性。图4-17所示为发电机电气频率与风力发电机组输出功率间的优化关系。

图4-17 发电机电气频率与风力发电机组输出功率间的优化关系(www.xing528.com)

为了具备故障穿越能力，在断路故障发生时，电网侧变流器不允许出现永久跳闸，而是在电网故障时保持不间断运行。在严重情况下，电网侧变流器不但能迅速闭锁，还能在电网处于低电压运行时就已重启。当电网侧变流器穿越故障时，该变流器的全额容量可设置为控制无功功率和支持电网重建电压。

直流环节发生过电压时，发电机侧变流器将停止向直流环节馈入有功功率，停止对电容器进一步充电。这可以通过以下两种方法实现：

1）发电机侧变流器的IGBT停止切换并导通，这时感应发电机通过整流桥与直流环节电容器连接，如图4-18所示。当发电机端（一相）残压大于整流桥两端的直流电压时，发电机仍然会向直流环节注入电流。发电机机端残压U_G由转子回路电流I_R感应得到，并能保持数秒。随着转子回路电流的衰减，感应发电机去磁，机端残压U_G也随之衰减。切掉发电机机端的固定电容器也有助于减小残压。当残压低于整流桥两端的直流电压时，注入直流环节的电流随之停止。完成这一过程要数毫秒。

图4-18 发电机侧变流器的闭锁

这种方案虽然可以实现变速恒频的目的，但因变流器连在定子绕组中，变流器的容量要求与发电机的容量相同，整个系统的成本和体积增大，在大容量发电机组中难以实现。此外，笼型感应发电机需从电网中吸收无功功率来建立磁场，使电网的功率因数下降，需加电容补偿装置，其电压和功率因数的控制也较困难。

2）发电机侧变流器虽然保持不间断运行，但可以调整控制策略。例如，直流环节电压过高，可将功率基准值立即减小，甚至设为负值。发电机感应的电气频率随新的功率基准值变化。发电机侧变流器停止向直流环节馈入有功功率，甚至吸收一些有功功率来降低直流环节电压。在此过程中，桨矩角变化控制发电机转速。

直流环节处于临界过电压时，限幅器将被触发，使直流环节电容器放电，并使直流环节电压恢复正常。由于限幅器自身可能出现热过载，因此，限幅器动作的持续时间只有几毫秒。由IGBT开关和电阻构成的限幅器必须充分可靠。当发电机侧变流器闭锁或将功率基准值置0时，电网侧变流器的全部容量用作控制无功功率及支持电网电压重建。

当电网电压重建后，发电机侧变流器重新起动，风力发电机组将会在数秒内恢复正常运行。

笼型感应发电机变速恒频发电系统的主要优点是：变速箱小，降低了总功率消耗；可变速运行，即更好的优化输出功率；以及使用全额变流器式无功功率可控。缺点是：变流器接在定子绕组中，所需容量较大，电力电子装置价格较高。同时，非正弦逆变器在运行时产生的高频谐波电流流入电网，将会影响电网的电能质量。