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    王建維 女，碩士，畢業(yè)于西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，畢業(yè)后在中國(guó)北車集團(tuán)濟(jì)南軌道交通裝備有限公司從事貨車轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)工作，2008年7月轉(zhuǎn)入北車風(fēng)電有限公司從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)和在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面的研究。

    摘要：本文分析了雙饋異步和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理，詳細(xì)比較了兩種發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后得出結(jié)論：短期內(nèi)，DFIG仍將是主流機(jī)型，但隨著國(guó)家對(duì)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的要求越來(lái)越高，具有低電壓穿越能力的永磁同步發(fā)電機(jī)將是未來(lái)風(fēng)機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。

    關(guān)鍵詞：雙饋異步發(fā)電機(jī)；永磁同步發(fā)電機(jī)； 變速恒頻；低電壓穿越

    1 概述

    在過(guò)去的20多年里，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，特別是最近幾年，大型機(jī)組得到迅速推廣應(yīng)用。技術(shù)的不斷進(jìn)步是機(jī)組單機(jī)容量得以不斷擴(kuò)大的基礎(chǔ)。早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部是定槳距失速型風(fēng)機(jī)。由于定槳距機(jī)組葉片的角度不能在風(fēng)速變化時(shí)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)節(jié)，因此無(wú)法在低風(fēng)速時(shí)獲取最大的風(fēng)能；在風(fēng)速為額定風(fēng)速時(shí)功率最大，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定值后，發(fā)電功率又明顯下降，故定槳距失速型風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益不甚理想，因此這種型的機(jī)組很難向大型化方向發(fā)展。目前該類型的產(chǎn)品均為小型機(jī)組，兆瓦級(jí)機(jī)組均不采用此類型的結(jié)構(gòu)。

    隨著技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組發(fā)展到了變槳距系統(tǒng)。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片角度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，在不同的風(fēng)速情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)葉片的角度使攻角保持最佳狀態(tài)，從而獲得較大的轉(zhuǎn)換效率。變槳距機(jī)組的額定風(fēng)速較低，啟動(dòng)性能較好，而且在風(fēng)速超過(guò)額定值時(shí)通過(guò)變槳系統(tǒng)可以有效地控制葉片的迎風(fēng)角度，使得發(fā)電機(jī)有著較為平滑的功率曲線，大大提高了發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量。通過(guò)技術(shù)的不斷提高和新材料的不斷應(yīng)用，葉片結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越簡(jiǎn)單、重量也越來(lái)越輕，易于機(jī)組的大型化，因此大型風(fēng)電機(jī)組多采用變槳距技術(shù)。

    目前，風(fēng)電技術(shù)已發(fā)展到了更先進(jìn)的變速變槳距機(jī)型。變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同時(shí)應(yīng)用了變槳技術(shù)和變速恒頻技術(shù)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可根據(jù)風(fēng)速的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便最大限度地吸收風(fēng)的能量，提高轉(zhuǎn)換效率。由于在發(fā)電機(jī)中采用了變速恒頻技術(shù)，使發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速情況下的出力水平大幅度提高，總體發(fā)電效率得到進(jìn)一步提高。兆瓦級(jí)以上的機(jī)組大都是變速變槳距機(jī)型。

    發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)承擔(dān)了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的任務(wù)，直接影響到轉(zhuǎn)換過(guò)程的效能、效率和供電質(zhì)量。而目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采用兩種類型：雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)。

    2 雙饋異步發(fā)電機(jī)（DF IG）和永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）結(jié)構(gòu)分析

    2.1 DFIG工作原理

    雙饋異步發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與繞線式異步電動(dòng)機(jī)類似，定轉(zhuǎn)子三相對(duì)稱，轉(zhuǎn)子電流由滑環(huán)接入。風(fēng)速的變化通過(guò)增速齒輪箱傳遞到發(fā)電機(jī)，為了保持定子電流頻率的恒定，可以控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，這些工作可以由變頻器來(lái)完成。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高（低）于同步速時(shí)，應(yīng)控制變頻器能量流入（出）電網(wǎng)，這樣就控制了電機(jī)定子向電網(wǎng)供應(yīng)電能頻率的穩(wěn)定。其原理框圖如圖1所示。
                   
                               圖1  雙饋機(jī)發(fā)電原理
    當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n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： 。

    式中： 為定子電流頻率，由于定子與電網(wǎng)相連，所以與電網(wǎng)頻率相同； 為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率， ，p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)； 為轉(zhuǎn)子電流頻率。

    n
    n>n1時(shí)，處于超同步運(yùn)行狀態(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)，變流器的能量流向逆向；

    n=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， =0，勵(lì)磁變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。

    而n=pnm，當(dāng)n發(fā)生變化時(shí)，即p 發(fā)生變化，若控制轉(zhuǎn)子供電頻率做相應(yīng)變化，可使保持恒定不變，與電網(wǎng)頻率保持一致，實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。
            
                                    表1   DFIG 和PMSG結(jié)構(gòu)性能比較  
     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第九期