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李龍文（1980－）
男，湖南新寧人，碩士研究生，研究方向為風力發電。
1 引言
由于風速的變化，風力發電機的轉速也相應變化。在此情況下，發電機發出的電能與電網要求的標準不相適應，公用電網對輸入電能的電壓值、頻率、功率因數和諧波畸變因數都有要求。由風力發電機輸出的電能，其電壓幅值和頻率都達不到電網的要求，而且隨風速的變化而變化。必須進行能量變化，才有可能將風力能源送入電網。
風力發電采用同步發電機發電是其中的發電方式之一。然而，同步發電機的轉速和電網頻率之間是剛性耦合的，如果原動力是風力，那么變化的風速將給發電機輸入變化的能量，這不僅給風力機帶來高負荷和沖擊力，而且不能以優化方式運行。
如果在發電機和電網之間使用頻率轉換器的話，轉速和電網頻率之間的耦合問題將得以解決。變頻器的使用，使風力發電機組可以在不同的速度下運行，并且使發電機內部的轉矩得以控制，從而減輕傳動系統應力。通過對變頻器電流的控制，就可以控制發電機轉距，而控制電磁轉距就可以控制風力機的轉速，使之達到最佳運行狀態。本文提出了基于雙PWM變換的交直交變流器直接驅動變速風力發電機組發電系統。
2 變速恒頻風力發電系統拓撲結構
該風力發電系統的拓撲結構如圖1所示，由風力機、永磁同步電機、整流器、逆變器、濾波電感等構成。
在該風力發電系統中，采用風力機直接驅動低速永磁同步交流電機產生電能。使用直接驅動技術，在風力機與交流發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，在低風速時具更高的效率。這種系統中的低速交流發電機，其轉子極數大大多于普通交流同步發電機的極數，因此這種電機的轉子外圓及定子內徑尺寸大大增加，而其軸向長度則相對很短，呈圓環狀，為了簡化電機的結構，減小發電機的體積和質量，采用永磁電機是極為有利的。由于需要將發電機發出的全部交流電經整流―逆變裝置轉換后送入電網，因此采用大功率的電力電子器件。IGBT（絕緣雙極型晶體管）是一種結合大功率晶體管及功率場效應晶體管兩者特點的復合型電力電子器件，既具有工作速度快，驅動功率小的優點，又兼有大功率晶體管的電流能力大，導通壓降低的優點，因此在這種系統中采用基于IGBT的整流器和逆變器，其拓撲結構為普通的三相橋式結構。同二極管整流器相比，采用PWM整流器可以對發電機輸出電流進行控制，降低了發電機的銅耗和鐵耗，并且PWM整流器可提供幾乎為正弦的電流，因而減少了發電機側的諧波電流。直流環節并有一大電容，可維持電壓恒定。電網側串聯電感可用于濾波。通過對變流器的控制，將永磁電機發出的變頻變幅值電壓轉化為可用的恒頻電壓，并達到俘獲最大風能的目的。
3 風力發電及最大風能俘獲原理
根據風力發電機的相關理論，風力發電機的輸出功率P為
(1)
式(1)中，ρ為空氣密度；A為風輪葉片掃掠面積；υ為風速（指未擾動氣流的流速）；其中，功率系數Cp是風力機的葉尖速比λ的函數，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為風力機風輪角速度。
當葉尖速比變化時，功率系數Cp亦變化。實際上，只存在某一個λ值，使Cp值達到最大值。對應于Cp最大值Cpmax的λ值稱為最佳葉尖速比λopt。
不依賴于風速的風力發電機最佳功率Popt關系式為
(3)
當風力機的掃掠面積，空氣密度和風速恒定時，輸出的能量由風力機的功率系數Cp決定。而功率系數與葉片的空氣動力學特性有關。圖2表示了在風速改變（υ1<υ2<υ3<
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