1.3.4 带全功率变换器的变速恒频风力发电系统

带全功率变换器的变速恒频风力发电系统如图1.6所示，图中齿轮箱的虚线框表示该系统中可以有齿轮箱（半直驱型），也可以无齿轮箱（直驱型）。发电机通过一个背靠背式双PWM全功率变换器连接到电网上，发电机既可以是电励磁同步发电机（EESG），也可以是永磁同步发电机（PMSG）。发电机可以通过齿轮箱和风轮机相连，也可以直接和风轮机相连。通过齿轮增速，可以使用转速较高、体积较小的发电机，但风力发电机的齿轮箱容易磨损和疲劳，存在振荡和噪声，需要经常润滑和维护，且价格较贵，因此提高了系统维护成本和故障率，降低了系统的运行效率。应用多极低速永磁风力发电机可以去掉风力发电系统中常出现故障的齿轮箱，让风轮机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这样就没有了齿轮箱所带来的噪声大、故障率高和维护成本高等问题，提高了运行可靠性，缺点是体积增大。基于以上考虑，风轮也可以通过一级齿轮增速箱与风力发电机相连接，这种风轮机组是以上两种形式的综合。

图1.6 带全功率变换器的风力发电系统

常用的直驱风力发电系统有永磁型全功率直驱风力发电系统和电励磁型全功率风力发电系统，它们分别采用永磁同步发电机（PMSG）和电励磁同步发电机（EESG）。永磁同步发电机采用永磁体励磁，不需要励磁绕组，具有质量轻、功率密度高、功率因数高、效率高和可靠性高等许多优点，而且可以做成多极发电机，降低了同步转速，使得风轮机和发电机可直接相连。典型的直驱机型是直驱永磁同步风力发电系统，风轮公司Enercon、Made和Lagerwey都生产这种结构的风力发电系统。

在带全功率变换器的变速恒频风力发电系统中，当风速变化引起发电机转速变化时，发电机输出电压的大小和频率也会发生变化，通过变换器可将变化的电压转换成频率和大小与电网一致的电压。这个系统与双馈发电系统一样，也可以实现有功、无功的解耦控制和向电网输送无功维持电网电压，而且发电机没有与电网直接连接，电网出现故障时可以继续对发电机进行控制，使整个系统具有更高的稳定性。

应用全功率变换的并网技术，可使风轮和发电机的调速范围扩展到额定转速的150%，提高了风能的利用范围，因此称这种结构为全变速风力发电系统。采用全功率变换器可实现无功补偿和风轮机组的平稳并网，提高了电能质量，减小了作用在风轮上的机械应力。