1.2 双馈式风力发电机简介

目前各国在提倡发展的同时还大力提倡环保，风力发电因此得到了重视。据全球风能理事会（Global Wind Energy Council，GWEC）统计，2021年全球风电新增并网容量93.6GW，全球累计风电装机容量837GW，同比增长12%。我国在2020年提出了“双碳”目标，即“碳中和、碳达峰”，并且在《2030年前碳达峰行动方案》中，将能源绿色低碳转型行动作为一项重点任务，提出了到2030年，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上的目标。不难看出，全球以及我国的风电开发必将进入高速发展阶段。而作为当前广泛应用机型的双馈风力发电机组，其主要部件之一的双馈发电机也得到了学者们的广泛关注。

双馈风力发电机（简称双馈发电机）一般由绕线转子异步发电机在转子电路上带交流励磁器组成。双馈发电机的主要结构一般包括转轴、定子（定子铁心和绕组）、转子（转子铁心和绕组）、电刷、集电环、端盖、电刷罩、机座以及冷却散热系统等，如图1.1-2所示。

转子铁心的槽内嵌放着转子绕组，在转轴上安装3个集电环，3个集电环之间，环与转轴之间都是互相绝缘的，转子绕组的三根引出端线通过转轴的凹槽连接到3个集电环上。一般在转轴上安装两个轴流风扇用于发电机散热。

转子安装在定子内，由固定在机座两端的端盖支撑，转子轴承安装在端盖上。在转子集电环一侧安装着电刷罩，3个电刷固定在电刷罩内，刷握上的弹簧紧压着碳质电刷，保持电刷与集电环紧密接触。

风电机组使用的双馈发电机运行方式为变速恒频，变速是为了适应风速的变化，恒频是为了满足并网的需求。必须要通过变流装置与电网频率保持同步才能并网。同步转速以下，转子励磁输入功率，定子侧输出功率；同步转速之上，转子和定子均输出功率，所以称为双馈运行。变桨距变速恒频双馈异步发电机是大型风力发电机组的主流机型，虽然其噪声和故障率高、传动效率稍低、成本较高，但其技术比较成熟，应用较为广泛。

双馈发电机定子绕组直接接入电网，转子绕组由变流器供给三相低频励磁电流。当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度与转子的机械转速相叠加，使其等于定子的同步转速。从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。

当风速变化时，发电机转子转速随之而变化。在变化的同时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度，以补偿电机转速的变化，保持输出频率恒定不变。双馈风力发电系统由于电力电子变换装置容量较小，通常20%～30%，很适合用于大型变速恒频风电系统。

如图1.1-3所示，转子绕组外接转差频率变流器实现交流励磁。当发电机转子机械频率 f _Ω 变化时，控制励磁电流频率 f ₂ 来保证定子输出频率 f ₁ 恒定，即

式中， n _p 为发电机极对数。