風力發(fā)電機采用變速運行可使風力機最大限度的吸收風能，提高風力機運行效率，大容量的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)是風力發(fā)電技術的主流方向，采用雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電機組仍是目前的主流機型，在發(fā)電機構造欄目“雙饋風力發(fā)電機構造”一節(jié)用一個雙饋風力發(fā)電機的模型對基本構造作了介紹，圖1是該雙饋風力發(fā)電機模型的圖片。

本節(jié)僅對雙饋風力發(fā)電機是如何實現(xiàn)變速恒頻的原理做簡單介紹。

風速是不穩(wěn)定的，風力機的風輪轉速是在不停的波動中，經過增速箱增速的發(fā)電機轉子轉速跟隨不斷變化，采用普通交流發(fā)電機發(fā)出電的頻率也是不斷變化的。

要想交流發(fā)電機輸出頻率穩(wěn)定的電壓，就必須保持轉子轉速穩(wěn)定，也就是保證發(fā)電機內旋轉磁場轉速的穩(wěn)定。交流同步發(fā)電機轉子產生的磁場相對轉子是不變的，發(fā)電機轉速變，輸出電壓的頻率跟著變。如果轉子產生的磁場相對轉子可以旋轉變化，也就是說轉子轉速變化不影響旋轉磁場的轉速，就可以解決這個問題。

舉個例子，對于單極發(fā)電機輸出電壓頻率為50Hz時，其內部旋轉磁場的轉速是50轉/秒，如果轉子也是50轉/秒，則旋轉磁場相對轉子是靜止的；當轉子轉速變?yōu)?0轉/秒時，讓轉子產生20轉/秒的旋轉磁場，兩者轉速加起來就能產生50轉/秒的旋轉磁場，就能發(fā)出50Hz的交流電；當轉子轉速變?yōu)?0轉/秒時，讓轉子產生10轉/秒的反方向旋轉磁場，兩者轉速加起來也能產生50轉/秒的旋轉磁場，就能發(fā)出50Hz的交流電來。

雙饋異步發(fā)電機的轉子繞有三相繞組，向轉子繞組輸入三相交流電就可以使轉子產生相對轉子的旋轉磁場，就能完成上述的功能。

圖2是演示雙饋異步發(fā)電機的轉子與定子與旋轉磁場的動畫截圖，是一個單極發(fā)電機示意圖，左圖是轉子與轉子產生的磁場，磁場用兩根紫色的磁力線表示，在動畫中演示磁場相對轉子的旋轉（轉子本身不旋轉）；右邊圖是把該轉子放入定子內，演示帶旋轉磁場的轉子如何保證該磁場相對定子的轉速是不變的。

      演示動畫的說明：

為了發(fā)出50Hz的交流電，發(fā)電機內部旋轉磁場的轉速必須是50轉/秒。

當轉子是50轉/秒，則旋轉磁場相對轉子是靜止的，左邊動畫是靜止的，右邊動畫轉子與磁力線同步旋轉，此種運行狀態(tài)為同步速運行。

當轉子轉速降低為30轉/秒時，讓轉子產生20轉/秒的旋轉磁場，右邊動畫中的磁場按20轉/秒旋轉，在左邊動畫中轉子轉速為30轉/秒，合成磁場轉速是50轉/秒，此種運行狀態(tài)為亞同步速運行。

當轉子轉速升為70轉/秒時，讓轉子產生20轉/秒的反方向旋轉磁場，右邊動畫中的磁場按反方向20轉/秒旋轉，在左邊動畫中轉子轉速為70轉/秒，合成磁場轉速是50轉/秒，此種運行狀態(tài)為超同步速運行。

下面請觀看這個演示動畫，為了清楚的看清動畫的變化，在該動畫中轉速約為實際的1/375，動畫格式.mp4；分辨率800×480。

雙饋異步發(fā)電機旋轉磁場演示動畫

雙饋風力發(fā)電機組主要由風輪、增速箱、雙饋異步發(fā)電機、交-直-交變流器、變壓器、電力開關等組成，之間連接見圖3。風輪經過增速后帶動發(fā)電機，發(fā)電機定子繞組線端是發(fā)電機電力輸出端，通過開關箱連接到交流電網；發(fā)電機轉子繞組通過集電環(huán)連接到交-直-交變流器，變流器另一端連接變壓器，變壓器另一端通過開關箱連接到交流電網，交-直-交變流器的主要功能在本節(jié)后面有說明。

這樣組成的系統(tǒng)，可在發(fā)電機轉速低于同步轉速40%與高于同步轉速15%內正常運行。

在發(fā)電機轉子處于亞同步運行時，如轉速為30轉/秒時，低于同步轉速20轉/秒，電網通過交-直-交變流器向發(fā)電機轉子繞組輸入20Hz的交流電，產生相對轉子20轉/秒的旋轉磁場，該旋轉磁場與轉子共同產生50轉/秒的合成磁場，使定子繞組發(fā)出50 Hz的交流電，電功率流向見圖4。

在發(fā)電機轉子處于同步運行時，轉速為50轉/秒，電網通過交-直-交變流器向發(fā)電機轉子繞組輸入直流電，產生相對轉子固定的磁場，使定子繞組發(fā)出50 Hz的交流電，電功率流向見圖5。

在發(fā)電機轉子處于超同步運行時，如轉速為60轉/秒時，高于同步轉速10轉/秒，發(fā)電機轉子繞組感生出反相序的10Hz交流電，交-直-交變流器把10Hz的反相序交流電轉換為50Hz的交流電，通過變壓器送往電網。由于轉子繞組感生的10Hz的交流電是與定子繞組產生的交流電反相，使轉子產生相對轉子10轉/秒的反向旋轉磁場，該旋轉磁場與轉子共同產生50轉/秒的合成磁場，使定子繞組發(fā)出50 Hz的交流電，電功率流向見圖6。

下面請看由以上圖片制作的雙饋風力發(fā)電機組運行動畫，為了清楚演示動畫中電機轉速的變化，動畫對轉速變化作了夸大。由于數(shù)據(jù)量較大，請耐心等待打開，若出現(xiàn)動畫反轉現(xiàn)象請下載到本地電腦播放。動畫格式.mp4；分辨率900×600。

交-直-交變流器是一種變頻器設備，采用兩個PWM逆變電路背靠背組成，稱為雙向PWM逆變電路或雙向變換器，接向電機集電環(huán)端的逆變電路稱為機側變換器，接向電網方的逆變電路稱為網側變換器。在雙向變換器一側輸入交流電在另一側可轉換出不同頻率、不同電壓、不同相位的交流電；反方向也是一樣。

大功率交-直-交變流器的價格非常昂貴，在雙饋風力發(fā)電機組中的交-直-交變流器僅向轉子繞組提供勵磁電源，功率為發(fā)電機的25%已夠用，相對全功率變流器價格便宜多了，這也是雙饋風力發(fā)電機組的主要優(yōu)點之一。

圖7是雙饋風力發(fā)電機組的主電路示意圖，有關工作原理請另找資料查閱。