直驱式永磁同步风力发电机组优化方案

图6-4是一个典型的直驱式永磁同步发电机组组成示意图。直驱式永磁同步风力发电机组有多种形式，当前工业上应用的直驱式永磁同步发电机组主要采用全功率变流器，归纳起来主要有以下四种形式。

图6-4　直驱式永磁同步发电机组

1.机侧采用不可控整流，网侧采用PWM逆变

采用不可控整流的永磁直驱变流器如图6-5所示，发电机定子输出端接三相二极管整流桥进行不可控整流，直流侧釆用电感电容滤波，网侧逆变器把直流侧电能逆变成工频交流电馈入电网。这种方式只有当发电机线电压的峰值高于直流母线电压时发电机才能馈出电能，而直流母线电压的最小值由电网电压决定，因此发电机运行电压需设计较高的输出电压，这对变流器所使用的电力电子器件耐压提出很高的要求，导致系统成本大大增加，降低了整机效率。由于釆用二极管不可控整流，能量不能双向流动；同步发电机不可控，最大功率跟踪不易实现。而且发电机定子电流存在很大的低次谐波成分，发电机的铜耗和铁耗较大，降低了发电机的效率。这种拓扑结构缺陷明显，很少采用。

图6-5　采用不可控制整流的永磁直驱变流器

2.机侧釆用不可控整流+boost升压，网侧釆用PWM逆变

采用不可控整流+boost升压的永磁直驱变流器如图6-6所示，能量经由不可控AC/DC变流器到达直流侧，风速的变化导致直流侧电压的波动，采用升压变流器将DC/AC变流器直流母线侧电压稳定控制，然后通过DC/AC变流器逆变并入电网。这种电路结构的成本较低，但是它不具备四象限运行的能力，且发电机侧由于不可控整流导致谐波增大，影响电机运行和效率，因而在运行中受到很大的限制。并且当系统功率较大时，大功率的boost升压电路设计困难。但是，这种拓扑结构因为成本相对较低，在当前直驱式风力发电工程中得到较多应用。

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图6-6　采用不可控制整流+boost升压的永磁直驱变流器

3.机侧釆用相控整流，网侧采用PWM逆变

机侧采用相控整流的永磁直驱变流器如图6-7所示，这种方式与前两种方式相比，由于晶闸管的导通时间可以通过触发角控制，一定程度上抑制了电流，防止直流母线过压，实现机侧可控，成本较低。但是机侧低次谐波较大的缺点依然没有改善。因此实际系统中这种拓扑结构也很少采用。

图6-7　机侧采用相控整流的永磁直驱变流器

4.采用具备四象限运行能力的背靠背双PWM变流器控制的功率变流器

背靠背双PWM控制的永磁直驱变流器如图6-8所示，同二极管不可控整流相比，机侧变流器采用PWM整流可以大大减少发电机定子电流谐波含量，从而降低发电机的铜耗和铁耗，并且PWM变流器可提供几乎为正弦的电流，减少了发电机侧的谐波电流。通过控制系统的控制，可以将永磁同步发电机发出的变频变幅值电压转化为可用的恒频电压，并达到俘获最大风能的目的。这也是一种技术最先进、适应范围最为广泛、代表目前发展方向的拓扑结构。

釆用背靠背双PWM变流器直驱式永磁同步风力发电机，由风力机、永磁同步发电机、背靠背双PWM变流器和滤波电路组成。永磁同步发电机的转子不接齿轮箱，直接与风力机相连。定子绕组经过四象限变流器和电网相连。背靠背双PWM变流器由机侧变流器和网侧变流器组成，可实现能量双向流动，机侧变流器可实现对永磁同步发电机的转速/转矩进行控制，网侧变流器实现对直流母线进行稳压控制。

图6-8　背靠背双PWM变流器控制的永磁直驱变流器