高压大功率直驱并网型风力发电变流器拓扑分析

高压大功率直驱并网型风力发电变流器拓扑分析

孙彦军

（天津瑞能电气有限公司天津300385）

摘要：文章概述了国家新能源政策以及风力发电的发展现状，研究了直驱型风电机组全功率并网变流技术的现状，比较现有的常规直驱型风电变流器的拓扑结构的优劣，并比较大功率高电压风力发电变流器拓扑结构的优劣，应用实践表明，直驱型风电机组配套基于被动整流拓扑的风电变流器后取得了很好的应用效果，为全系列的直驱型风电机组提供了更广泛的配套方案，

关键词：风力发电；大功率；直驱式

近年来，随着风力发电技术的飞速发展，风电机组也呈现出多样化发展趋势。目前，风电机组类型主要有双馈型、半直驱型和直驱型，其中，半直驱型和直驱型又称为直驱型。直驱型风电机组因具有能量转换效率高、可靠性高、并网功率控制灵活等优点，成为了继双馈型风电机组之后风力发电技术领域的重要研究和发展方向。

众所周知，风能要转化成民用或工业标准用电，需经历多重能量转换。其中，非常关键的一个环节就是将风力发电机输出的非标准电压、非标准频率的交流电，通过风电变流器转换成标准电压、标准频率的交流电馈入电网。风电变流器的主电路结构按照整流环节的类型可分为被动型和主动型。目前，基于主动整流拓扑的风电变流器研究和应用较为普遍，而基于被动整流拓扑的风电变流器研究和应用却较少。本文介绍了一种基于被动整流拓扑结构的全功率风电变流器装置。

一、直驱风力发电变流器系统主电路主要拓扑结构分析

全功率变流器是直驱式风力发电系统的核心器件，具有不同的拓扑结构.下面，针对几种常见的拓扑结构进行对比分析。

1.1不可控二极管整流器接三相电压型PWM逆变器

不可控二极管整流器接三相电压型PWM逆变器的拓扑结构如图1所示.这种拓扑结构是将发电机送出的幅值、频率(VVVF)变化的三相交流电经不可控整流器整流成直流电，再经过PWM电压源型逆变器逆变成恒压恒频(CVCF)的交流电。其优点是:开关频率较高，进而减少了对电网的谐波污染.同时，通过控制电压型PWM逆变器输出调制电压的幅值和相位来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，使风力机工作在最佳叶尖速状态，并且捕获最大的风能。缺点是:由于前端是不可控整流，整流输出为不稳定的直流电，当风速较低时，不可控整流输出电压较低，则逆变器输入电压也较低，若要并网，必须提高逆变器调制深度.但这样将导致逆变器较低的开关利用率、较低的运行效率，以及峰值电流和传导损耗的增大。

图1不可控二极管整流器接三相电压型PWM逆变器

1.2不可控二极管整流接升压斩波电路接三相电压型PWM逆变器

图2为不可控二极管整流接升压斩波电路接三相电压型PWM逆变器的拓扑结构.升压斩波电路的作用有两个:首先，解决低风速时，逆变器输入电压低、运行特性差的不足.其次，升压斩波电路还可以对永磁同步发电机输出侧进行功率因数校正.这主要是因为不可控整流桥的非线性特性，整流桥输入侧电流特性畸变很严重，谐波含量比较大，使得发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡.通过功率因数校正技术(PFC)，改变开关器件的占空比，可以使发电机输出电流正弦并保持与输出电压同步。该系统的特点是系统控制简单，控制方法灵活，开关器件利用率高，逆变器输入电压稳定，逆变效果好，谐波含量低，经济性好。

图2不可控二极管整流器接升压斩波电路接三相电压型PWM逆变器

1.3不可控整流器接二重升压斩波电路接三相电压型PWM逆变器

不可控二极管整流器接升压斩波电路接三相电压型PWM逆变器随着变换器功率等级的增加，变换器通常需要并联当输入较大电流时，为了减小流过开关管的电流，可以采用交叉并联的方法.这种方法的实质是每2个周期对其中1个升压斩波电路的电流控制1次.采用此方法能够有效地提高放大倍数，调节占空比。这种拓扑结构的优点是:减小流过开关管的电流，减小输入电流纹波，降低开关损耗及变换器的电磁干扰.缺点是并联运行时的均流问题成为设计的主要难点。

1.4PWM整流器后接电压源型PWM逆变器

双PWM变流器有两种工作状态:

当整流器从电网吸取电能时，工作在整流状态;而当整流器向电网传输电能时，则工作在有源逆变状态.因此，可将其称为PWM变流器.

双PWM变流器整流部分采用PWM技术后，该拓扑结构所具有的优势为:

1:通过解耦控制，PWM整流器可以实现电机的单位功率因数输出.

2:通过矢量控制技术可以实现对电机最大转矩、最大效率、最小损耗的控制.

3: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.

4:该装置具有能量可以双向流动、两端无功功率可独立控制、交流侧功率因数可调、输出谐波含量小、直流电压可控等诸多优点.PWM变流器按不同的方式可进行多种分类:电压型和电流型，单相、三相和多相，硬开关调制和软开关调制，半桥电路和全桥电路，二电平电路、三电平电路和多电平电路.因此，双PWM变流器以其优越的性能获得了较广泛的应用.

1.5不可控整流器接电流源型逆变器

因采用了电流源型逆变器，该拓扑结构的优势是:

1:由于直流侧接有相当于直流源的大电感，因此，变流器输出直流电流基本无脉动，且直流回路呈现高阻抗.

2:系统中各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故输出交流侧电流为矩形波.交流侧电压波形常接近正弦波.

3:当整流部分为可控整流时，系统可方便地实现再生制动，易于实现四象限运行.

4:系统更可靠，不存在击穿故障.

缺点是:

1:逆变器和负载之间的相互影响较多，运行时，必须对称承压，不易实现带多个负载或者并联.

2:系统动态响应慢.

3:对电流源型逆变器谐波分析的研究相对较少，

在一定程度上限制了它的发展和实际应用.由优缺点比较，并综合成本、效率，可见在实际应用中电压源型PWM逆变器更具有优势.

1.6不可控整流器后接Z源逆变器型结构

该结构不同于以上的电压源和电流源型变流器，其优点为:Z源变流器的电源可以是电压源，也可以是电流源，其主电路可以是传统的电压源结构，也可以是传统的电流源结构，Z源变流器可以接感性负载，也可以接容性负载.该系统是一种升/降压型逆变器，适用于低风速时，发电机输出低电压的情况下.另外，由于Z源逆变器允许上下桥臂直通，因此，避免了由传统逆变器因电磁干扰而导致直通损坏器件的风险.缺点是变流器控制较复杂，在大功率应用中几乎没有.

二、结论

对比以上各种方案，双PWM变流器整流环节采用PWM整流器，虽然会增加成本，但此种方案带来的可以实现对电机的最大转矩控制、功率因数高、输出谐波小等高性能是其他方案无法比拟的.因此，背靠背双PWM变流器有较广泛的应用价值。

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