这一篇讲述下什么是变速恒频风力发电技术，你学会了吗？

变速恒频发电技术是随着高性能半导体器件的出现、不断更新以及变流技术日趋成熟应运而生的，它伴随着现代电力电子技术、微电子技术的进步和新的控制方式的提出而不断发展。

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。

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。

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%。

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ω 1 ，随着输入风速的变化，ω 1 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ω 2 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。

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。

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。

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。