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 李龙文（1980－）

     男，湖南新宁人，硕士研究生，研究方向为风力发电。

1  引言

由于风速的变化，风力发电机的转速也相应变化。在此情况下，发电机发出的电能与电网要求的标准不相适应，公用电网对输入电能的电压值、频率、功率因数和谐波畸变因数都有要求。由风力发电机输出的电能，其电压幅值和频率都达不到电网的要求，而且随风速的变化而变化。必须进行能量变化，才有可能将风力能源送入电网。

风力发电采用同步发电机发电是其中的发电方式之一。然而，同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合的，如果原动力是风力，那么变化的风速将给发电机输入变化的能量，这不仅给风力机带来高负荷和冲击力，而且不能以优化方式运行。

如果在发电机和电网之间使用频率转换器的话，转速和电网频率之间的耦合问题将得以解决。变频器的使用，使风力发电机组可以在不同的速度下运行，并且使发电机内部的转矩得以控制，从而减轻传动系统应力。通过对变频器电流的控制，就可以控制发电机转距，而控制电磁转距就可以控制风力机的转速，使之达到最佳运行状态。本文提出了基于双PWM变换的交直交变流器直接驱动变速风力发电机组发电系统。

2  变速恒频风力发电系统拓扑结构

该风力发电系统的拓扑结构如图1所示，由风力机、永磁同步电机、整流器、逆变器、滤波电感等构成。

 图1  直接驱动风力发电拓扑结构图

在该风力发电系统中，采用风力机直接驱动低速永磁同步交流电机产生电能。使用直接驱动技术，在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，因而减少了维修，降低了噪声，在低风速时具更高的效率。这种系统中的低速交流发电机，其转子极数大大多于普通交流同步发电机的极数，因此这种电机的转子外圆及定子内径尺寸大大增加，而其轴向长度则相对很短，呈圆环状，为了简化电机的结构，减小发电机的体积和质量，采用永磁电机是极为有利的。由于需要将发电机发出的全部交流电经整流―逆变装置转换后送入电网，因此采用大功率的电力电子器件。IGBT（绝缘双极型晶体管）是一种结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件，既具有工作速度快，驱动功率小的优点，又兼有大功率晶体管的电流能力大，导通压降低的优点，因此在这种系统中采用基于IGBT的整流器和逆变器，其拓扑结构为普通的三相桥式结构。同二极管整流器相比，采用PWM整流器可以对发电机输出电流进行控制，降低了发电机的铜耗和铁耗，并且PWM整流器可提供几乎为正弦的电流，因而减少了发电机侧的谐波电流。直流环节并有一大电容，可维持电压恒定。电网侧串联电感可用于滤波。通过对变流器的控制，将永磁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。

3  风力发电及最大风能俘获原理

根据风力发电机的相关理论，风力发电机的输出功率P为

                                  (1)

式(1)中，ρ为空气密度；A为风轮叶片扫掠面积；υ为风速（指未扰动气流的流速）；其中，功率系数Cp是风力机的叶尖速比λ的函数，即Cp=f(λ)。而叶尖速比λ为

                                  (2)

式(2)中，υT为叶尖线速度；R为叶片半径；ωr为风力机风轮角速度。

当叶尖速比变化时，功率系数Cp亦变化。实际上，只存在某一个λ值，使Cp值达到最大值。对应于Cp最大值Cpmax的λ值称为最佳叶尖速比λopt。

不依赖于风速的风力发电机最佳功率Popt关系式为

                               (3)

当风力机的扫掠面积，空气密度和风速恒定时，输出的能量由风力机的功率系数Cp决定。而功率系数与叶片的空气动力学特性有关。图2表示了在风速改变（υ1<υ2<υ3<

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