【正文】 (定子繞組也可只有一套繞組，但需有 6 個(gè)出線端，3 個(gè)為功率端口，接工頻電網(wǎng)；另外 3 個(gè)出線端為控制端口，通過變頻器接電網(wǎng))。該系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)為無刷雙饋發(fā)電機(jī)。這種采用交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，減小變頻器的容量外，還可實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率的靈活控制，對(duì)電網(wǎng)而言可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的 1 /4～1 /3，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr 變化時(shí)，改變轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速ωs ，可使定子旋轉(zhuǎn)磁場ω1 保持恒定，達(dá)到變速恒頻的目的。系統(tǒng)為了得到恒頻輸出，由變頻器提供這個(gè)磁場旋轉(zhuǎn)速度ωs ，與轉(zhuǎn)子的低頻勵(lì)磁電流在轉(zhuǎn)子中形成一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)磁場，機(jī)械轉(zhuǎn)速ωr 相加等于定子磁場同步轉(zhuǎn)速ω1 ，即 ω1 = ωs 177。這是變速恒頻中的優(yōu)化方案。饋電方式則和雙饋電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)相似，即定子繞組接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組則由一套交—交或交—直—交變頻器提供頻率、相位、幅值都可調(diào)節(jié)的電源，實(shí)現(xiàn)恒頻輸出， 還通過改變勵(lì)磁電流的幅值和相位實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功、無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。 交流勵(lì)磁雙饋型變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)該系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)。采用永磁發(fā)電機(jī)可做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，省去齒輪箱，即為直接驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，可大大減小系統(tǒng)運(yùn)行噪聲，提高可靠性。 永磁發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)該系統(tǒng)與籠型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類似，只是所采用的發(fā)電機(jī)為永磁式發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，無需外部提供勵(lì)磁電源，提高了效率。 而且由于變頻器直接和電網(wǎng)相連接, 不可避免地對(duì)電網(wǎng)造成一些諧波污染。采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制以及網(wǎng)側(cè) PWM 整流的方法把頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能, 這樣就實(shí)現(xiàn)變速恒頻。采用的發(fā)電機(jī)為籠型轉(zhuǎn)子, 風(fēng)力機(jī)通過變速箱拖動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子, 而電機(jī)的定子繞組通過變頻器和電網(wǎng)相連接?？赏ㄟ^定子繞組與電網(wǎng)間的變頻器，把變頻的電壓轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電壓。其變速恒頻控制策略在定子電路實(shí)現(xiàn)。以下就常用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的 5 種變速恒頻控制方案進(jìn)行簡單的論述。變速恒頻發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有多種形式：交—直—交系統(tǒng)，變流勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電系統(tǒng)、同步異步變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)速恒定區(qū)域，保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，功率在到達(dá)極限值之前仍一直增大。因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體控制如圖 。當(dāng)槳葉節(jié)距角向增大方向變化時(shí)，Cp值得到了迅速有效的調(diào)整，從而控制了由轉(zhuǎn)速引起的發(fā)電機(jī)反力矩及輸出電壓的變化。因?yàn)樵诟哂陬~定風(fēng)速時(shí)，我們追求的是穩(wěn)定的功率輸出。在變速風(fēng)力機(jī)的開發(fā)過程中，對(duì)采用單一的轉(zhuǎn)速控制和加入變槳距控制兩種方法均作了大量的實(shí)驗(yàn)研究。高于額定風(fēng)速時(shí)，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速能力主要用來提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性。在轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，保持轉(zhuǎn)速恒定，隨著風(fēng)速增大，Cp值減少，但功率仍然增大。用目標(biāo)功率與發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)功率之偏差驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到平衡。為避免這些問題,在很多情況下通過控制發(fā)電機(jī)輸出有功功率來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁阻轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω可以通過風(fēng)力機(jī)槳葉變節(jié)距調(diào)節(jié),也可以通過控制發(fā)電機(jī)輸出功率調(diào)節(jié)。根據(jù)方程(2—1)(2—3),令λ=λopt，則可得風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在曲線上輸出的最大功率的方程為：Popt = ρ AC pmax ( Rωw )3 / 2λopt = kω w3 （2—5）可以看出，在同一風(fēng)速下，不同的轉(zhuǎn)速會(huì)使風(fēng)力機(jī)輸出不同的功率，要想追蹤曲線，必須在風(fēng)速變化時(shí)及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速，保持最佳葉尖速比。通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐漸進(jìn)入CP恒定區(qū)（CP=Cpmax）這時(shí)機(jī)組在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。圖 為三個(gè)運(yùn)行區(qū)域的CP值變化情況圖變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳葉節(jié)距角開始是恒定的。在更高的風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械和電氣極限要求轉(zhuǎn)子速度和輸出功率維持在限定值以下，這個(gè)限制就確定了變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的第三個(gè)運(yùn)行階段，該階段稱為功率恒定區(qū)。為了使風(fēng)輪能在CP最大區(qū)運(yùn)行，速能夠被控制以跟蹤風(fēng)速的變化。第二階段是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切入電網(wǎng)后運(yùn)行在額定風(fēng)速以下的區(qū)域，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始獲得能量并轉(zhuǎn)換成電能，從理論上來說，根據(jù)風(fēng)速的變化風(fēng)輪可以運(yùn)行在任何轉(zhuǎn)速下，但是由于受到運(yùn)行轉(zhuǎn)速的限定，不得不將該階段分成兩個(gè)區(qū)域，即變速運(yùn)行區(qū)域和恒速運(yùn)行區(qū)域。第一階段是起動(dòng)階段，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從靜止上升到切入速度。對(duì)于不同的節(jié)距角，風(fēng)機(jī)擁有不同的效率?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)目刂疲癸L(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速可變，使風(fēng)力機(jī)的尖速比處于或接近于最佳值，從而最大限度的利用風(fēng)能。恒速恒頻的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，而風(fēng)速又經(jīng)常變化，顯然Cp不可能保持在最大值。根據(jù)槳葉節(jié)距角β為一定時(shí),風(fēng)力機(jī)CPλ曲線可知：對(duì)于一臺(tái)確定的風(fēng)力機(jī),在槳葉節(jié)距角β不變時(shí)總有一個(gè)對(duì)應(yīng)著最佳功率系數(shù)CPmax的最佳葉尖速比λopt,此時(shí)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)換效率最高。風(fēng)力機(jī)的作用是從空氣中獲取能量，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。第二章 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電電機(jī)及其系統(tǒng)變速恒頻發(fā)電技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)受到了人們的廣泛關(guān)注，使它越來越多地被應(yīng)用到大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中。如果將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)直接禍合，省去變速齒輪箱，這樣可以大大降低成本，減少維護(hù)，并且可以降低系統(tǒng)噪音，避免變速箱漏油的問題；交流勵(lì)磁雙饋型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和無刷雙饋型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的變換器容量僅為系統(tǒng)總?cè)萘康囊徊糠郑赃@兩種方案適用于大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其他方案例如交直交系統(tǒng)適用于小容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。無刷雙饋型發(fā)電機(jī)具有與有刷雙饋型異步發(fā)電機(jī)相同的特性，但沒有滑環(huán)和電刷，既降低了電機(jī)的成本，又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。由式(16)可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速氣變化時(shí)，即幾變化時(shí)，若控制關(guān)相應(yīng)變化，可使其保持恒定不變，實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制。 f c = ( p p + pc ) f m (15) 式中： fp為定子功率繞組電流頻率；fc為定子控制繞組電流頻率；pp為定子功率繞組的極對(duì)數(shù)；pc為定子控制繞組的極對(duì)數(shù)；fm由于其與電網(wǎng)相連，與電網(wǎng)頻率相同。無刷雙饋型發(fā)電機(jī)定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當(dāng)于交流勵(lì)磁雙饋型異步發(fā)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，因此，盡管這兩種發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制有著區(qū)別，但卻可以通過同樣的控制策略實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。其定子有兩套極數(shù)不同的繞組，一為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一為控制繞組，通過雙向變換器接電網(wǎng)。矩陣式交交變換器的輸入、輸出特性較好，功率可以雙向流，主電路結(jié)構(gòu)簡單，但控制方法還不成熟，需要依賴更加成熟的雙向開關(guān)器件。6脈波、36 管的交交變換器輸出電壓富含低次諧波，嚴(yán)重影響發(fā)電質(zhì)量，必須進(jìn)行諧波抑制。雙PWM型變換器輸入輸出特性好，能量可以雙向流，是雙饋型異步發(fā)電機(jī)較理想的一種勵(lì)磁變換器。雙饋型異步發(fā)電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁變換器的主要要求是輸入、輸出特性好，功率可以雙向流動(dòng)。由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，僅為定子額定功率的一部分，因此圖中所示的雙向勵(lì)磁變換器的容量僅為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，成本將會(huì)大大降低。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速nr小于同步轉(zhuǎn)速n1時(shí)，處于亞同步狀態(tài)，此時(shí)勵(lì)磁變換器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，電機(jī)由定子發(fā)出電能給電網(wǎng)；當(dāng)nr n1時(shí)，處于超同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)同時(shí)由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，勵(lì)磁變換器的能量流向逆向；當(dāng)nr =n1時(shí)，處于同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行，f2=0，勵(lì)磁變換器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可使定子頻率恒定，即應(yīng)滿足：f1 = pn f m + f 2 (14)式中：?m為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率， m=nm/60， m為發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速；pn 為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；?n?1為電網(wǎng)頻率； ?2 為轉(zhuǎn)子電流頻率。這種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)與交直交系統(tǒng)類似，也是電力電子變換裝置處在主電路中實(shí)現(xiàn)全功率變換，因而容量較大；④發(fā)電機(jī)要經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，不能利用通常形式的發(fā)電機(jī)。輸出電壓的頻率和相位取決于勵(lì)磁電流的頻率和相位，正是這一特點(diǎn)使得磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)非常適合于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。再通過晶閘管開關(guān)電路使這個(gè)正弦脈動(dòng)波的一半反向，得到圖 (d)。發(fā)電機(jī)本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻率?r，與普通同步電機(jī)不同的是，它不用直流勵(lì)磁，而是用頻率為?m的低頻交流勵(lì)磁(?m即為所要求的輸出頻率，一般為 50 Hz)，當(dāng)頻率?m遠(yuǎn)低于頻率?r時(shí)，發(fā)電機(jī)三個(gè)相繞組的輸出電壓波形將圖 (?m+?r)和(?m?r)的兩個(gè)分量組成的調(diào)幅波，如圖 (b)所示，這個(gè)調(diào)幅波的包絡(luò)線的頻率是?m，包絡(luò)線所包含的高頻波的頻率是?r。這類系統(tǒng)可以采用同步發(fā)電機(jī)、籠型異步發(fā)電機(jī)、繞線式異步發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)。因此，變頻器的容量和發(fā)電機(jī)的容量相同。由于風(fēng)速的不斷變化，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)也隨之變速運(yùn)行。變速恒頻發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有多種形式，有的是通過發(fā)電機(jī)與電力電子裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)變速恒頻，有的是通過改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻。 (3)采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)，可使發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)良好的柔性連接，比傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)操作及運(yùn)行。同時(shí)采用矢量變換控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出有功功率、無功功率解藕(簡稱 P、Q 解藕)控制。采用變速恒頻發(fā)電方式，就可按照捕獲最大風(fēng)能的要求，在風(fēng)速變化的情況下實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之始終運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速上，從而提高了機(jī)組發(fā)電效率，優(yōu)化了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行條件。(1)風(fēng)能是一種具有隨機(jī)性、爆發(fā)性、不穩(wěn)定性特征的能源。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速3%5%時(shí)達(dá)到最大值，若超過這個(gè)轉(zhuǎn)速，異步發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，引起飛車，這是十分危險(xiǎn)的。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，多采用籠型異步電機(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)后在電機(jī)機(jī)械特性曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運(yùn)行，異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征和控制技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可分為恒速恒頻(Constant Speed Constant Frequency，簡稱 CSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency，簡稱 VSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。控制系統(tǒng)采取的控制手段可以較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率，但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。變速恒頻這種調(diào)節(jié)方式是目前公認(rèn)的最優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，也是未來風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的主要方向。機(jī)組在葉片設(shè)計(jì)上采用了變槳距結(jié)構(gòu)。主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點(diǎn)是具備了定槳距失速型的特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變槳距調(diào)節(jié)，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，減弱了機(jī)械剎車對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，控制較為容易，輸出功率較平穩(wěn)。 主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相結(jié)合，充分吸取了被動(dòng)失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。槳距角可以隨風(fēng)速的大小而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能多的吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)在高風(fēng)