直驱风力发电系统采用的全功率变换器拓扑结构主要有以下两种。

（1）发电机侧不可控整流器+boost升压斩波电路和网侧PWM逆变器，如图3.1所示。DC-DC boost的引入是为了在低风速时增加直流环节的电压输出，否则系统将消耗较高的无功功率，引起电网电压波动。采用这种电路结构可以降低成本，但是它不具备四象限运行的能力，且由于发电机侧不可控整流导致机侧谐波增大会影响发电机的运行效率，因而在实际运行中受到很大的限制。

（2）背靠背式双PWM全功率变换器，如图3.2所示。同二极管不可控整流器相比，这种电路结构采用了PWM整流，因而发电机侧电流波形几乎是正弦波，从而降低了发电机的铜耗和铁耗。并且PWM整流器通过对变换器控制系统的控制，可以对电网的功率因数进行调节，这也是一种技术最先进、适应范围最广泛的方案，代表着目前的发展方向。它的缺点是价格比较昂贵，整流器损耗较大。

图3.2所示的背靠背式双PWM变换器系统由风轮机、低速永磁同步发电机，PWM整流器、中间直流环节和PWM逆变器组成。风轮机用来捕获风中的能量；永磁同步发电机将风轮机捕获的风能转换为幅值和频率交变的交流电能；PWM整流器将发电机发出的交流电转化为直流电，直流储能环节用来存储整流后的直流电能，同时也可以吸收所连接逆变器的无功功率，使有功功率和无功功率在直流环两侧保持平衡；逆变器将直流电逆变成符合并网条件的交流电。采用双PWM变换器的优点是可以通过改变PWM调制深度来改变发电机的转速，以实现最大功率点跟踪，捕获更多的能量；同时，通过对PWM逆变器的有效控制实现单位功率因数能量传输。

典型的直驱风力发电系统通常包括电气部分和机械部分。电气部分包括多极永磁同步发电机、变换器及其控制部分，机械部分由气动元件、无齿轮驱动链和桨距角控制器组成。同步发电机通过一个全功率变换器系统连接到电网上，变换器控制发电机的转速和流向电网的电功率。全功率变换器由两个背靠背式电压源变换器组成（网侧变换器和发电机侧变换器），它们由IGBT开关控制，并通过直流母线连接，直流环节就是一个能量储存装置。使用全功率变换器可以使发电机与电网隔离开来，发电机的转速可以随着风速的变化而变化，发电机的端电压和电气频率可以根据风轮机最佳转速来决定，与交流电网的固定电气频率和电压无关。

在直驱风力发电系统中，风轮机的转子是直接连接到发电机转轴上的，永磁体安装在发电机转子上，发电机定子可由几套绕组组成，发电机定子发出的电功率送给全功率变换器，变换器将变化的发电机电气频率转换成固定的电网频率。在变速风轮中，流向电网的功率由功率变换器来设定；而在定速风轮中，流向电网的功率取决于驱动风轮所获得的机械功率。

整个风力发电系统中的控制部分包括桨距角控制器和功率变换器控制器，两个控制器都用到发电机转速信号，如图3.3所示。这是一种新的变换器控制策略，发电机侧变换器控制发电机定子电压 U _s 和直流母线电压 U _DC ，而网侧变换器根据风轮机的转速-功率控制特性，通过控制流入电网的功率来控制发电机转速。桨距控制器也控制发电机转子转速，但它只是在高风速时为了避免发电机和变换器的过载才起作用，这时通过增大桨距角、减小从风中捕获的机械功率，将发电机发出的电功率限制在额定功率附近。

永磁同步发电机通过一个背靠背式双PWM变换器连接到电网，只有有功功率传递到电网，无功功率不能通过直流环节在变换器中进行交换。然而，网侧变换器的电气频率和电压相对于电网是固定的，可以通过对它进行设定来控制电网的无功功率和电压，因此这种结构可以实现有功和无功功率控制。

电气频率 f _e 是风轮转子的机械频率 f _r 和发电机极对数 n _p 的乘积，即

发电机转子的机械频率 f _m 与风轮机转子角速度 ω _w 有关，即

对发电机进行控制的目的是调节发电机的转速以获得最佳叶尖速比，使风轮转子输出的机械功率最大，并发电机电压保持在一个理想的范围内。 tAIHDyx0ihnvbUCj38bkNKz3ru73Q7JfrxyZbg4pLq4RyA3pFyhlUK0CzoqHgrVn