永磁直驱风电系统变流器拓扑结构分析摘要：交流器作为永磁直驱风电系统中不可或缺的一节，其拓扑结构直接影响了 系统的整体性能因此，本文介绍了五种拓扑结构，并分析了各自的原理以及优 缺点关键词：永磁直驱风电；变流器；拓扑结构一、研究背景随着人类社会的不断进步，能源成为了全球范围内人们最为关注的问题之一 天然气、石油以及煤炭是全球消耗最多的能源，但是由于其不可再生的特点，全 球储备量正在急剧下降，价格也因此不断攀升与此同时，化石燃料的使用带来 的环境问题也不容小觑因此发展风能等清洁的可再生的能源，是未来能源发展 的必然趋势［1］风力发电因其可再生、清洁、储量大等特点，受到全球的广泛关注，进入21 世纪以后已经发展的相当成熟风力发电的商业潜力巨大，开发规模也逐年攀升， 我国作为风机发电总装机容量最大的国家，每年的风力发电量都在不断增加据 国家统计局发布的数据，2020 年 1 月至 8 月份我国风力发电总装机容量已经达 到 2696 亿千万时，同比增长 9.6%，2020 年 8 月份单月，我国风力发电容量达到 281 亿千万时，同比增长 18.7%变速恒频风电系统中，双馈感应发电机的使用较为广泛，而永磁同步发电机 的直驱式系统也逐渐开始崭露头角。
双馈式系统需要配备增速齿轮箱，齿轮箱的 噪音较大且容易发生故障，检修也很复杂但是双馈式系统具也有体积小、重量 轻、成本低等优点相比之下，永磁直驱式风电系统需要全功率变流器，体积和 重量相对双馈式系统大一些，因而具有较高的成本但是永磁直驱式风电系统不 需要配备齿轮箱，因此也不必经常维修，机械效率也较高在电网电压故障时， 能更好的实现风电系统的不间断并网二、变流器拓扑结构分析永磁直驱式风电系统要想顺利运行，其中的变流器必不可少变流器起到了 减少谐波，使输出电流保持正弦以及保持系统高频恒压运行的作用电流器在保 证系统输出电能质量以及隔离系统故障等方面有着举足轻重的作用，因此关于变 流器拓扑结构的研究变得十分有必要［2］(一) 不控整流+逆变器拓扑不控整流+逆变器拓扑的结构主要原理就是通过整流电路将永磁同步发电机 的交流电转换为直流电，然后再利用逆变器将直流电转换为交流电实现并网这 种拓扑可分为不控整流+电流源型逆变器(如图1)以及不控整流+电压源型逆变 器(如图2)两种图l(a)的结构早期使用较多，因为晶闸管的功率等级高且成 本低廉但是这样也会产生很多的谐波，对电流造成污染，需要采取一定的无功 补偿装置。
图1(b)的利用全控型器件构成逆变器，减少了谐波污染的烦恼，因 此也免去了无功补偿装置电网电网(a)由晶闸管恂成逆变器风力机⑹ 由全控型器件椅战逆变器氏磁同步发电机风力机永磁同步发电机补偿系统图 1 不控整流+电流源型逆变器结构图 2 所示的不控整流+电压源型逆变器的直流侧电压会根据输入的变化而变 化，而全控型器件能够通过改变调制比来保证输出侧电压的恒定这种拓扑结构 能够减少并网电能的谐波污染，并且能灵活调节并网的功率但是其电能响应能 力较差，对于风速变化范围较大的情况，也难以很好的调控水磯同步城力机图 2 不控整流+电压源型逆变器结构（二）不控整流+DC/DC变换+逆变拓扑图3所示电路在前一类拓扑结构中间增加了一个DC/DC变换器DC/DC变换 器有效的解决了输入侧功率因数校正的问题当不控整流得到的电压随着风速变 化而不稳定时，DC/DC变换器能够有效调节直流侧电压的稳定性，实现对永磁同 步发电机电磁转矩和转速的控制，从而实现变速恒频有效提高了系统的风能捕 获能力图 3 所示 DC/DC 变换器采用的是 BOOST 电路，实际运用时，能够灵活改变其 拓扑结构如BUCK电路，BUCK-BOOST电路同样能实现其功能。
>吐I笈电机-GEDC/DC变極器凤力机图3不控整流+DC/DC变换+逆变拓扑结构（三）背靠背双 PWM 变换器拓扑背靠背双PWM变换器拓扑结构利用两个PWM变换器连接发电机与电网，如图 4所示靠近发电机一侧的PWM主要负责调节定子侧的d轴以及q轴的电流从 而达到调节其无功功率和电磁转矩的目的，实现变速恒频这么做还可以有效的 提高系统在额定风速下的最大风能捕获能力而靠近电网一侧的 PWM 主要作用在 于控制直流侧的电压稳定性，保证输向电网的电能质量［3］背靠背双 PWM 变换器拓扑结构目前的实际运用较多，主要因为其控制效率较 为高效且控制效果良好的特点但是其控制电路相对比较复杂，需要的元器件也 相对较多，直接导致了成本的增加相比较于图3所示的结构，图3的控制结构要简单的多，成本也相对较低，但是效率要差一点所以综合考虑整体效果，图3以及图4的结构都较多的被运用于实际的永磁直驱风电系统变流器拓扑结构中发电机网働变便器屯机侧变换痔永磴同歩凤力机图4背靠背双PWM变换器拓扑结构（四）功率器件直接串联大功率变换器拓扑随着风电机组的容量不断增大，对交流器的功率要求也随着提高由于元器 件的容量有限，使得变换器已经不能满足大功率的要求。
而提高元器件的电压受 到目前工艺水平的限制，不能快速得到发展因此，一个比较简单可行的方法就 是直接对现有的功率器件进行串联使用利用IGBT直接串联得到高压变频器的 结构如图5所示永磁同步发电机产生的高压交流电经过两个串联而成的整流结 构，进入逆变器逆变器同样采用了两个IGBT串联的形式，将得到的直流电逆 变为交流电并输入电网［4］功率器件直接串联的方式结构上比较简单，成本也比研发更大功率的元器件 要低的多但是这种结构对于电路的要求极高，需要保证串联的两个功率器件尽 量做到同开同关，否则容易造成分压不均匀的问题，严重的甚至会导致整个结构的损坏j永磁同步发电机T a<2?图5 IGBT直接串联逆变器结构五)多电频大功率变换器拓扑多电频大功率变换器拓扑的出现主要是为了满足风力发电对于高电压、大功 率和高品质交流器的需要多电平的好处在于它可以提高系统的高电压等级，从 而使得输出的电能谐波更少，更接近正弦多电频大功率变换器拓扑结构如图6 所示相较于两电平双 PWM 变换器，图 6的结构电容增加了一倍这种在常规功 率电器电压等级条件下，创造出更高电压，更大功率变流器的方法，目前在全球 范围内得到了较为广泛的应用。
它能有效降低电能的谐波，减少开关损耗，使得 系统的输出特性更加的优良但是这种结构同样存在了容易造成分压不均匀的问 题[5]」u图 6 三电平背靠背双 PWM 变换器结构三、总结本文对永磁直驱风电系统变流器的各种拓扑结构形式进行了分析，并比较了 其优缺点其中不控整流+DC/DC变换+逆变拓扑以及背靠背双PWM变换器拓扑应 用较为广泛，但在交流器向大容量方向发展的趋势的引导下，器件直接串联、多 重化、多电平等高压变频领域的研究必将越来越成熟参考文献：[1] 刘波，贺志佳，金昊.风力发电现状与发展趋势J].东北电力大学学 报,2016,36(02):7-13.[2] 吴小田，蒲晓珉，边晓光，蒋林.全功率风电变流器拓扑选择与控制技术概述[J].东方电气评论,2020,34(03):5-10.[3] 胡书举，李建林，许洪华.永磁直驱风电系统变流器拓扑分析[J].电力自动化 设备,2008(04):77-81.[4] 方涛，宋清玉.大兆瓦直驱永磁风电机组变流器拓扑结构的研究[A].《风能 产业》编辑部•中国农业机械工业协会风能设备分会2013年度论文集(上)[C].: 中国农业机械工业协会风力机械分会,2013:8.[5] 吴小田,蒲晓珉,边晓光,蒋林.全功率风电变流器拓扑选择与控制技术概述[J].东方电气评论,2020,34(03):5-10.。