1.2　风力发电机的主要类型

同步发电机或异步发电机通常用于连接电网的发电系统。同步发电机和异步发电机在风力发电系统中各有优缺点。使用同步发电机时，发电机的电压可通过调节励磁来调节，它可为电网输出一定量的无功功率，使电网的功率因数得到改善。然而，要使用同步风力发电机，必须额外安装转速调节机构，以保证发电机的转子速度不变，即始终以理想的空载速度运行。此外，发电系统的并网连接设备较多，还必须考虑同步发电机的暂态稳定性。众所周知，异步风力发电机类似于普通的异步发电机，其结构简单、易于制造，电机转子的旋转速度可在较宽的范围内调节，可提高风能的转换效率。另外，异步风力发电机并网装置需要的设备较少，因此故障率也较少。使用异步发电机的一个缺点是，正常运行这种风力发电机需要从电网吸收励磁电流，因此会导致电网电压的较小变化，在电网出现故障期间，有可能会使电网的功率因数和电压降低。

按不同结构分类时，风力发电机的种类较多，且各有优缺点。较为常用的风力发电机通常分为三种类型：恒速恒频感应发电机、变速恒频双馈异步发电机和变速恒频直驱永磁同步发电机。变速恒频风力发电机的优点很多，如调速容易、控制方法灵活、易于实现等，因此是目前应用和研究的热点。

第一种常见的风力发电机是恒速恒频感应风力发电机，由这种风力发电机构成的风力发电机系统的结构如图1.8所示，按从前端到后端的顺序，分别为接收风能的以风轮为主的风力机、变速齿轮箱、异步发电机、软启动装置及三相并联电容器。采用定桨距失速调节时，风力发电机输出恒定频率电压，感应风力发电机会向电网同时吸收有功功率和无功功率。为解决这一问题，通常采用并联电容器组的方法，使整个电网的功率因数得到改善。风能的不确定性会导致恒速恒频发电系统的风能利用不足，风力发电机的功率输出波动较大，因此这种风力发电系统目前正逐步被变速恒频发电系统取代。

第二种常见的风力发电机是变速恒频双馈异步风力发电机。由于双馈异步风力发电机具有诸多优点，因此正逐渐发展为当今的主流机型，其份额约占总装机容量的80%。变速恒频双馈异步风力发电系统与传统的恒速恒频系统相比，其最显著的优点是，风力机使用变桨距角控制，因此能根据风能的变化合理地调整桨距角，进而一直让风能得到最大的转化利用。此外，当风力发电机组在紧急情况下被迫停机时，它能把风力机调整为顺桨状态，有效减少此时的风能捕获，进而减少风力机组的震动和机械冲击，降低机组的故障，达到延长机组使用寿命的目的。

图1.8　恒速恒频风力发电系统的基本组成

变速恒频双馈异步风力发电系统的基本组成如图1.9所示，其发电机的三相定子绕组挂在电网上，发电机的三相转子绕组与转子侧变流器（RSC）相连，经直流母线电容器稳压后，再和网侧变换器（GSC）与电网连接，定子侧变换器和转子侧变换器合称双向背靠背变换器，它们之间有一个起稳压作用的电容器。依靠双PWM变换器完成电机的交流励磁，此时与电网相连的定子侧三相绕组能够输出频率不变的电能，能够实现能量的双向交换，因而控制方式较为灵活，控制效果较好。

图1.9　变速恒频双馈异步风力发电系统的基本组成

第三种常见的风力发电机为变速恒频直驱永磁同步发电机。这种系统的风力机和发电机转子直接相连，可直接驱动，大大降低了机械传动所导致的故障，延长了发电系统机械的寿命。变速恒频直驱永磁同步风力发电系统的基本组成如图1.10所示，同步风力发电机发出的交流电通过定子绕组传递给转子侧变换器，再传递给网侧变换器，通过网侧变换器将发出的电能输送到电力系统网络。可以看出，永磁发电机采取永磁体进行励磁，不从电网吸收有功电流，省去了电刷和滑环装置，使得发电机结构简单、系统的故障率较小，但缺点是极对数量通常较多，因此会使得发电机本身的结构相对复杂，相应的生产成本投入变大。

风力发电系统接入电网时对电力系统的影响，一直是制约风力发电技术推广的主要障碍。近年来，风力发电控制技术不断提高，大规模风力发电场和电网的联系愈加紧密，导致了电力系统结构和维护方式的改变。为解决这一矛盾，熟悉和掌握并网风力发电系统和电力系统协同发展迫在眉睫。下面主要讨论两方面的问题。

图1.10　变速恒频直驱永磁同步风力发电系统的基本组成

首先，风力发电场并网后对系统的影响主要是，影响功率在电网中的流动规律。当风力发电场到其供电的负荷处的距离很长时，配电网发电机发出的电能除向负荷侧流动外，还向电网流动，而能量的流动会使得电力传输系统成为双向流动网络，因此必须对电力网络按双电源重新设计继电保护设备，避免风力发电并入电网时出现的电磁涌流。

其次，并网操作直接改变了电网的调度方式。风力发电具有不易预测的特点，而风力发电机组输出的功率与风速的三次方成正比，因此风力发电机组的输出功率会随着风速的变化而大幅度快速变化，风力发电接入电网后，必然会增加电网的备用容量。通常而言，火电发电机组的投运需要较长的时间，电网的冗余容量不充分时，必须采取措施对风力发电连接电网进行约束，否则就会引起在高峰负荷期风能很少，而在低谷负荷期风能发电量大的问题，进而对电网电力调度工作造成一定的困难，导致电压稳定性大大降低。在风力发电系统中，通常采用异步风力发电机，异步风力发电机的励磁通常来自电网，导致电网的无功功率降低，当电网由于故障等原因导致输出的无功功率不足时，就会使得电网电压下降或发生闪变等问题。为避免以上情况的出现，通常利用并联电容器组、静止同步补偿器等方法来减少对电网的影响。大量研究结果表明，使用STATCOM（静止同步补偿器）对风力发电场进行动态无功补偿，可达到稳态电压调整、暂态电压调整及改善电能质量的目的，确保风力发电顺利并入交流主电网。