2.1 变速恒频风力发电技术
近年来，随着电力电子技术和微机控制技术的发展，双馈型异步发电机（doubly-fed induction generator，简称DFIG）得到了广泛的重视。DFIG在结构上类似绕线式异步电机，具有定、转子两套绕组。在控制中，DFIG转子一般由接到电网上的变换器进行交流励磁，由于发电机的定、转子都参与了励磁，“双馈”的含义因此而得。
2.1.1 变速恒频发电的优点
变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景：
（1）采用变速恒频发电方式，可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。
（2）变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术，实现发电机输出有功功率、无功功率解耦（简称P-Q解耦）控制。控制有功功率可调节风力发电机组转速，实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功功率可调节功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。
（3）采用变速恒频发电技术可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。
2.1.2 变速恒频风力发电系统的形式
变速恒频风力发电系统有多种形式，有的是通过发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频。它们具有各自的特点，适用于各种不同的场合。
1．交-直-交风力发电系统
交-直-交风力发电系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的。由于风速的不断变化，风力机和发电机也随之变速运行。发电机发出频率变化的交流电首先经过三相桥式整流器变换成直流电，然后通过逆变器变换为恒定电网频率的交流电，如图2-1所示。因此，变频器的容量和发电机的容量相同。
图2-1 交-直-交风力发电系统
这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响；同时由于频率变换装置采用静态自励式逆变器，虽然可调节无功功率，但有高频电流流向电网。这类系统可以采用同步发电机、笼型异步发电机和永磁发电机。
2．交流励磁双馈异步发电系统
该系统采用转子交流励磁的双馈型异步发电机，双馈型异步发电机的定子并到电网上，转子通过励磁变频器与电网相连，如图2-2所示。
图2-2 双馈型交流励磁变速恒频风力发电系统
当风速变化引起发电机转速变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定，即满足下式：
式中 f1——电网频率；
fm——转子机械频率；
nm——发电机机械转速；
p——电机极对数；
fs——转子电流频率。
发电机的机械转速和电转速之间的关系为nr=pnm。当发电机的转速nr小于同步转速n1时，处于亚同步状态，此时励磁变频器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网；当nr大于同步转速n1时，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，励磁变频器的能量流向逆向；当nr等于同步转速n1时，fs=0，励磁变换器向转子提供直流励磁。
由式（2-1）可知，当发电机的机械转速nm变化时，即pfm变化时，若控制fs相应变化，可使f1保持恒定不变，这样就实现了变速恒频的控制。
由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由发电机的转速运行范围所决定的转差功率，仅为定子额定功率的一部分，因此图2-2中所示的双向励磁变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，成本将会大大降低。交流励磁双馈型异步发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制及减小变频器的容量外，在磁场定向矢量控制下还可实现P-Q解耦控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。
3．无刷双馈型发电机系统
这种系统如图2-3所示，无刷双馈型发电机定子有两套极数不同的绕组，一为功率绕组，直接接电网；另一为控制绕组，通过双向变换器接电网。无刷双馈发电机转子为特殊设计的笼型结构，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两套绕组极对数之和。
图2-3 并网运行时的无刷双馈发电机系统
无刷双馈型发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双馈型发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。
尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率的pc/（pp+pc）（pp为定子功率绕组的极对数，pc为定子控制绕组的极对数），双向变换器的容量也仅为发电机容量的一小部分。
无刷双馈发电机具有与有刷双馈型异步发电机相同的特性，但没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。只是目前仍处于试验研究阶段，尚未进入工程实用阶段。
4．开关磁阻发电机系统
开关磁阻式风力发电系统以开关磁阻发电机为机电能量的转换核心，开关磁阻发电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无磁体，故机械结构简单、坚固、可靠性高。此外，由于风力机的功率特性有其自身的特点，为了使风能捕获的效果最佳，就必须使开关磁阻发电机与风力机能够良好的配合，通过对发电系统的控制，使风力机工作在最佳功率负载线上。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了控制系统结构，提高了可靠性。同时，因为发电机相绕组间无电磁耦合，容错能力大大增强。