永磁同步发电机的转子以稀土永磁体作为励磁，不需要励磁绕组和集电环，减小了励磁损耗，在结构上更加可靠。和同样容量及形式的绕线转子同步发电机相比，永磁发电机由于磁能积大，不存在励磁损耗，从而体积和质量更小，有利于机组大型化的趋势。永磁发电机由于无集电环/电刷结构，所以不需要这部分的维护，但是永磁发电机由于励磁能量不可调节，永磁体的温度系数也较大，从而在不同负载下的输出电压不稳定。
图3-23 交流励磁变速恒频发电机定子磁链定向矢量控制框图
（一）永磁同步发电机的电压控制
由于永磁同步发电机在不同负载下电压会发生变化，所以需要电力电子器件加以控制，在获得稳定直流电压的情况下进行逆变，向电网输出电压、频率恒定的三相电能。为实现此目的，有以下两种变流器拓扑方案可供选择。
1.不控整流+直流调压+可控逆变（见图3-24）
图3-24 全功率变流拓扑（不控整流）
这种方式下，整流侧由大功率二极管构成，只控制直流升压部分和交流逆变部分，成本较低，控制简单，发电机定子绕组无须承受高的du/dt与电压峰值，但是带来的问题是续流电感和滤波电容的容量很大，直流环节的谐波较大，经过逆变后会对交流电网造成不良影响。虽然与可控整流方式相比，整流器件的成本降低了一些，但大容量的电感和电容元件仍然是昂贵的。
图3-25 全功率变流拓扑（可控整流）
2.可控整流+可控逆变（见图3-25）
可控整流解决了永磁同步发电机负载变化时输出电压的波动问题，不像二极管整流方式需要附加直流调压。可控整流能大大减小直流环节的谐波，从而减小滤波电容的容量。该方式可以完全独立地控制电能的有功和无功功率，能电动运行，甚至能作为静止无功发生器工作。其缺点是发电机定子绕组承受较高的du/dt与电压尖峰，需要做绝缘加强。
早期的永磁同步发电机型多采用不控整流方式（如Vensys公司的1.2MW机型），新开发的机型基本都采用了可控整流方式，这一方面是为了获得更好的控制性能，另一方面也是由于综合成本的考虑和控制技术的发展。
（二）永磁同步发电机与变流器的特性[5]
与双馈机组不同，永磁同步发电机的励磁强度不可调节，只能通过控制定子绕组的电压来实现对发电机转矩的调节。永磁同步发电机全功率变流结构如图3-26所示。
图3-26 永磁发电机全功率变流结构
以转子磁链定向进行发电机三相坐标系d-q轴变换，可以得到
式中 m1——幅值参数；
uqs——定子电压的q轴分量；
uds——定子电压的d轴分量，由发电机侧的PWM控制决定；
θ——负载角。
发电机定子的d轴和q轴电动势可以表示为
式中 R——定子电阻；(www.xing528.com)
ωe——定子电频率；
Lds、Lqs——分别为定子漏抗的d、q轴分量；
Φf——永磁体的磁通量。
经过整理，可得到d轴和q轴的电流表达式为
电磁转矩表达式为
Te=Φfiqs+（Lds-Lqs）iqsids （3-38）
永磁发电机全功率变流方式要求发电机侧的PWM变流器能保持直流环节电压的稳定，这样才能保证能向电网逆变输出稳定电压和频率的三相电能。在不考虑变流器损失的情况下，有
式中，Pc和Ps分别为电网侧和定子侧变流器的有功功率。
电网侧变流器电压为
式中，幅值系数m2和相角α由电网侧变流器控制。
变流器输出端通过电抗器滤波后连接电网，变流器输出电压和电网电压存在如下关系：
Uc-Uex=jXtIc （3-41）
从而电网侧变流器输出电流为
那么，经过d-q分解后得
于是，输出给电网的无功功率为
而电网侧变流器的有功功率为
在不考虑损失的情况下，这也就是输送给电网的有功功率。
永磁发电机全功率变流的关键在于以定子侧PWM变流器实现当发电机定子输出电压不稳定时保持稳定的直流过渡电压，以电网侧变流器实现稳定电压、频率的三相电能输出，并独立调节输出有功功率和无功功率。
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