流母线电压基本恒定，同时可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；
优点：永磁发电机具有最高的运行效率；在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好。
缺点：永磁发电机和全容量全控变流器成本高；发电机存在定位转矩，转速低、转矩大，体积重量明显增大；给机组起动造成困难。
如下图6，系统不必从电网或发动机侧得到无功功率；中间直流环节的存在，使发电机与电力系统没有无功能量交换；根据风能变化，通过变速恒频控制优化系统输出频率；网侧变流器可以改善功率因数，并在一定范围条节输出电压。
图6直驱式永磁风力发电系统
内转子型是一种常规发电机形式,风力机和永磁体内转子同轴安装。这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好,温度低,定子外形尺寸小。外转子型是风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合,定子电枢安装在静止轴上。这种结构易于永磁体安装固定,缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利,永磁体转子直径大,不易密封防护【5】。
图6中的变流器环节，一般采用背靠背双全功率变流器系统，它能够灵活地实现发电机高性能控制，具较大场份额和应用前景，具有重要研究价值。如图7所示，系统采用两个变流器,前端变流器实现对发电机功率、转速的控制,后端变流器稳定直流母线电压以及控制网侧功率因数。前端整流器可以实现永磁同步发电机的最大转矩、最大效率、最小损耗控制,可以有针对的提高系统的运行特性,缺点是控制复杂,功率开关元件数量较多,系统成本偏高。
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图7PWM整流器 + 电压型PWM逆变器拓扑结构
实际运行的商业化直驱型风力发电系统的结构也有采用前端不可控整流形式,如图所示,一部分采用变流器和网侧逆变器连接,通过升压结构提高了系统在低风速下的变换效率,该拓扑结构结构、控制简单,可靠性高,采用不可控整流降低了系统成本。但是由于采用不控整流,无法实现电机转矩和磁链的解祸控制,电机定子绕组电流低次谐波含量偏大【6】。
图8不可控整流器 + Boost变流器拓扑结构
2.4直驱式永磁风力发电系统控制
和传统的定速风力发电机相比,采用变速控制的风力机能够多捕获10%~15%的输入风能，变速恒频机组通过变流器控制发电机转速随风速变化,可使风能利用率大幅提高。
2.4.1最大功率跟踪控制
风力发电系统中最大功率跟踪实现方法较多,这些算法根据基于不同的变流器拓扑结构适合不同的风电机组,根据他们的实现原理大致可以分为三类：
（1）叶尖速比法
叶尖速比法通过调节风力机转速,使其维持在最佳叶尖速比，最佳叶尖速比作为控制信号输给控制器。但是实际应用中,该方法面临着风速测量、与叶尖速比的获得两个问题,风速测量为系统带来了成本上升,而且实际通过风轮机的风速较难准确测量,同时,最佳叶尖速比曲线随着风力机的尺寸结构赖性高,不同的
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风力机机组的输出特性不尽相同,这为系统带来了维护升级的负担。
（2）功率信号反馈法
功率信号反馈通过实测风力机输出功率、风力机转速和已知的风力机最大功率特性曲线做比较,获得当前控制器控制信号,该法省去了风速传感器。但是叶尖速比法一样,该法需要通过仿真或者实验的方法,预先获知风力机在不同风速下的最大功率点,对风力机尺寸同样依赖性高。
（3）爬山搜索算法
为了避变前述两种方法的缺陷,增加安装风速传感器,控制策略对风力机参数依赖性高等问题,提出了爬山搜索算法。爬山搜索算法根据风力机输出特性见图,寻找风力机输出最大功率点,即通过不同风力机速度下的实测功率,进行比较,自行调节风力机速度趋近最大功率点,该方法在风力机机组惯量小,速度响应快时,控制效果较好【10】。
与恒速恒频机组相比,变速恒频机组尽管在变流装置上增加了成本,控制也比较复杂,但其优点明显:一是发电机变速运行,能实现风能最大功率跟踪;二是风速脉动被机转子吸收,减小轴承等刚性元件的机械应力,有效抑制噪声;三是电力电子技术使变流机组控制更加灵活,能满足电网对风电机组高性能要求,如网侧有功和无功控制、快速动态响应、高质量电能并网等。基于永磁同步电机的直驱型机组拓扑结构如图8所示【7】：
图8
2.4.2风能吸收控制
为了更好地吸收风能，风力机一般采用以下几种调节方式： (1)定桨距失速调节
定桨失速是风电机组最简单的功率控制方式。当风速增大到一定值时,风轮桨叶受力变化,阻力增加、升力减小、叶片失速,从而限制机组功率增加。该方式无需功率反馈和变桨机构,整机结构简单、成本低,鲁棒性较强。同时,机组失速条件随风速增加由桨叶根部逐渐形成,和快速调桨动作相比,能减轻系统功率冲击。但定桨失速调节会影响低风速时风能利用率,不能辅助起动机组,随着机组功率等级的提高,叶片增长,其失速特性不易控制,因此,该功率控制方式很少应用在大型风电机组中。
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(2)变桨距调节
变桨距型风电机组能使桨距角随风速而变化。风速低于额定值,桨距角维持最优值以保证最大风能捕获。风速高于额定值,桨距角增大,限制风力机输入功率增加。和定桨失速机组相比,其机组功率控制性能明显提高,风机起动性能和功率输出特性都得到显著改善。缺点是变桨机构复杂,要求发电系统对阵风响应速度快,以减轻功率脉动对机组并网稳定性的影响。
(3)主动失速调节
主动失速调节是前两种调节方式的组合。风速较低时,桨距角维持最优值以保证风能利用率(最大风能捕获)。机组输入功率超过额定功率,桨距角反向调节,叶片失速效应加深,可限制机组输入功率增加。主动失速调节结合了前两种调节的优点,既利用失速特性对功率进行平滑限制,又保留变桨调节在最大功率跟踪、辅助机组起动等方面的优势。系统不需要高灵敏调节速度,执行机构的功率也小
【8】。
尽管变速恒频直驱永磁全功率变流风力发电系统目前也存在永磁同步电机体积大、造价高、运输和吊装困难、全功率变流装置成本较高等问题，但其主要优势在于省去了齿轮箱、滑环和电刷等薄弱环节，系统整体的运行效率和可靠性都显著提高。随着电力电子技术和永磁材料的快速发展，基于变速运行、变桨距调节的直驱永磁全功率变流风力发电系统显示了较大的发展潜力，成为了目前风力发电技术领域的重要发展方向【9】。
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