第3章 定速异步风力发电机组的原理及建模

3.1 概述

在风力发电技术发展的过程中，出现了多种多样的机型，并且新的机型仍在研制发展之中。早期的风力发电采用的是定速发电机组，相比于变速风力发电机组，它的结构简单，价格低廉。定速风力发电机组通常采用鼠笼异步电机作为发电机，转子通过齿轮箱由风力机驱动，定子侧直接连接到电网。在正常运行状况下，定子侧频率由电网频率决定。而异步电机滑差率通常在1%～3%之间（兆瓦级发电机通常低于1%），因此在风速变化下，转子转速变化范围很小，定速风力发电机组的名称也由此而来。

定速风力发电机组结构简单，在制造、安装和维护上具有很大的优势。异步发电机直接与电网相连，省却了价格昂贵的大功率变流器。虽然风力发电机组在启动过程需要软启动器来控制电压上升，但软启动器采用的是价格低廉的晶闸管，而且一旦启动完成，软启动器就被短路，因此也不需要大功率的散热装置。笼型异步电机不需要滑环和电刷，坚固耐用，维护量小，而且定速风力发电机组的控制系统也比变速机组简单得多。但定速风力发电机组的缺点也很明显：风力发电机组在不同的风速下只能“定速”运行，风能转化效率较低；其次，在风速变化情况下，风力发电机组定速运行使机组不仅要承受更大的机械应力，而且并网有功功率的波动也会对电网的稳定运行造成一定的影响；定速风力发电机组在没有附加设备的情况下不能单独调节无功功率。

电力电子技术的发展使得大功率变流器在风力发电系统得到广泛应用。在定速风力发电机组的基础上，将鼠笼异步电机与电网通过全功率变流器连接，从而对发电机的功率进行控制而变速运行，实现风力发电机组的最大功率跟踪，提高风力发电机组的运行效率，并且全功率变流器的可控性还可以提高变速风力发电机组的故障穿越能力，甚至对电网提供无功支持。本章将仅介绍定速异步风电机组（Fixed Speed Induction Generator，FSIG）的结构和运行原理，并给出仿真算例分析其并网特性。全功率驱动笼型异步发电机组的控制策略将在第5章中介绍。