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1、直驱式变速恒频风力发电系统变流器拓扑结构对比分析(转载)李政珉,李建林,高志刚,王芸0 引言 自20世纪80 年代以来，风力发电技术发展迅速，经历了从恒速恒频到变速恒频的发展。变速恒频风力发电系统具有以下优点： 1)最大限度捕获风能; 2)较宽的转速运行范围，适用于风力机变速运行; 3)可以灵活地调节系统的有功和无功功率; 4)采用先进的PWM控制技术可以抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。 因此，MW级变速恒频风力发电系统受到了广泛关注。变速恒频风力发电系统，主要分为双馈式和直驱式。双馈式风力发电系统由于其变流器容量（滑差功率）只占系统额定功率的30左右，能较多地降低系统成本，因此双
2、馈式系统受到了广泛的关注。与双馈式相比，直驱式采用低速永磁同步发电机结构，无需齿轮箱，机械损耗小，运行效率高，维护成本低，但是,由于系统功率是全功率传输，系统中变流器造价昂贵，控制复杂。 为了降低直驱式风力发电系统的成本，提高变流器的效率，改善系统的性能，必须对系统的变流器部分进行深入研究。目前国内对变速恒频的研究主要集中在双馈式风力发电系统，对直驱式风力发电系统变流器结构的研究很少。因此，研究直驱式风力发电系统的变流器结构，分析他们的优缺点具有重要的意义。1 直驱式变速恒频风力发电主要的拓扑结构分析 直驱式变速恒频风力发电系统原理框图如图1所示。直驱风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连接，
3、无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流，然后经过三相逆变器变换为三相频率恒定的交流电连接到电网。通过中间电力电子变化环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。 直驱式风力发电系统中的电力电子变换电路（整流器和逆变器）可以有不同的拓扑结构。根据每种电力电子变换拓扑的特点，整个系统的控制方法都会相应地发生变化。本文对几种常用的拓扑结构的优缺点进行了比较。根据其拓扑结构，直驱式风力发电系统主要可以分为以下几种。图1 直驱式风力发电系统原理图1.1 不控整流后接晶闸管逆变器和无功补偿型 如图2所示，系统中逆变器的开关管采用晶闸管。
4、与自关断型开关管(如IGBT)相比，晶闸管技术成熟，成本低，功率等级高，可靠性好。早期的并网风机基本都是采用晶闸管变流技术。但是，晶闸管变流器工作时需要吸收无功功率，并且在电网侧会产生很大的谐波电流。为了满足电网对谐波的要求，必须对系统进行补偿。由于变速恒频风力机输入功率变化范围很大，因此补偿的无功功率变化范围也比较大。传统的投切电容方式不够灵活，系统需要容量可调，响应快速的无功补偿装置。通过检测逆变器输入端电压、电流以及电网的电压值，可以计算出补偿系统的触发角1。图2 不控整流后接晶闸管逆变器和无功补偿型拓扑结构 晶闸管逆变器成本低，输入电网电流的谐波含量高，为了消除输入电网的谐波电流，可以
5、加入补偿系统。补偿系统的控制比较复杂，容量比较大。这会增加系统成本。为了更好地消除谐波可以采用多脉冲晶闸管等方法，但也会使系统成本有所增加。1.2 不控整流后接直流侧电压变化的PWM电压源型逆变器型 如图3所示，这种拓扑结构的特点是将频率和幅值都变化的交流电经过不控整流变为直流后，直接通过PWM电压源型逆变器并入电网。PWM电压源型逆变器与晶闸管逆变器相比，由于提高了开关频率，对电网的谐波污染大大减少。而且可以通过控制逆变器的输出调制电压的幅值和相位来灵活地调节系统输出的有功功率和无功功率，从而可以调节直驱式发电机的转速，使其工作在最佳叶尖速比状态、捕获最大的风能2。图3 不控整流接直流侧电压
6、变化的PWM电压源型逆变器型拓扑结构 由于逆变器输入电压为不控整流桥的输出，而电机在不同转速下输出电压不同，因此逆变器输入侧的直流电压一直在变化。PWM逆变器可以通过改变调制比来实现并网电压的频率幅值恒定。当风速较低时，PWM逆变器输入电压很低，为了并网，必须提高逆变器的调制深度。这会导致逆变器运行效率低，开关利用率低，峰值电流高，传导损耗大。虽然可以通过采用SVPWM 调制方法或谐波注入技术来提高直流母线电压利用率，但这种方法只能有限地改善系统性能，不能解决实质问题。1.3 不控整流后接直流侧电压稳定的PWM电压源型逆变器型 在图3 结构中加入一个DC/DC Boost 升压环节，得到如图4
7、所示的直流侧电压稳定的PWM 电压源型逆变器型拓扑结构。通过增加这个环节，可以解决前面提到的PWM 逆变器输入电压很低时PWM逆变器运行特性差的缺点。它通过Boost升压环节将逆变器直流母线电压提高并稳定在合适的范围，使逆变器的调制深度范围好，提高运行效率，减小损耗。同时，Boost 电路还可以对永磁同步发电机输出侧进行功率因数校正。由于不控整流的非线性特性，整流桥输入侧电流畸变很严重，谐波含量比较大，会使发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡。这可以通过功率因数校正技术（PFC），改变开关管的占空比，使发电机输出电流保持正弦并保持与输出电压同步3。 可以看出，整个系统通过增加一级Boost
8、升压电路将直流输入电压等级提高，系统控制简单，控制方法灵活，开关管利用率高，逆变器有输入电压稳定，逆变效果好，谐波含量低，经济性好的优点。在实际应用中，大功率直驱系统中一般采用这种结构4。图4 不控整流接直流侧电压稳定的PWM电压源型逆变器型拓扑结构1.4 PWM整流器后接电压源型PWM逆变器型 将图3 结构中的不控整流桥部分换成PWM整流器，得到如图5所示的PWM整流器后接电压源型PWM逆变器型拓扑结构。前面提到，不控整流的非线性特性，使整流桥输入侧电流畸变很严重。因此，可以采用PWM整流技术，将频率和幅值变化的交流电整流成恒定直流。此时，一个Boost 型PWM整流器可以同时实现整流和升压
9、的作用5。 由PWM整流器的特点可知，通过解耦控制，可以实现电机的单位功率因数输出。同时，通过矢量控制技术可以使电机在不同运行环境下，实现对电机的最大转矩，最大效率，最小损耗控制。因此，整个系统控制方法灵活，可以有针对性地提高系统的运行特性6。图5 PWM整流器接电压源型PWM逆变器型拓扑结构 这种结构的主要缺点是前端的PWM整流器会大大提高系统的成本。虽然能够提高系统的性能，但是,在大功率工程中性价比不如第三种结构(图4)。因此，一般只有在小功率系统中采用。1.5 不控整流后接电流源型逆变器型 如图6所示，系统采用了与前面几种电压源型逆变器不一样的电流源型逆变器。与电压源型逆变器相比，电流源
10、型逆变器具有四象限运行能力，系统更可靠，不存在击穿故障等优点，但是存在逆变器和负载之间的相互影响较多，必须对称承压，带多个负载或者并联不易实现，动态响应慢等缺点78。因此，综合成本、效率和暂态响应，电压源型PWM 逆变器更具有优势。图6所示的这种拓扑结构还处于实验阶段。图6 不控整流接电流源型逆变器型拓扑结构2 结语 直驱风力发电系统由于其无需齿轮箱，维护简单，稳定性好等特点受到了越来越多的关注。但是,由于直驱系统是全功率传输，研究其变流器的结构对提高系统运行效率和稳定性具有重要意义。本文对各种直驱风力发电系统的变流器拓扑结构进行了比较分析，列出了各自的优缺点，并得出了结论：实际大功率系统中不控整流后接直流侧电压稳定的PWM电压源型逆变器型拓扑结构的应用前景看好。
