风力发电系统的拓扑结构
风力发电系统的拓扑结构
、试论述现有风力发电系统的拓扑结构及各自特点风力发电系统主要有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，采用蓄电池进行蓄能；二是风力发电与其他发电方式（如太阳能发电）相结合形成互补发电系统向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力。
（一）独立运行的风力发电系统风力发电机组独立运行是一种比较简单的运行方式。
由于风能的不稳定性，需要配置充电装置，最普遍使用的充电装置为蓄电池，当风力发电机在运转时，为用电装置提供电力，同时将多余的电能向蓄电池充电。
根据供电系统的不同可分为直流系统和交流系统。
1、直流系统独立运行的直流风力发电系统为由一个风力机驱动的小型直流发电机经蓄电池蓄能装置想电阻性负载供电。
当风力减小，风力机转速降低，致使直流发电机电压低于蓄电池组电压时，发电机不能对蓄电池充电，而蓄电池却要向发电机反向送电。
为了防止这种情况的发生，在发电机电枢电路与蓄电池组之间装有由逆流继电器控制的动断出点，当直流发电机电压低于蓄电池组电压时，逆流继电器工作断开动断触点，使蓄电池不能向发电机反向供电。
如图1-1所示。
图1-1独立运行的直流风力发电系统2、交流系统如果在蓄电池的正负极两端直接接上直流负载，则构成了一个由交流发电机经整流器组成整流后向蓄电池充电及向直流负载供电的系统。
如图1-2所示。
女口果在蓄电池的正负极接上逆变器，则可向交流负载供电。
如图1-3所示。
图1-2交流发电机向直流负载供电独立运行的风力发电系统特点：结构简单，规模小，但只能向独立的小用户 提供电力。
（二） 互补运行的风力发电系统在互补运行的风力发电系统中，除了有风力发电装置之外，还带有一套备用 的发电系统，经常采用的是柴油机，也有利用太阳能电池。
风力发电机和柴油发 电机构成一个混合系统。
在风力发电机不能提供足够的电力时由柴油机提供备用 的电力，以实现连续、稳定的供电。
风电拓扑结构的分析与设计
风电拓扑结构的分析与设计第一章概述随着人们对环境的重视和对可再生能源的需求增加，风电成为了当今最具发展潜力的新型能源之一。
但是风电的高效利用离不开适合的拓扑结构，因此，深入分析和设计风电拓扑结构显得尤为重要。
本文将从风电拓扑结构的基础概念出发，深入探讨其分析和设计方面的关键问题，旨在为广大从事风电领域的工程师和研究人员提供有益参考。
第二章风电拓扑结构的基础概念1.拓扑结构的定义拓扑结构是指电力系统中各种电力设备间连接方式的结构形式，在风电系统中，包括线路、变压器、变流器等。
2.常见的拓扑结构常见的风电拓扑结构包括：单机组并网、双馈风机系统、全功率变频调速系统和直接驱动系统等。
其中，单机组并网的拓扑结构最为简单，能够实现单机组通过并网线路与电网相连接，但功率容量较小，无法满足大型风电场的要求。
3.常见的双馈风机系统双馈风机系统一般由主变压器、转子、齿轮箱和电子器件组成，通过利用电子器件对转子控制实现双馈风机并网。
该结构具有容错能力强、运行稳定可靠、输出功率高等优点，在风电场应用最为广泛。
第三章风电拓扑结构的分析1.拓扑结构的分析方法分析拓扑结构需要先确定电源和负载的类型和位置，然后通过电路分析方法，将电力设备的连接关系用电路图的方式表示出来。
接着，根据电路图中的电流、电压等参数，结合电力系统的基本等式和方程式，分析电路中各个设备的电性能和耦合关系，从而找出系统的优缺点及其影响因素。
2.分析的核心问题（1）功率控制在风电系统中，反馈控制能力是提高功率控制精度的关键因素。
因此，分析拓扑结构时需要注意系统分布式控制算法的设置，从而实现根据能量需求，动态调节输出功率和稳定电网的目标。
（2）系统效率系统效率是风电拓扑结构中需要关注的另一个重要因素。
分析出电路中耗散的电能和损耗的能量后，可以通过另设有关补偿、滤波等的电路，或调整电子器件的构造和参数，来降低电能损失和提高系统效率。
第四章风电拓扑结构的设计1.设计的方法风电拓扑结构设计要充分考虑各种电力设备的工作性能和相互之间的耦合特性。
风力发电系统的分类与拓扑结构
风力发电系统的分类与拓扑结构风力发电系统首先可以分为两类：独立型风力发电系统和并网型风力发电系统。
1.独立型风力发电系统通常独立型风力发电规模较小，单机容量一般为10kW及以下，通过蓄电池等储能装置或与其它能源发电技术相结合，用以解决偏远地区的供电问题。
并网型风力发电：指接入电力系统运行且规模较大的风力发电场。
单机容量一般在数百kW及MW。
并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，大功率风电机组并网发电是高效大规模利用风能最经济的方式，是当今世界利用风能的主要方式。
小型风力发电系统经常与其他能源混合发电，又可称之为“混合电力系统”。
1)一种是传统的直流混合系统，如图6所示。
小型风力机输出的交流频率和电压可变的交流电，经过整流后输送到电池组电压等级的直流母线。
能量存储在电池中或通过逆变器转换成交流提供给负荷。
电池组被用来平滑风力机的功率波动，存储有风时产生的能量以备不时之需。
Figure 1 小型发电直流混合系统2)另一种是交流母线为主体的小发电系统。
光伏和风力发电系统通过专用快速逆变器接入交流电网。
Figure 2 小型发电交流混合系统2.并网型风力发电系统并网型风力发电系统可分为恒速（A型）、有限变速（B型）、变速含部分功率变频器（C型）以及变速全功率变频器（D型）。
1)A型：恒速此类型主要指鼠笼式感应发电机（SCIG）通过变压器直接连接电网的恒速风机，如图8所示，双绕组风机也可归于此类。
因为鼠笼式感应电机需要从电网吸收无功功率，所以此类型风力机使用电容器组进行无功功率补偿，使用软启动器可以获得平稳的电网电压。
此类型的缺点是不支持速度控制，需要刚性电网支持，电容器组Figure 3 恒速鼠笼型感应发电机该类型还具体包括三种类型：（1）失速控制型。
该机型在上世纪80~90年代被许多丹麦风力机制造商采用。
特点：简单、坚固、耐用。
不能实现辅助启动，无法控制风力机的功率。
（2）桨距控制型。
优点是可控功率，可控启动和紧急停车。
风力发电系统的分类及拓扑
并网型风力发电系统
• 2.B型：有限变速 指可变转子电阻的有限变速风力机，如下图所示。
OptiSlipTM，该技术是Vestas公司在20世纪90年代中期 开始使用。使用绕线感应发电机（WRIG）直接并网；同 样需要电容器组进行无功功率补偿，使用软起动器并网。 由于转子电阻可变使得转差率可变，因此系统的功率输出 稳定，可变转子电阻的大小决定动态速度控制的范围。
接三相转差频率变频器实现交流励磁。部分功率变频器用来进行无功
功率补偿。双馈发电机是指，在控制中发电机的定、转子都参与了励
磁，并且定、转子两侧都有能量的馈送。
• 优点：变频器的容量小，更具经济性，动态速度控制范围快一般为同 步转速的-40%~30%。
• 缺点主要是需要使用滑环和需要有电网故障保护，具有齿轮箱，结构 笨重，易出现机械故障。
特点及其拓扑结构
并网型风力发电系统
• C型：变速含部分功率变频器
•
此类型主要指双馈式感应发电机（DFIG），如下图所示。是含
绕线转子感应发电机（WRIG）和转子电路中部分功率变频器（额定
值约为标称发电机功率的30%）。双馈发电机结构类似于三相绕线式
异步感应电机，具有定、转子两套绕组，定子绕组并网，转子绕组外
The end
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特点及其拓扑结构
并网型风力发电系统
• 4.D型：变速全功率变频器型 • 此类型主要指发电机通过全功率变频器并网的全变速风
力机。发电机主要有绕线转子同步风力发电机（WRSG） 或永磁同步发电机（PMSG），结构图如下图所示。 • 其中一些全变速风力发电机系统省去了齿轮箱，此时需 要直驱多级发电机，其直径较大。
风力发电系统分类：
风力发电系统的分类与拓扑结构
风力发电系统的分类与拓扑结构风力发电系统首先可以分为两类：独立型风力发电系统和并网型风力发电系统。
1.独立型风力发电系统通常独立型风力发电规模较小，单机容量一般为10kW及以下，通过蓄电池等储能装置或与其它能源发电技术相结合，用以解决偏远地区的供电问题。
并网型风力发电：指接入电力系统运行且规模较大的风力发电场。
单机容量一般在数百kW及MW。
并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，大功率风电机组并网发电是高效大规模利用风能最经济的方式，是当今世界利用风能的主要方式。
小型风力发电系统经常与其他能源混合发电，又可称之为“混合电力系统”。
1)一种是传统的直流混合系统，如图6所示。
小型风力机输出的交流频率和电压可变的交流电，经过整流后输送到电池组电压等级的直流母线。
能量存储在电池中或通过逆变器转换成交流提供给负荷。
电池组被用来平滑风力机的功率波动，存储有风时产生的能量以备不时之需。
Figure 1 小型发电直流混合系统2)另一种是交流母线为主体的小发电系统。
光伏和风力发电系统通过专用快速逆变器接入交流电网。
Figure 2 小型发电交流混合系统2.并网型风力发电系统并网型风力发电系统可分为恒速（A型）、有限变速（B型）、变速含部分功率变频器（C型）以及变速全功率变频器（D型）。
1)A型：恒速此类型主要指鼠笼式感应发电机（SCIG）通过变压器直接连接电网的恒速风机，如图8所示，双绕组风机也可归于此类。
因为鼠笼式感应电机需要从电网吸收无功功率，所以此类型风力机使用电容器组进行无功功率补偿，使用软启动器可以获得平稳的电网电压。
此类型的缺点是不支持速度控制，需要刚性电网支持，电容器组Figure 3 恒速鼠笼型感应发电机该类型还具体包括三种类型：（1）失速控制型。
该机型在上世纪80~90年代被许多丹麦风力机制造商采用。
特点：简单、坚固、耐用。
不能实现辅助启动，无法控制风力机的功率。
（2）桨距控制型。
优点是可控功率，可控启动和紧急停车。
培训资料风电机组和风电场通讯方式
光电转换器 数据交换机
服务器
风电机组和风电场通讯方式
变电站
风机上的光电转换器
风机
风机上的光电转换器
风机
连接详情
风电机组和风电场通讯方式
风机
风机上的光交换机
实
物
图
华锐交换机 作用：信号放大
中控台监控电脑
华锐服务器
风电机组和风电场通讯方式
二、复合环网 优点：造价低，降低接线延迟率 缺点：维护较为复杂
风电机组和风电场通讯方式
网络拓扑结构
1、星型拓扑结构 2、集中式网络 3、环型网络拓扑结构 4、总线拓扑结构 5、分布式拓扑结构 6、树型拓扑结构 7、网状拓扑结构 8、混合型拓扑结构
风电机组和风电场通讯方式
星型拓扑结构
风电机组和风电场通讯方式
集中式网络
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环型网络拓扑结构
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风电机组和风电场通讯方式
风电机组和风电场通讯方式
数据交换模式
工控机 visupro
工控机 visupro
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工作站
核心级工控机 数据计算 故障管理
数据服务器 在线报表 数据交换
核心服务器
在线工作站
一、线型连接（串连） 二、复合环网
风电机组和风电场通讯方式
一、线型连接（串连）
连接形式
此类型为风场华锐风机接线方式
变速恒频异步风力发电系统拓扑。.
变速恒频异步风力发电系统拓扑。
采用绕线异步电机作为发电机并对其转子电流进行控制，是变速恒频异步风力发电系统的主要实现形式之一。
主要的拓扑结构包括交流励磁控制，转子斩波调阻以及由上述两种拓扑结构结合发展而来的混合结构。
1.交流励磁结构交流励磁控制通过变频装置向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，这种方式的变频装置通常使用交交变频器，矩阵变换器或交直交变频器。
交交变频器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定，可靠，适合作为双馈电机转子绕组的变频器电源，交交变频的最高输出频率是电网频率的1/3-1/2，在大功率低频范围有很大的优势。
交交变频没有直流环节，变频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。
虽然交交变频双馈系统得到了普遍的应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多使之应用受到了一定的限制。
矩阵式变频器是一种交交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。
矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压；矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。
虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象，实现起来比较困难。
矩阵变换器最大输出电压能力低，器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。
应用在风力发电中，由于矩阵变换器的输入输出不解耦，即无论是负载还是电源侧的不对称都会影响到另一侧。
另外，矩阵变换器的输入端必须接滤波电容，虽然其电容的容量比交直交的中间储能电容小，但由于它们是交流电容，要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。
交直交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。
传统的电流型交直交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。
【课件】风力发电系统的分类及拓扑ppt
兰国军 电力系统及其自动化 20111100351
风力发电系统分类：
1.独立型风力发电系统
通常独立型风力发电规模较小，单机容量一般为10kW及以下， 通过蓄电池等储能装置或与其它能源发电技术相结合，用以解决偏远 地区的供电问题。
2.并网型风力发电系统。
指接入电力系统运行且规模较大的风力发电场。单机容量一般在 数百kW及MW。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑 ，大功率风电机组并网发电是高效大规模利用风能最经济的方式，是 当今世界利用风能的主要方式。
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（2） 桨距控制型。 优点是可控功率，可控启动和紧急停车。
缺点：高风速时很小的风速变化也会导致很大的输出功率波动。 桨叶调节能补偿份额的缓慢变化，但阵风情况不能补偿。
（3） 主动失速控制型。低风速时桨叶调节类似于桨距控制型风机，高 风速时、使桨叶进入深度失速状态。
优点：能够获得更平稳的有限功率，不会出现桨距控制型风力机 的高功率波动。
• 直驱式永磁同步发电机根据全功率变流器的不同又可分为： （1）不可控整流+DC/DC升压+PWM电压源型逆变器型
DC/DC环节将整流器输出的直流电压提高并保持稳定在合适的 范围内，使得逆变器的输入电压稳定，提高运行效率、减小谐 波。
• （2）背靠背双PWM变流器型
优点：后者中的PWM整流器可同时实现整流和升压，效率较高，通 过电流隔离，机侧和网侧可以实现各自的控制策略。 缺点：全控型器件数量多，控制电路复杂，增加了变流系统成本
特点及其拓扑结构
并网型风力发电系统
• C型：变速含部分功率变频器
•
此类型主要指双馈式感应发电机（DFIG），如下图所示。是含
风电变流器的模块化拓扑结构设计与实现
风电变流器的模块化拓扑结构设计与实现随着可再生能源的发展和推广，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式正逐渐受到重视。
风力发电系统中的关键部件之一是风电变流器，在将风轮产生的变化风速转换为恒定频率和电压的交流电时起到至关重要的作用。
风电变流器的模块化拓扑结构设计与实现是提高风电系统效率和可靠性的关键因素之一。
模块化设计能够使变流器的故障诊断与排除更加便捷，同时可以提高变流器的可维修性和可扩展性。
在设计风电变流器的模块化拓扑结构时，首先需要考虑变流器的功率级别和功能要求。
根据风电系统的规模和装机容量，选择合适的功率级别，一般为数千千瓦至数十万千瓦。
接下来，需确定变流器的功能要求，包括输出功率、输出电压、电流质量和运行稳定性等。
基于功率级别和功能要求，设计师可以选择适合的模块化拓扑结构。
常见的模块化拓扑结构包括多级逆变器、并联逆变器和串联逆变器等。
多级逆变器具有分布式输出电压和电流的特点，能够提高电力质量，减少电网对逆变器的要求。
并联逆变器适用于需要增加系统容量或降低单个逆变器功率的情况下，具备高效能够并联多个逆变器的能力。
串联逆变器则适用于需要提供高电压和大功率输出的情况，能够提高系统效率。
根据实际需求选择合适的拓扑结构，能够提高风电变流器的性能。
在实现风电变流器的模块化拓扑结构时，可以采用硬件模块化和软件模块化相结合的方式。
硬件模块化通常采用模块化逆变器、模块化滤波器和模块化电感器等，使整个系统易于拆卸和维护。
软件模块化则可以通过编程实现，利用控制算法实现模块化功能，并通过通信接口进行模块间的数据传输和联动控制。
在设计风电变流器的模块化拓扑结构时，还需要关注系统的可靠性和安全性。
采用模块化结构可以降低故障发生的概率，同时利于故障的检测和隔离。
在模块化拓扑结构中，一个模块的故障不会影响整个系统的工作，只需替换或修复故障模块即可恢复系统的正常运行。
此外，应考虑系统的保护功能，包括过载保护、短路保护、过温保护等，以保证系统的安全运行。
风能发电系统的拓扑结构分析
风能发电系统的拓扑结构分析随着全球对清洁能源需求的增加，风能发电逐渐成为了一个备受关注的领域。
而所谓的风能发电系统，其实就是通过风能驱动风机转动，进而产生能电能的一种技术。
不过，真正形成一套风能发电系统需要考虑的因素可不仅仅只有这些。
在具体的实现过程中，我们需要找到一种拓扑结构，以确保整个系统能够高效地运转。
那么，接下来的内容将会从风能发电系统的拓扑结构分析这一角度进行详细描述。
第一部分：什么是风能发电系统的拓扑结构在正式开始这个话题之前，我们需要先搞清楚一个概念——什么是拓扑结构。
简单来说，拓扑结构指的是构成系统的物理部件之间的连接形式和方式。
对于风能发电系统而言，拓扑结构包含了风机、变频器、电网等一系列组成部分之间的连接方式。
在拓扑结构的制定和应用中，风能发电系统可以被分为了两类：集中式和分布式。
集中式的风能发电系统，通常有一台或多台大型发电机组成一个发电厂，再将其连接至高压输电网中。
这样的体系可以使风能发电的成本在一定程度上得到有效的控制，但同时它所涉及的电力网络场景而言较为局限。
而分布式的风能发电系统，通常可以分布在不同的地方、不同的规模。
虽然这样的操作会使得成本上升，但对于电力供应从整个系统来看也更加灵活，而且还可以获得更高的产电效率。
第二部分：风能发电系统的拓扑结构优化在确定了风能发电系统的拓扑结构之后，我们可以开始进一步的分析。
这里，主要有两个问题需要考虑。
第一个问题，是如何能够充分利用风能。
根据统计数据，风能的利用率通常可以达到50%-60%，并且还存在着更大的潜力。
因此在编制拓扑结构时，我们需要考虑如何选择更加适合的风机型号以及布置方式。
第二个问题，是如何在电能储存和转换中找到最佳模式。
作为一种可以可持续发展的新能源技术，风能发电的最大问题之一在于能源存储和效率转换。
因此，我们需要找到一种同时改善风机功率输出功率与电网一致的解决方案。
第三部分：风能发电系统拓扑结构的优势最后，我们来谈谈风能发电系统的拓扑结构优势。
风能发电的逆变器拓扑结构与控制策略
风能发电的逆变器拓扑结构与控制策略随着全球对可再生能源的需求不断增长，风能发电作为一种清洁、可持续的能源形式受到了广泛关注。
在风能发电系统中，逆变器是一个关键的组成部分，它将直流电能转换为交流电能，以供电网使用。
本文将探讨风能发电的逆变器拓扑结构与控制策略。
逆变器的拓扑结构是指逆变器中开关器件的连接方式。
常见的逆变器拓扑结构有单相桥式逆变器、三相桥式逆变器、多级逆变器等。
单相桥式逆变器是一种简单且经济实用的结构，适用于小型风能发电系统。
三相桥式逆变器则适用于中等规模的风能发电系统，具有较高的输出功率和较好的电压质量。
而多级逆变器则适用于大型风能发电系统，能够提供更高的输出电压和较低的谐波失真。
除了拓扑结构，逆变器的控制策略也是影响其性能的重要因素。
常见的逆变器控制策略有脉宽调制（PWM）控制、谐波消除控制、电流控制等。
其中，PWM控制是一种广泛应用的控制策略，通过调整开关器件的导通时间来控制输出电压的幅值和频率。
谐波消除控制则是通过改变逆变器输出电压的谐波分量来减小谐波失真。
电流控制则是通过对逆变器输出电流进行调节，以实现对输出功率的精确控制。
在风能发电系统中，逆变器的控制策略还需要考虑到风能的不稳定性。
由于风速的变化，风能发电系统的输出功率会出现波动。
因此，逆变器的控制策略需要能够快速响应风能的变化，并实现对输出功率的稳定控制。
一种常见的控制策略是最大功率点跟踪（MPPT）控制，通过调整逆变器的工作状态，使其输出功率达到最大值。
此外，还可以采用滑模控制、模糊控制等策略来实现对输出功率的稳定控制。
除了控制策略，逆变器的故障保护也是非常重要的。
由于风能发电系统通常安装在户外环境中，逆变器容易受到恶劣天气和环境条件的影响。
因此，逆变器需要具备过压保护、过流保护、短路保护等功能，以保证系统的安全运行。
综上所述，风能发电的逆变器拓扑结构与控制策略是影响风能发电系统性能的重要因素。
逆变器的拓扑结构需要根据系统规模和要求来选择，控制策略需要考虑风能的不稳定性，并实现对输出功率的稳定控制。
[讲解]风电机组拓扑结构
![[讲解]风电机组拓扑结构](https://img.taocdn.com/s3/m/f183566aa36925c52cc58bd63186bceb19e8ed05.png)
并网风力发电机组的基本类型及其变流器的基本拓扑3.1发电机组基本类型（1）恒速系统笼型/绕线型转子异步风力发电机系统SCIG：鼠笼式感应（异步）发电机WRIG：绕线式感应（异步）发电机（2）半变速系统双馈型风力发电机系统（有齿轮箱）DFIG：双馈感应发电机CROWBAR：转子侧保护电路（3）全变速系统电励磁/永磁同步直驱型风力发电机系统（无齿轮箱）PMSG:永磁同步发电机优缺点比较风电机组的主要类型：直驱型风力发电机组，半直驱型风力发电机组，双馈型风力发电机组、笼型/绕线式异步风力发电机组。
各种类型发电机的对比（1）笼型异步发电机成本低、可靠性高，在定速和变速全功率变换风力发电系统中将继续扮演重要角色；（2）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适合于变速恒频风力发电将在未来数年内继续成为风电市场上的主流产品；（3）直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。
（a）采用笼型异步电机（SCIG）作为发电机，A型风力发电机的转速变化范围通常较小（1～2%），是定速风力发电机。
（b）为采用绕线式异步电机（WRIG）的转差控制型风力发电机，其调节范围较小通常在5~10%，并且不具有无功功率控制和电压控制的能力。
（c）为采用双馈电机（DFIG）作为发电机的双馈型风力发电机，突出优点是变流器容量较小（通常为25～40%），既能满足风力机调速范围的要求又降低了变流器的容量，具有较强的价格优势，并且在采用适当的控制策略后它也能够满足电网对风力发电机的要求，如有功功率——频率控制和无功功率——电压控制等。
（d）采用全功率变流器实现风力发电机的全范围调速，所采用的发电机可以为永磁同步发电机或绕线式同步发电机等，这一类型的风力发电机需要变流器容量较大（约为120%的额定容量），但这一类型的风力发电机可以实现发电机与电网的完全解耦，从而较容易满足电网的要求。
另外，D型风力发电机具有可以节约齿轮箱的优势，如同步直驱型完全不需要齿轮箱。
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二、试论述现有风力发电系统的拓扑结构及各自特点。
风力发电系统主要有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，采用蓄电池进行蓄能；二是风力发电与其他发电方式（如太阳能发电）相结合形成互补发电系统向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力。
（一）独立运行的风力发电系统
风力发电机组独立运行是一种比较简单的运行方式。
由于风能的不稳定性，需要配置充电装置，最普遍使用的充电装置为蓄电池，当风力发电机在运转时，为用电装置提供电力，同时将多余的电能向蓄电池充电。
根据供电系统的不同可分为直流系统和交流系统。
1、直流系统
独立运行的直流风力发电系统为由一个风力机驱动的小型直流发电机经蓄电池蓄能装置想电阻性负载供电。
当风力减小，风力机转速降低，致使直流发电机电压低于蓄电池组电压时，发电机不能对蓄电池充电，而蓄电池却要向发电机反向送电。
为了防止这种情况的发生，在发电机电枢电路与蓄电池组之间装有由逆流继电器控制的动断出点，当直流发电机电压低于蓄电池组电压时，逆流继电器工作断开动断触点，使蓄电池不能向发电机反向供电。
如图1-1所示。
图1-1 独立运行的直流风力发电系统
2、交流系统
如果在蓄电池的正负极两端直接接上直流负载，则构成了一个由交流发电机经整流器组成整流后向蓄电池充电及向直流负载供电的系统。
如图1-2所示。
如果在蓄电池的正负极接上逆变器，则可向交流负载供电。
如图1-3所示。
图1-2 交流发电机向直流负载供电
图1-3 交流发电机向交流负载供电
独立运行的风力发电系统特点：结构简单，规模小，但只能向独立的小用户提供电力。
（二）互补运行的风力发电系统
在互补运行的风力发电系统中，除了有风力发电装置之外，还带有一套备用的发电系统，经常采用的是柴油机，也有利用太阳能电池。
风力发电机和柴油发电机构成一个混合系统。
在风力发电机不能提供足够的电力时由柴油机提供备用的电力，以实现连续、稳定的供电。
主要特点是：一是系统可靠性高。
互补运行发电系统综合了至少两个发电系统的特点，取长补短，相互补充，更好地保证了供电系统的可靠性；二是由于综合了多个发电系统的优势，互补运行发电系统从经济性、可靠性等方面进行更加科学、合理的配置。
（三）并网运行的风力发电系统
根据发电机的运行特征和控制技术，并网型风力发电系统可分为恒速恒频发电和变速恒频发电两大类。
1、恒速恒频发电机的并网运行
恒速恒频风力发电系统的基本结构如图1-4所示。
随着风速的变化，发电机输出频率变化较小，而且叶片转速变化范围也很小，看上去叶片似乎是在“恒速”旋转。
目前常用于这种恒速风力机系统的功率控制方式为变桨距控制。
其工作特性为：在额定风速以下时，桨距角保持零度附近，可认为等同于定桨距风力发电机，发电机的输出功率随风速的变化而变化；当风速达到额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整桨距角，保证发电机的输出功率在允许的范围内。
它的主要优点是桨叶受力较小，因而可以做得比较轻巧，并且可以尽可能多的捕获风能，提高发电量；其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。
图1-4 恒速恒频发电系统
恒速恒频风力发电系统具有结构简单、成本低、过载能力强以及运行可靠性高等优点。
主要缺点：一是风力机转速不能随风速而变，从而降低了对风能的利用率；二是当风速突变时，巨大的风力传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力；三是并网时可能产生巨大的冲击电流。
而在变速恒频中，发电机的转速是可以随风速变化的，变速恒频风力发电系统主要有两种类型，一种是双馈型异步发电机，一种是风力机直接驱动同步发电机。
如图1-5为风轮机直接驱动的同步发电机系统，在此系统构成的变速恒频发电系统中，风力机直接与发电机相连，不需要齿轮箱升速，发电机输出电压的频率随转速变化而变化，通过交-直-交或交-交变频器与电网相连，在电网侧得到频率恒定的电压。
图1-5 风轮机直接驱动的同步发电机系统
如图1-6为双馈感应发电机系统，它基本结构包括绕线式异步发电机、变频
器和控制环节，其定子绕组直接接入电网，转子采用三相对称绕组。
发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过逆变器从转子输出的功率。
当风力机运行在超同步速度时，功率从转子流向电网；而当运行在亚同步速度时，功率从定子流向转子。
如图1-6 双馈感应发电机系统
与传统的恒速恒频风力发电系统相比，变速恒频系统具有如下优点：
（1）风能转换效率高。
变速运行风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行，提高了风力机的运行效率，与恒速恒频风电系统相比，理论上年发电量一般可提高20％以上。
变速运行的风力机不但年运行小时数较高，而且输出功率上限也比恒速运行的风力机要高。
（2）采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，当风速跃升时，能吸收阵风能量，把能量储存在机械惯性中，减少阵风冲击对风力机带来的疲劳损坏，减少机械应力和转子脉动，延长风力机寿命。
当风速下降时，高速运转的风轮能量便释放出来变为电能送给电网。
（3）通过矢量控制调节励磁，可以实现发电机输出有功功率和无功功率的独立调节。
在实现最大风能捕获的同时，还可以调节电网功率因数，提高了电力系统的动静态性能和稳定性。
由于采用了交流励磁，变速恒频发电方式可以实现发电机和电力系统的柔性连接，并网相对容易而且并网运行后一般不会发生失步。
（4）采用变速恒频发电技术，可使变桨距调节简单化。
变速运行放宽了对桨距控制响应速度的要求。
在低风速时，桨距角固定；在高风速时，调节桨距角限制最大输出功率。
（5）较宽的转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。
采用先进的PWM技术，可抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。
双馈电机可通过调节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。