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 李龍文（1980－）

     男，湖南新寧人，碩士研究生，研究方向為風(fēng)力發(fā)電。

1  引言

由于風(fēng)速的變化，風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)變化。在此情況下，發(fā)電機發(fā)出的電能與電網(wǎng)要求的標(biāo)準(zhǔn)不相適應(yīng)，公用電網(wǎng)對輸入電能的電壓值、頻率、功率因數(shù)和諧波畸變因數(shù)都有要求。由風(fēng)力發(fā)電機輸出的電能，其電壓幅值和頻率都達不到電網(wǎng)的要求，而且隨風(fēng)速的變化而變化。必須進行能量變化，才有可能將風(fēng)力能源送入電網(wǎng)。

風(fēng)力發(fā)電采用同步發(fā)電機發(fā)電是其中的發(fā)電方式之一。然而，同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間是剛性耦合的，如果原動力是風(fēng)力，那么變化的風(fēng)速將給發(fā)電機輸入變化的能量，這不僅給風(fēng)力機帶來高負荷和沖擊力，而且不能以優(yōu)化方式運行。

如果在發(fā)電機和電網(wǎng)之間使用頻率轉(zhuǎn)換器的話，轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間的耦合問題將得以解決。變頻器的使用，使風(fēng)力發(fā)電機組可以在不同的速度下運行，并且使發(fā)電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩得以控制，從而減輕傳動系統(tǒng)應(yīng)力。通過對變頻器電流的控制，就可以控制發(fā)電機轉(zhuǎn)距，而控制電磁轉(zhuǎn)距就可以控制風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速，使之達到最佳運行狀態(tài)。本文提出了基于雙PWM變換的交直交變流器直接驅(qū)動變速風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電系統(tǒng)。

2  變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，由風(fēng)力機、永磁同步電機、整流器、逆變器、濾波電感等構(gòu)成。

 圖1  直接驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電拓撲結(jié)構(gòu)圖

在該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用風(fēng)力機直接驅(qū)動低速永磁同步交流電機產(chǎn)生電能。使用直接驅(qū)動技術(shù)，在風(fēng)力機與交流發(fā)電機之間不需要安裝升速齒輪箱，因而減少了維修，降低了噪聲，在低風(fēng)速時具更高的效率。這種系統(tǒng)中的低速交流發(fā)電機，其轉(zhuǎn)子極數(shù)大大多于普通交流同步發(fā)電機的極數(shù)，因此這種電機的轉(zhuǎn)子外圓及定子內(nèi)徑尺寸大大增加，而其軸向長度則相對很短，呈圓環(huán)狀，為了簡化電機的結(jié)構(gòu)，減小發(fā)電機的體積和質(zhì)量，采用永磁電機是極為有利的。由于需要將發(fā)電機發(fā)出的全部交流電經(jīng)整流―逆變裝置轉(zhuǎn)換后送入電網(wǎng)，因此采用大功率的電力電子器件。IGBT（絕緣雙極型晶體管）是一種結(jié)合大功率晶體管及功率場效應(yīng)晶體管兩者特點的復(fù)合型電力電子器件，既具有工作速度快，驅(qū)動功率小的優(yōu)點，又兼有大功率晶體管的電流能力大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點，因此在這種系統(tǒng)中采用基于IGBT的整流器和逆變器，其拓撲結(jié)構(gòu)為普通的三相橋式結(jié)構(gòu)。同二極管整流器相比，采用PWM整流器可以對發(fā)電機輸出電流進行控制，降低了發(fā)電機的銅耗和鐵耗，并且PWM整流器可提供幾乎為正弦的電流，因而減少了發(fā)電機側(cè)的諧波電流。直流環(huán)節(jié)并有一大電容，可維持電壓恒定。電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)電感可用于濾波。通過對變流器的控制，將永磁電機發(fā)出的變頻變幅值電壓轉(zhuǎn)化為可用的恒頻電壓，并達到俘獲最大風(fēng)能的目的。

3  風(fēng)力發(fā)電及最大風(fēng)能俘獲原理

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的相關(guān)理論，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率P為

                                  (1)

式(1)中，ρ為空氣密度；A為風(fēng)輪葉片掃掠面積；υ為風(fēng)速（指未擾動氣流的流速）；其中，功率系數(shù)Cp是風(fēng)力機的葉尖速比λ的函數(shù)，即Cp=f(λ)。而葉尖速比λ為

                                  (2)

式(2)中，υT為葉尖線速度；R為葉片半徑；ωr為風(fēng)力機風(fēng)輪角速度。

當(dāng)葉尖速比變化時，功率系數(shù)Cp亦變化。實際上，只存在某一個λ值，使Cp值達到最大值。對應(yīng)于Cp最大值Cpmax的λ值稱為最佳葉尖速比λopt。

不依賴于風(fēng)速的風(fēng)力發(fā)電機最佳功率Popt關(guān)系式為

                               (3)

當(dāng)風(fēng)力機的掃掠面積，空氣密度和風(fēng)速恒定時，輸出的能量由風(fēng)力機的功率系數(shù)Cp決定。而功率系數(shù)與葉片的空氣動力學(xué)特性有關(guān)。圖2表示了在風(fēng)速改變（υ1<υ2<υ3<

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