并网型风力发电机组的运行方式

10kW以上的风力发电机组采用并网型风力发电机组，并网型风力发电机组的运行方式有两种：恒速恒频方式和变速恒频方式。

1、恒速恒频方式

恒速恒频方式的特点是风力发电机组的转速保持恒定，不随风速的大小而变化，输出恒幅恒频的交流电。由于有简单可靠的优点，恒速恒频方式在早期得到广泛的应用。它的缺点是对风力的利用不充分，只有在一定的叶尖速比的情况下，才能得到最高的风能利用率。

恒速恒频发电系统的原理框图如图2所示。叶片将风能转换为机械能，通过变速齿轮带动异步发电机转动。当转速略大于同步转速，转差率s和转矩te变负，电动机处于发电状态。当风速变化时，利用调向机构来控制转速。

凋向机构的作用是调整风力机的风轮叶片旋转平面与空气流动方向的相对位置。当风轮叶片旋转平面迎对空气流动的方向，即两者相互垂直时，风力机获得的风能最大，风轮叶片转速最大，风力发电机的输出功率最大。在中小型风电场中，采用伺服电动机驱动齿轮传动装置来完成调向，而伺服电动机的转动信号来自风信标。风信标给出正负信号，伺服电动机便正反转，所以调向机构可以两个方向调向。由于风速不断变化，需要不问断地调向，调向机构多次反复动作，极容易疲劳损坏。再者，当大风速时，仍要保持恒速，风力机需要承受大的机械应力，要求具有高强度。恒速恒频发电系统适用于1000千瓦以下的中小型风电场。

2、变速恒频方式

与恒速恒频方式不同，变速恒频方式是采用同步发电机或双馈发电机（也叫绕线异步发电机），当风速变化较小时，与恒速恒频方式一样，通过调向机构调节转速。当强风来到时，通过倾角控制器调节风轮叶片的倾角达到调节转速的目的。在低风速时利用调向机构调节转速，在高风速时利用倾角控制器调节转速，两个转速调节装置交替应用，相对来说，减少了调向机构和倾角控制器使用次数，动作次数的减少也就是延长了使用寿命。

发电机输出的交流电经过交一直一交变频器，得到50Hz、220V的交流电并入电网。根据并人电网的方式的不同，变速恒频发电系统又分为采用同步发电机的直接在线发电系统和采用双馈发电机的双馈发电系统。两者的原理框图分别表示在图3和图4中。

在图3中，同步发电机输出的交流电，其幅值和频率与风力机的转速有关，经IGBT单象限电压源型交—直—交变频器变换成与电网同幅、同频的交流电，与电网并网。其中，交—直变换可以采用不可控桥式整流器，后接多级Boost电路交错并联以求得功率传输能力，并降低开关频率。同步发电机的直接在线发电系统的最大优点是风力机与发电机直接耦合，省去了齿轮变速箱，降低了运行噪声，提高了系统可靠性。若将不可控桥式整流器用PWM整流器代替，可以避免不可控桥式整流器存在的整流器输出侧电流严重畸变现象，得到恒定的直流输出。此时，可以采用Boost型PWM整流器，具有整流和升压双重功能。

在图4中，双馈发电机（线绕异步发电机）的定子直接与电网相连，而转子经IGBT四象限电压源型交—直—交变频器与电网相连。当转速高于同步速时，转差率s《0，转差功率由交—直—交变频器流出，与定子送往电网的功率相加，即送往电网的总功率要大于定子功率。而当转速低于同步速时，转差率s》0，转差功率由电网经交—直—交变频器送往转子，电网得到的功率为定子功率与转差功率之差，电网得到的功率要小于定子功率。

由此可见，交—直—交变频器应具有双向功率传输功能，必须是四象限双PWM变频器，即由两套IGBT变换器组成。与采用同步发电机的直接在线发电系统不同，在交—直—交变频器中只流过转差功率，可以选用小容量的变频器，通常选取其容量为发电机总功率的25%（相对于转速变化范围为土33%）。这样，降低了交—直—交变频器投资。但是由于采用双馈发电机，要比永磁发电机重，效率低。由于采用同步发电机的直接在线发电系统和采用双馈发电机的双馈发电系统有各自的优缺点，在风力发电系统中都有应用。