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。缺点：高风速时很小的风俗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力机，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。

2)B型：有限变速

指可变转子电阻的有限变速风力机，如图9所示。OptiSlip TM，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史克栋，可变转子电阻的大小决定动态速度控制的范围。

电容器组

Figure 4 有限变速型风力发电机

3)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），如图10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

Figure 5 双馈式异步风力发电机

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），结构图如图11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。

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

Figure 7 不控整流+DC/DC升压+PWM逆变

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，增大了逆变器的调制深度范围、提高运行效率、减小谐波。同时，boost电路还可以控制永磁发电机转矩和转速，提高了性价比。（2）背靠背双PWM变流器型

Figure 8 back-to-back PWM变流器

电机侧变流器通过调节定子侧的d轴，可以控制发电机的无功功率为零;调节q轴电流，可以控制发电机的电磁转矩和转速，使转速跟踪参考转速，保持风力机处于最佳叶尖速比，在额定风速以下捕获最大风能:电网侧变流器可以维持直流侧电压恒定，通过调节网侧的d轴和q轴电流，可以对网侧变流器输出到电网的有功和无功功率进行解藕控制，方便调节系统的功率因数。

优点：后者中的PWM整流器可以同时实现整流和升压作用，所以效率较高，通过电流隔离，计策和网侧可以实现各自的控制策略。

缺点：全控型器件数量增多，控制电路也较复杂，增加了变流系统成本，性价比不如不控整流+DC-DC升压+PWM逆变器