1.3.4 帶全功率變換器的變速恒頻風力發電系統

帶全功率變換器的變速恒頻風力發電系統如圖1.6所示，圖中齒輪箱的虛線框表示該系統中可以有齒輪箱（半直驅型），也可以無齒輪箱（直驅型）。發電機通過一個背靠背式雙PWM全功率變換器連接到電網上，發電機既可以是電勵磁同步發電機（EESG），也可以是永磁同步發電機（PMSG）。發電機可以通過齒輪箱和風輪機相連，也可以直接和風輪機相連。通過齒輪增速，可以使用轉速較高、體積較小的發電機，但風力發電機的齒輪箱容易磨損和疲勞，存在振蕩和噪聲，需要經常潤滑和維護，且價格較貴，因此提高了系統維護成本和故障率，降低了系統的運行效率。應用多極低速永磁風力發電機可以去掉風力發電系統中常出現故障的齒輪箱，讓風輪機直接拖動發電機轉子運轉在低速狀態，這樣就沒有了齒輪箱所帶來的噪聲大、故障率高和維護成本高等問題，提高了運行可靠性，缺點是體積增大。基于以上考慮，風輪也可以通過一級齒輪增速箱與風力發電機相連接，這種風輪機組是以上兩種形式的綜合。

圖1.6 帶全功率變換器的風力發電系統

常用的直驅風力發電系統有永磁型全功率直驅風力發電系統和電勵磁型全功率風力發電系統，它們分別采用永磁同步發電機（PMSG）和電勵磁同步發電機（EESG）。永磁同步發電機采用永磁體勵磁，不需要勵磁繞組，具有質量輕、功率密度高、功率因數高、效率高和可靠性高等許多優點，而且可以做成多極發電機，降低了同步轉速，使得風輪機和發電機可直接相連。典型的直驅機型是直驅永磁同步風力發電系統，風輪公司Enercon、Made和Lagerwey都生產這種結構的風力發電系統。

在帶全功率變換器的變速恒頻風力發電系統中，當風速變化引起發電機轉速變化時，發電機輸出電壓的大小和頻率也會發生變化，通過變換器可將變化的電壓轉換成頻率和大小與電網一致的電壓。這個系統與雙饋發電系統一樣，也可以實現有功、無功的解耦控制和向電網輸送無功維持電網電壓，而且發電機沒有與電網直接連接，電網出現故障時可以繼續對發電機進行控制，使整個系統具有更高的穩定性。

應用全功率變換的并網技術，可使風輪和發電機的調速范圍擴展到額定轉速的150%，提高了風能的利用范圍，因此稱這種結構為全變速風力發電系統。采用全功率變換器可實現無功補償和風輪機組的平穩并網，提高了電能質量，減小了作用在風輪上的機械應力。