王建维 女，硕士，毕业于西南交通大学牵引动力国家重点实验室，毕业后在中国北车集团济南轨道交通装备有限公司从事货车转向架设计工作，2008年7月转入北车风电有限公司从事风力发电机组设计，主要从事风力发电机组控制系统和在线状态监测系统方面的研究。

    摘要：本文分析了双馈异步和永磁同步风力发电机的工作原理，详细比较了两种发电机的优缺点，最后得出结论：短期内，DFIG仍将是主流机型，但随着国家对风机并网的要求越来越高，具有低电压穿越能力的永磁同步发电机将是未来风机发展的趋势。

    关键词：双馈异步发电机；永磁同步发电机； 变速恒频；低电压穿越

    1 概述

    在过去的20多年里，风力发电机组的单机容量不断扩大，特别是最近几年，大型机组得到迅速推广应用。技术的不断进步是机组单机容量得以不断扩大的基础。早期的风力发电机组全部是定桨距失速型风机。由于定桨距机组叶片的角度不能在风速变化时进行相应地调节，因此无法在低风速时获取最大的风能；在风速为额定风速时功率最大，当风速超过额定值后，发电功率又明显下降，故定桨距失速型风机的经济效益不甚理想，因此这种型的机组很难向大型化方向发展。目前该类型的产品均为小型机组，兆瓦级机组均不采用此类型的结构。

    随着技术的发展，风电机组发展到了变桨距系统。变桨距风力发电机组的叶片角度可以进行调节，在不同的风速情况下，通过调节叶片的角度使攻角保持最佳状态，从而获得较大的转换效率。变桨距机组的额定风速较低，启动性能较好，而且在风速超过额定值时通过变桨系统可以有效地控制叶片的迎风角度，使得发电机有着较为平滑的功率曲线，大大提高了发电效率和发电质量。通过技术的不断提高和新材料的不断应用，叶片结构变得越来越简单、重量也越来越轻，易于机组的大型化，因此大型风电机组多采用变桨距技术。

    目前，风电技术已发展到了更先进的变速变桨距机型。变速变桨距风力发电机组同时应用了变桨技术和变速恒频技术，风轮转速可根据风速的变化进行调节，以便最大限度地吸收风的能量，提高转换效率。由于在发电机中采用了变速恒频技术，使发电机组在低风速情况下的出力水平大幅度提高，总体发电效率得到进一步提高。兆瓦级以上的机组大都是变速变桨距机型。

    发电机及其控制系统承担了将机械能转化为电能的任务，直接影响到转换过程的效能、效率和供电质量。而目前风力发电机主要采用两种类型：双馈异步发电机和永磁同步发电机。

    2 双馈异步发电机（DF IG）和永磁同步发电机（PMSG）结构分析

    2.1 DFIG工作原理

    双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电动机类似，定转子三相对称，转子电流由滑环接入。风速的变化通过增速齿轮箱传递到发电机，为了保持定子电流频率的恒定，可以控制转子电流的频率，使得发电机的转子转速发生变化，这些工作可以由变频器来完成。当发电机转子高（低）于同步速时，应控制变频器能量流入（出）电网，这样就控制了电机定子向电网供应电能频率的稳定。其原理框图如图1所示。
                   
                               图1  双馈机发电原理
    当风速变化引起发电机转速n变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定，即应满足： 。

    式中： 为定子电流频率，由于定子与电网相连，所以与电网频率相同； 为转子机械频率， ，p为电机的极对数； 为转子电流频率。

    n
    n>n1时，处于超同步运行状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变流器的能量流向逆向；

    n=n1时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行， =0，励磁变流器向转子提供直流励磁。

    而n=pnm，当n发生变化时，即p 发生变化，若控制转子供电频率做相应变化，可使保持恒定不变，与电网频率保持一致，实现变速恒频控制。
            
                                    表1   DFIG 和PMSG结构性能比较  
     摘自《自动化博览》2010年第九期