2 異步發(fā)電機交直交型并網(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，機組通常由風(fēng)輪、增速箱、交流發(fā)電機、變距機構(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)用于逆變器場合，近年來pwm整流器已逐漸成熟，采用pwm整流器使得風(fēng)力發(fā)電機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)電機組額定功率以內(nèi)，控制器的控制策略是實現(xiàn)比較大功率跟蹤，即盡量利用風(fēng)能，而當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，為使發(fā)電機組和逆變器不致于過載運行，此時應(yīng)減小葉尖速比cp值

采用交直交方式實現(xiàn)風(fēng)機并網(wǎng)運行有許多優(yōu)點:
(1) 控制方式較簡單;
(2) 可使用普通交流異步發(fā)電機;
(3) 有功分量和無功分量可單獨控制;
(4) 對電網(wǎng)波動有較強的適應(yīng)性。

但也存在許多缺點:
(1) 整流器和逆變器的容量必須和風(fēng)機功率相匹配，變換器價格昂貴;
(2) 發(fā)電機繞組承受較高的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, 交直交并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不適合應(yīng)用于兆瓦級系統(tǒng), 應(yīng)用于10～200kw系統(tǒng)時其性能價格比比較優(yōu)。

3 同步發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)
由于同步發(fā)電機的轉(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性，因此發(fā)電機和電網(wǎng)之間使用交直交變換器可使風(fēng)機在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行。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)電機具有獨立的勵磁回路，無需再提供再生能量，因此交直交變換器不需要四象限運行，小功率的發(fā)電機也可采用永磁發(fā)電機，但由于同步發(fā)電機在低風(fēng)速時輸出電壓較低，此時無法將能量回饋至電網(wǎng)，因此實用的電路往往在直流側(cè)加入一個boost升壓電路(如圖3所示)在低速時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)電機運行在非常寬的調(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
(1) 控制電路簡單可靠;
(2) 無比較大、比較小速度限制，調(diào)速范圍寬;
(3) 發(fā)電機不承受高的dv/dt，電磁兼容性好;
(4) 對電網(wǎng)波動不敏感。

3.2 缺點
(1) 三級變換(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)電機在結(jié)構(gòu)上與繞線型感應(yīng)電動機相似，即定子、轉(zhuǎn)子均為三相對稱，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)電機的定子通過接觸器投入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過四象限交直交變換器與電網(wǎng)連接。其實質(zhì)是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的頻率、相位及功率來調(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)機運行在比較大功率點附近[2]。

4.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點
(1) 轉(zhuǎn)子側(cè)交直交變換器僅需要25％的風(fēng)機額定功率,大大降低了電源變換器的造價;
(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) 可方便地實現(xiàn)無功功率控制。

4.2 缺點
(1) 雙饋發(fā)電機由于必須使用雙繞組以及滑環(huán)，發(fā)電機成本較高，且無標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法;
(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)子絕緣等級要求較高。

5 低速永磁同步發(fā)電機直接驅(qū)動系統(tǒng)
上述三種系統(tǒng)均采用了增速齒輪箱將發(fā)電機的低速低頻變?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，通過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，噪聲也進一步降低。

直接驅(qū)動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點如下:
(1) 風(fēng)力發(fā)電機變速范圍不受限制, 提高了風(fēng)能利用率;
(2) 轉(zhuǎn)動部分無需齒輪箱, 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)。

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

6 結(jié)束語
本文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的特點對與其相匹配的并網(wǎng)逆變器進行了較為詳細(xì)的論述，并指出各自的優(yōu)缺點，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)電機加四象限交直交型變換器或低速永磁發(fā)電機加四象限交直交流變換器。