第2章　直驱永磁风力发电系统的组成与设计

2.1　直驱永磁风力发电系统的构成与运行原理

作为变速恒频发电系统的典型代表，背靠背双PWM直驱永磁风电机组不仅具有良好的运行特性，还因其效率高、维护量小、发电机结构相对简单易控制、适应电网能力强以及发电性能稳定等优势，日益受到人们的关注。本章针对背靠背双PWM全功率变流器控制的直驱永磁风电机组（direct-driven permanent magnet synchronous generator，D-PMSG）进行研究，其系统的拓扑结构如图2-1所示，由风力机、低速多极直驱永磁风力发电机（PMSG），PWM变流器、中间直流环节和PWM变流器、滤波器以及变压器组成。

图2-1　背靠背双PWM全功率变流器控制的直驱型永磁风力发电系统拓扑结构

如图2-1所示，直驱永磁风力发电系统的工作原理如下：自然风以某一速度和攻角作用到风轮桨叶上，生成旋转力矩，带动风轮旋转以此捕获风能，同时将风能转换成轴上的机械能输出，由于风轮与直驱永磁风力发电机同轴，可直接驱动发电机旋转。当达到切入风速时，PWM变流器开始工作，机侧变流器吸收永磁风力发电机输出的幅值、频率和相位交变的交流电，并将其整流成直流电；直流环节用来存储、缓冲整流后的直流电能，同时也能吸收所连接变流器的无功功率，使有功功率和无功功率在直流环两侧保持平衡；网侧变流器将直流电逆变成频率和电网等频率、等相位以及等幅值的交流电，再经滤波、变压后并入公共电网。

采用双PWM全功率变流器的优点是可以通过改变PWM的调制深度来改变发电机的转速，通过调节定子侧的d、q轴电流分量，实现转速和转矩的独立解耦控制，额定风速下实现最大功率点跟踪、捕获最大风能为控制目标；电网侧PWM变流器同样可以通过调节网侧的d、q轴电流分量，实现有功功率和无功功率的解耦控制，达到单位功率因数能量传输，同时还要确保直流侧母线电压的稳定，改善输入到电网的电能质量。