变速恒频风力发电技术：提高发电效率的必备技术

变速恒频技术的提出是相对于传统的恒速恒频技术而言的。对于一个交流发电系统，如果直接由原动机（包括风轮机、水轮机、柴油或者汽油发动机等）带动交流发电机发电，发出来的是变频交流电，这是由于驱动发电机的原动机转速是变化的缘故。为获得恒频的交流电，有两种途径：一种是采用恒转速传动装置，将原动机的旋转由变速转化为恒速来拖动发电机，这就是恒速恒频（Constant Speed Constant Frequency，简称CSCF）发电系统所采用的办法；但是恒转速传动装置是精密仪器，生产制造和使用维护困难，能量转换效率低，电能质量难以进一步提高。另一种是让发电机与原动机同轴连接，取消了恒转速传动装置，发电机的转速随着原动机的变化而变化，采用电子变换器使输出的电能频率恒定，这就是近年来兴起的变速恒频（Variable Speed Constant Frequency，简称VSCF）技术。因为扩大了原动机的转速范围，舍弃了恒转速传动装置，系统的体积和重量大大降低，能量变换效率得到了提高，通过先进的控制技术，输出的电能质量也会得到改善。

变速恒频技术具有独特的技术优势，允许与发电机直接连接的原动机在一定范围内的转速变化，便于原动机工作在最佳工作点，因而可以明显地提高发电系统的效率和发电系统的稳定性。而且可以减小发电系统的体积和重量，增加控制的灵活性，因而其在船用轴带发电、机载电源、风力发电、潮汐发电、余热发电、水力发电、小功率移动电源等场合取得了很大的技术优势，具有巨大的应用前景。

恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变化，因此叶尖速比不可能经常保持在最佳值，风能利用系数值往往与最大值相差很大，这使风力机常常运行于低效状态。而变速恒频风力发电技术则很好地解决了这一问题，风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力机的风能利用系数保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度地利用风能，提高了风力机的运行效率。自20世纪90年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式，特别是MW级以上大容量风电系统。目前变速恒频风力发电方案主要有以下方式。

1.双绕组双速异步发电机系统

这种电机有两个定子绕组，嵌在相同的定子铁芯槽内，在某一时间内仅有一个绕组在工作，转子仍然是通常的笼型或绕线型，电机的两种转速分别决定于两个绕组的极对数。双速机组比单一转速机组有较高的年发电量，缺点是它属于不连续变速，系统不能获得变速运行的所有好处。这种发电机总有一个绕组未被利用，价格也较高，而且两个绕组何时切换是该系统控制的难点。

2.高滑差异步发电机系统

由于普通异步电机转差变化范围很小（5%左右），所以其转子转速变化的范围也很小，人们借鉴在电动机转子上串电阻可以调速的知识，采用现代电力电子技术控制转子电阻，从而达到调速的目的。这种电机的代表是Vestal的V39型风机，其最大转差率可达10%。

3.采用电磁转差离合器的同步发电机变速恒频系统

电磁离合器—同步发电机变速恒频原理图如图7-1所示，齿轮箱连接的高速轴转速为ω1，随着输入风速的变化，ω1也是变化的，采用速度负反馈通过电磁转差离合器可使同步电机的转速ω2保持不变，因而发电机可输出恒压恒频的交流电。该系统的优点是控制线路简单，发电输出电压波形好。缺点是效率低，相当一部分风能消耗在转差离合器磁极的发热上。

图7-1　电磁离合器—同步发电机变速恒频原理图

4.采用变频器—异步发电机变速恒频系统

变频器—异步发电机变速恒频原理图如图7-2所示，由于风速的不断变化，带动风轮机以及发电机的转速也随之变化，所以发电机发出电的频率也是变化的。通过定子绕组与电网之间的变频器把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能，然后送入电网。这种方案尽管实现了变速恒频，具有变速运行的优点，但是由于变频器在定子侧，变频器的容量显著增加，尤其对大容量风力发电系统来说更为突出。采用异步发电机的另一个缺点是需要从电网吸收滞后的无功励磁功率，从而降低电网功率因数，因此要附加额外的无功补偿装置，同时电压和功率因数控制也比较困难。

图7-2　变频器—异步发电机变速恒频原理图

5.交流励磁双馈发电机变速恒频系统

交流励磁双馈发电机变速恒频原理如图7-3所示，变速恒频双馈风力发电机组是当前国际风力发电的新技术。它的发电机采用双馈感应发电机，其定子接入电网，转子绕组由频率、幅值、相位可调的电源供给三相低频励磁电流。这个低频励磁电流相对于转子形成一个低速旋转磁场，旋转速度为r。该磁场转速与转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速s，这便使发电机定子绕组感应出了同步转速的工频电压。当风速变化时，调解转子励磁电压相量，使转子机械转速随风速的变化而变化，在发生变化的同时，转子旋转磁场的转速r也应发生相应的变化来补偿发电机转速的变化，以达到变速恒频稳定运行的目的。

图7-3　交流励磁双馈发电机变速恒频原理图(www.xing528.com)

当转子电压幅值和相位改变时，由转子电流产生的转子磁场，在电机气隙空间的位置产生一个位移，从而改变了电机的功率角。因此，调节发电机转子励磁电压不仅可以调节风电机组定子侧无功功率，还可以调节定子侧有功功率。对电网而言，它即可输出无功功率起到就地无功补偿的作用，又可以吸收过剩无功功率起到调节电压的作用。另外，变频器安装于转子侧，其容量仅为发电机额定容量的一小部分（约为20%～30%），这也大大节省了成本。因此，变速恒频双馈发电机组的众多优点，使得该种机型成为当前风电机组的主流机型和研究焦点。但它的缺点在于双馈感应发电机能量关系复杂，控制变量较多，传统的控制手段难以达到运行要求。

长期以来，较常采用的发电机是同步发电机，其次是异步发电机。同步发电机采用直流励磁，而异步发电机没有专门的励磁绕组，其磁场由定子励磁电流建立。近年来，随着电力电子技术和微机控制技术的发展，双馈型异步发电机（Doubly-Fed Induction Generator，简称DFIG）得到了广泛的重视。DFIG在结构上类似绕线式异步电机，具有定子、转子两套绕组。在控制中，DFIG转子一般由接到电网上的变换器进行交流励磁。由于实际上发电机的定、转子都参与了励磁，“双馈”的含义因此而得。DFIG兼有异步发电机和同步发电机的特性，如果从发电机转速是否与同步转速一致来定义，DFIG应当被称为异步发电机，但DFIG在性能上又不像异步发电机，相反具有很多同步发电机的特点。例如，异步发电机是通过定子由电网提供励磁，本身无励磁绕组，而DFIG与同步发电机一样，具有独立的励磁绕组；异步发电机无法改变功率因数，DFIG与同步发电机一样可调节功率因数。所以DFIG可称为交流励磁同步发电机，或称为同步感应发电机，又可称为异步化发电机。实际上，它是具有同步发电机特性的交流励磁异步发电机，相对于同步发电机，DFIG具有很多的优越性。双馈式风力发电机组总体结构如图7-4所示。

图7-4　双馈式风力发电机组总体结构图

同步发电机励磁电流的可调量只有幅值，所以一般只能调节无功功率。而DFIG实行交流励磁，可调量有三个：一是励磁电流幅值；二是励磁电流频率；三是励磁电流相位。由于DFIG励磁电流的可调量比同步发电机多了两个，控制上更加灵活，通过改变转子励磁电流频率，DFIG可以实现变速恒频运行，改变转子励磁电流的相位，使转子电流产生的转子磁场在气隙空间上有一个位移，改变了发电机电势相量与电网电压相量的相对位置，调节了发电机的功率角，所以交流励磁不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。当发电机吸收无功功率时，往往由于功率角变大而使运行稳定性降低。通过调节交流励磁的相位，可减小发电机的功率角，使机组的运行稳定性提高，可更多地吸收无功功率，改善目前由于晚间负荷下降造成电网电压过高的不利局面。利用矢量变换控制技术，综合改变DFIG转子励磁电流的相位和幅值，可以实现DFIG输出有功功率和无功功率的解耦控制，因此，在功率调节上DFIG较同步发电机有更多的优越性。双馈式发电机外形如图7-5所示。

图7-5　双馈式发电机外形图

由于DFIG具有同步发电机所不具备的变速恒频运行的能力，其明显的优势如下：

（1）在原动机变速运行场合中，实现高效、优质发电。在很多发电场合中，原动机转速是时刻变化的，如潮汐电站中，水头是变化的，使水轮机转速也相应变化；风力发电中，随风速的变化风力机转速也会变化；船舶与航空发电机的转速跟着推进器的速度而变化。以往的发电方式中，由于受电网频率和同步发电机特性的限制，发电机转速不能变，迫使原动机在不同水头、不同风力等情况下维持一个转速，使得机组运行效率降低，原动机磨损增大，发电质量下降或被迫降低出力，甚至停机。DFIG可通过调节转子励磁电流的幅值、频率与相位，在原动机速度变化时也可保证发出恒定频率的电能，从而提高了机组的运行效率，降低了机组的磨损，延长了机组的使用寿命。

（2）能参与电力系统的无功功率调节，提高系统稳定性。现代电力系统的发展趋势是单机容量越来越大，送电距离日益增长，输电线电压等级逐渐提高。此外，电网负荷变化率也随社会需求越来越大，经常出现输电线传输有功功率高于其自然功率的工况。这时线路出现过剩无功功率，引起持续工频过电压，这会危及系统的安全运行并增加损耗。目前解决的办法是在线路上加装静止电抗器、调相机或静止无功补偿器，或要求发电机进相运行，这些措施提高了运行的技术和经济成本。

由于DFIG可以调节励磁电流的相位，达到改变功率角使发电机稳定运行的目的，所以可通过交流励磁使发电机吸收更多无功功率，参与电网的无功功率调节，解决电网电压升高的弊病，从而提高电网运行效率、电能质量与稳定性。

（3）可实现发电机安全、便捷的并网。采用同步发电机或异步发电机时，并网控制较为复杂，往往需要精确的转速控制和整步、准同步操作。而采用DFIG时，通过对转子实施交流励磁，精确地调节发电机定子输出电压，使其满足并网要求，实现安全而快速的“柔性”并网操作。

从上面的讨论中可以看出，具有变速恒频运行的能力是DFIG一个非常重要的优势。DFIG变速恒频的运行原理如图7-6所示。

图7-6中f1、f2分别为DIFG定、转子电流的频率，n1为定子磁场的转速，即同步转速，n2为转子磁场相对于转子的转速，nr为DFIG转子的电转速。由电机学的知识可知，DFIG稳定运行时，定、转子旋转磁场相对静止，即

因f1=及f2=故有

图7-6　DFIG变速恒频运行原理图

从式（7-2）可知，当发电机转速nr变化时，可通过调节转子励磁电流频率f2保持定子输出电能频率f1恒定，这是变速恒频运行的原理。当发电机亚同步运行时，f2＞0，转子绕组相序与定子相同；当发电机超同步运行时，f2＜0，转子绕组相序与定子相反；当发电机同步速运行时，f2=0，转子进行直流励磁。