伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展及人口的增長，人類對能源的需求增加，而以煤炭、石油為主的常規(guī)能源存在有限性，且污染和破壞自然環(huán)境。風能是一種清潔的可再生能源，并且資源豐富，有著無需開采、運輸?shù)奶攸c。目前風力發(fā)電系統(tǒng)分非直驅風力發(fā)電系統(tǒng)和直驅風力發(fā)電系統(tǒng)，前者主要采用齒輪箱對風輪機提速后，驅動常規(guī)異步發(fā)電機，而直驅風力發(fā)電在整個體系結構中，由于省去了增速齒輪箱，減小了風力發(fā)電機的體積和重量，省去了維護，降低了風力發(fā)電機的運行噪聲，所以研究直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換裝置對提高風電轉換效率及開發(fā)風力發(fā)電技術的推廣，有著重要的社會效益和經(jīng)濟效益。
1、常規(guī)直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的特性
直驅風力發(fā)電系統(tǒng)采用低速的永磁同步發(fā)電機取代了異步發(fā)電機，在永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)中，風輪機將捕獲的風能以機械能的形式驅動永磁發(fā)電機，永磁發(fā)電機的轉速隨著風速的變化而進行變化，發(fā)出電壓和頻率都變化的電能，需要經(jīng)過電能變換電路輸出恒壓恒頻的電能。現(xiàn)階段常規(guī)離網(wǎng)型戶用風力發(fā)電系統(tǒng)的基本結構如圖1所示。
風速的時變性，使得風力發(fā)電機的電壓及頻率變化，不易于直接被負載利用，所以目前的獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)通過“交流-直流-交流”的轉換方式供電，且要考慮風速很弱及無風的情況，系統(tǒng)的裝置中使用了蓄電池進行儲能。先用整流器將發(fā)電機的交流電變成直流電向蓄電池充電，再用逆變器將直流電變換成電壓和頻率穩(wěn)定的交流電輸出供給負載使用。系統(tǒng)的能量傳輸分配中要經(jīng)過兩次能量轉換：電能-化學能-電能，能量的利用率偏低，且由于風力發(fā)電發(fā)出的能量較小，往往達不到負載需求的電能。
2、改造后的直驅風力發(fā)電系統(tǒng)
2.1 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成
針對直驅風力發(fā)電的特性，研究設計的風力發(fā)電系統(tǒng)應由風輪機、永磁同步發(fā)電機、電能變換裝置(整流器、直流調壓裝置、逆變器)、控制器、泄能負載、蓄電池、制動剎車裝置和用戶負載等組成，其設計研究的永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的結構組成原理圖如圖2所示。
2.2 能量傳輸分配分析
分析在正常情況下的能量流動路徑，由圖2所列出的風電系統(tǒng)的供電模式可知，在考慮風速大于切入風速及小于切出風速時，風力發(fā)電控制系統(tǒng)中的能量傳輸?shù)年P系大體上分4種情況如圖3所示。
正常啟動風速到達后，風輪機開始運行，當風速較大時，風力發(fā)電機組發(fā)出的電能，經(jīng)過電能變換裝置調節(jié)后，得到用戶負載所需要的交流電，多余的電能經(jīng)過蓄電池儲存起來;當風速不足時，風力發(fā)電機組發(fā)出的電能較小或則不發(fā)電能，此時由蓄電池發(fā)電給電能變換裝置，進而變換后，供給用戶負載;當風力發(fā)電機組發(fā)出的電能遠大于用戶所需的電能，且在蓄電池電量已被充滿的情況下，采用泄能負載控制器對多余的電能放電。
