2 異步發(fā)電機(jī)交直交型并網(wǎng)逆變器
常規(guī)的變速風(fēng)力并網(wǎng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示，機(jī)組通常由風(fēng)輪、增速箱、交流發(fā)電機(jī)、變距機(jī)構(gòu)、整流器、變速器以及控制電路組成，早期的交直交并網(wǎng)逆變器整流器采用晶閘管相控整流器(如圖1所示)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，相控整流器逐步被pwm整流器所取代，以前pwm技術(shù)主要應(yīng)用于逆變器場(chǎng)合，近年來(lái)pwm整流器已逐漸成熟，采用pwm整流器使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率因素得到改善，諧波損耗也大大降低，其基本控制策略如下:在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定功率以內(nèi)，控制器的控制策略是實(shí)現(xiàn)比較大功率跟蹤，即盡量利用風(fēng)能，而當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，為使發(fā)電機(jī)組和逆變器不致于過(guò)載運(yùn)行，此時(shí)應(yīng)減小葉尖速比cp值

采用交直交方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行有許多優(yōu)點(diǎn):
(1) 控制方式較簡(jiǎn)單;
(2) 可使用普通交流異步發(fā)電機(jī);
(3) 有功分量和無(wú)功分量可單獨(dú)控制;
(4) 對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

但也存在許多缺點(diǎn):
(1) 整流器和逆變器的容量必須和風(fēng)機(jī)功率相匹配，變換器價(jià)格昂貴;
(2) 發(fā)電機(jī)繞組承受較高的dv/dt，電磁兼容性較差;
(3) 直流側(cè)lc濾波器、交流網(wǎng)側(cè)電感容量較大。

基于上述優(yōu)缺點(diǎn), 交直交并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不適合應(yīng)用于兆瓦級(jí)系統(tǒng), 應(yīng)用于10～200kw系統(tǒng)時(shí)其性能價(jià)格比比較優(yōu)。

3 同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)
由于同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率是硬性連接，而風(fēng)力資源具有較大的隨機(jī)性，因此發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間使用交直交變換器可使風(fēng)機(jī)在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。交直交同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。

由于同步發(fā)電機(jī)具有獨(dú)立的勵(lì)磁回路，無(wú)需再提供再生能量，因此交直交變換器不需要四象限運(yùn)行，小功率的發(fā)電機(jī)也可采用永磁發(fā)電機(jī)，但由于同步發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速時(shí)輸出電壓較低，此時(shí)無(wú)法將能量回饋至電網(wǎng)，因此實(shí)用的電路往往在直流側(cè)加入一個(gè)boost升壓電路(如圖3所示)在低速時(shí)由升壓電路先將整流器輸出的直流電壓提升，采用此電路可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在非常寬的調(diào)速范圍，另外boost電路還可以調(diào)節(jié)整流器輸入端(即發(fā)電機(jī)輸出端)的電流波形，以改善其諧波失真和功率因數(shù)，此電路結(jié)構(gòu)在中小型并網(wǎng)系統(tǒng)中有應(yīng)用前景。

3.1 優(yōu)點(diǎn)
(1) 控制電路簡(jiǎn)單可靠;
(2) 無(wú)比較大、比較小速度限制，調(diào)速范圍寬;
(3) 發(fā)電機(jī)不承受高的dv/dt，電磁兼容性好;
(4) 對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)不敏感。

3.2 缺點(diǎn)
(1) 三級(jí)變換(整流、升壓、逆變)使系統(tǒng)效率下降2％～3％;
(2) 直流環(huán)節(jié)電容為高壓、大容量, 體積大、價(jià)格高;
(3) 網(wǎng)側(cè)電感容量較大。

4 雙饋型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)
雙饋(doubly-fed)發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相似，即定子、轉(zhuǎn)子均為三相對(duì)稱，轉(zhuǎn)子繞組電流由滑環(huán)引入，其電氣原理如圖4所示，發(fā)電機(jī)的定子通過(guò)接觸器投入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過(guò)四象限交直交變換器與電網(wǎng)連接。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的頻率、相位及功率來(lái)調(diào)節(jié)定子側(cè)輸出功率，使之與風(fēng)輪輸出功率相匹配，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在比較大功率點(diǎn)附近[2]。

4.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
(1) 轉(zhuǎn)子側(cè)交直交變換器僅需要25％的風(fēng)機(jī)額定功率,大大降低了電源變換器的造價(jià);
(2) 網(wǎng)側(cè)及直流側(cè)濾波電感、電容功率相應(yīng)縮小，電磁干擾也大大降低;
(3) 可方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率控制。

4.2 缺點(diǎn)
(1) 雙饋發(fā)電機(jī)由于必須使用雙繞組以及滑環(huán)，發(fā)電機(jī)成本較高，且無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法;
(2) 調(diào)速范圍較小，一般只能在額定轉(zhuǎn)速70％~130％內(nèi)調(diào)節(jié)[3] ;
(3) 控制電路較復(fù)雜;
(4) 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器工作在低頻段(通常為0~16.6hz), 由于功率器件一般其有效值在50hz下標(biāo)定, 工作于低頻段時(shí)igbt等功率器件的熱應(yīng)力增加, 功率器件必須留有足夠的余量;
(5) 轉(zhuǎn)子繞組承受較高的dv/dt, 轉(zhuǎn)子絕緣等級(jí)要求較高。

5 低速永磁同步發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
上述三種系統(tǒng)均采用了增速齒輪箱將發(fā)電機(jī)的低速低頻變?yōu)楦咚俟ゎl，但齒輪箱一方面產(chǎn)生巨大的噪聲，同時(shí)也降低了風(fēng)能的利用效率，新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用多極低速永磁同步發(fā)電機(jī)，通過(guò)功率變換電路直接并入電網(wǎng)，這就省去了增速齒輪箱(如圖5所示)，系統(tǒng)效率大大提高，噪聲也進(jìn)一步降低。

直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下:
(1) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速范圍不受限制, 提高了風(fēng)能利用率;
(2) 轉(zhuǎn)動(dòng)部分無(wú)需齒輪箱, 降低系統(tǒng)噪音;
(3) 可采用多電平變換技術(shù), 將風(fēng)能直接饋入高壓電網(wǎng)。

缺點(diǎn)如下:
(1) 功率變換器造價(jià)昂貴;
(2) 定子繞組絕緣等級(jí)要求較高。

6 結(jié)束語(yǔ)
本文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)對(duì)與其相匹配的并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，并指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)論如下:
(1) 小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(0～300kw),采用同步發(fā)電機(jī)組加交直交變換器較為合適。
(2) 大、中容量風(fēng)力并網(wǎng)系統(tǒng)(300kw以上)，宜采用雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)加四象限交直交型變換器或低速永磁發(fā)電機(jī)加四象限交直交流變換器。