第2章 直驱永磁风力发电系统的组成与设计

2.1 直驱永磁风力发电系统的构成与运行原理

作为变速恒频发电系统的典型代表,背靠背双PWM直驱永磁风电机组不仅具有良好的运行特性,还因其效率高、维护量小、发电机结构相对简单易控制、适应电网能力强以及发电性能稳定等优势,日益受到人们的关注。本章针对背靠背双PWM全功率变流器控制的直驱永磁风电机组(direct-driven permanent magnet synchronous generator,D-PMSG)进行研究,其系统的拓扑结构如图2-1所示,由风力机、低速多极直驱永磁风力发电机(PMSG),PWM变流器、中间直流环节和PWM变流器、滤波器以及变压器组成。

图2-1 背靠背双PWM全功率变流器控制的直驱型永磁风力发电系统拓扑结构

如图2-1所示,直驱永磁风力发电系统的工作原理如下:自然风以某一速度和攻角作用到风轮桨叶上,生成旋转力矩,带动风轮旋转以此捕获风能,同时将风能转换成轴上的机械能输出,由于风轮与直驱永磁风力发电机同轴,可直接驱动发电机旋转。当达到切入风速时,PWM变流器开始工作,机侧变流器吸收永磁风力发电机输出的幅值、频率和相位交变的交流电,并将其整流成直流电;直流环节用来存储、缓冲整流后的直流电能,同时也能吸收所连接变流器的无功功率,使有功功率和无功功率在直流环两侧保持平衡;网侧变流器将直流电逆变成频率和电网等频率、等相位以及等幅值的交流电,再经滤波、变压后并入公共电网。

采用双PWM全功率变流器的优点是可以通过改变PWM的调制深度来改变发电机的转速,通过调节定子侧的dq轴电流分量,实现转速和转矩的独立解耦控制,额定风速下实现最大功率点跟踪、捕获最大风能为控制目标;电网侧PWM变流器同样可以通过调节网侧的dq轴电流分量,实现有功功率和无功功率的解耦控制,达到单位功率因数能量传输,同时还要确保直流侧母线电压的稳定,改善输入到电网的电能质量。