馬 威，包廣清

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，使用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)的雙饋式系統(tǒng)占據(jù)主流地位，而使用永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)的直驅(qū)式系統(tǒng)也得到了越來越多的應(yīng)用。與雙饋式相比，直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)采用低速永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)無需齒輪箱，具有機(jī)械損耗小、運(yùn)行效率高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景[1]。其原理如圖1所示。

圖1 直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)原理圖

直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的風(fēng)輪與PMSG直接相連，無需增速齒輪箱。其基本原理是先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為幅值和頻率變化的交流電，再經(jīng)整流之后變?yōu)橹绷?，然后?jīng)逆變器變換為三相頻率恒定的交流電送入電網(wǎng)。通過中間的電力電子變換環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的有功功率和無功功率進(jìn)行控制，以達(dá)到最大風(fēng)能追蹤的目的。

由于直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的功率是全功率傳輸，因此必須使用全功率變流器。全功率變流器作為永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口，其結(jié)構(gòu)的選擇對(duì)PMSG變速恒頻運(yùn)行性能至關(guān)重要[2]。

1不控整流后接逆變器拓?fù)浞治?/h2>

不控整流后既可以接電流源型逆變器又可以接電壓源型逆變器。圖2是不控整流接電流源型逆變器的結(jié)構(gòu)圖。圖2(a)為由晶閘管構(gòu)成的逆變器。早期的并網(wǎng)風(fēng)機(jī)大都采用此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，晶閘管雖具有成本低、功率等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，但是晶閘管逆變器在工作時(shí)需要吸收無功功率，而且在電網(wǎng)側(cè)也會(huì)產(chǎn)生較大的諧波電流，因此需要增加補(bǔ)償系統(tǒng)來進(jìn)行諧波抑制和無功補(bǔ)償。這使系統(tǒng)的控制變得復(fù)雜，而且會(huì)加大系統(tǒng)的成本。與圖2(a)相比較，圖2(b)所示逆變器容易實(shí)現(xiàn)自換流，能減小諧波分量，甚至可以省去補(bǔ)償系統(tǒng)。此種拓?fù)涫怯刹豢卣鹘尤匦推骷?gòu)成的逆變器結(jié)構(gòu)。

圖2 不控整流后接電流源型逆變器拓?fù)?/p>

不控整流后接電壓源型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。此種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將變頻變幅的交流電通過不控整流之后得到的直流電，直接通過由全控型器件組成的電壓源型逆變器并入電網(wǎng)。與晶閘管變流器相比，此種拓?fù)鋬?yōu)點(diǎn)是可以提高開關(guān)頻率，減少諧波污染，并且可以通過控制逆變器輸出調(diào)制電壓的幅值和相位，靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)的有功功率和無功功率，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)PMSG的轉(zhuǎn)速，使其工作在最佳葉尖速狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。缺點(diǎn)是不能直接調(diào)節(jié)PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，并且當(dāng)風(fēng)速在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓源型逆變器的調(diào)節(jié)作用很有限[3-6]。

在綜合比較成本、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和效率等因素下可知，電壓源型PWM逆變器具有比較大的優(yōu)勢(shì)，因此目前小型風(fēng)電機(jī)組中大多采用圖3的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3 不控整流后接電壓源型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2不控整流后接DC/DC變換再接逆變器拓?fù)浞治?/h2>

此拓?fù)湓诮Y(jié)構(gòu)上與以上拓?fù)涞拿黠@區(qū)別是中間增加了一個(gè)DC/DC變換環(huán)節(jié)，作用是可以校正輸入側(cè)的功率因數(shù)，提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。通過調(diào)節(jié)DC/DC變換器可以保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，同時(shí)可以對(duì)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，保持變速恒頻運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲[7-9]。圖4為不控整流接DC/DC變換再接逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4 不控整流后接DC/DC變換接逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如果改變圖4中DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)，就可以得到不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[10]中指出DC/DC變換器采用Buck電路，可以實(shí)現(xiàn)和Boost電路同樣的功能。參考文獻(xiàn)[11]指出DC/DC變換器采用 Buck-Boost電路，可以實(shí)現(xiàn)升降壓的功能。在電壓范圍變換很大的情況下，可以考慮使用Buck-Boost電路。參考文獻(xiàn)[12]通過三重Boost電路交錯(cuò)并聯(lián)構(gòu)成直流變換器，用改變占空比的方法來調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓。3個(gè)Boost電路交錯(cuò)并聯(lián)，還可以減小諧波畸變。

可以看出，系統(tǒng)通過加入DC/DC變換環(huán)節(jié)，可使直流輸入電壓等級(jí)提高，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，控制方法靈活，開關(guān)器件利用率高。逆變器具有輸入電壓穩(wěn)定、逆變效果好、諧波含量低、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，小功率和兆瓦級(jí)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)大多采用此種拓?fù)洹?/p>

3背靠背雙PWM變流器拓?fù)浞治?/h2>

雙PWM變流器由電機(jī)側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器構(gòu)成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 背靠背雙PWM變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電機(jī)側(cè)變流器通過調(diào)節(jié)定子側(cè)的d軸和q軸電流，可以控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子的無功功率，使發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行，可在額定風(fēng)速以下捕獲最大風(fēng)能；電網(wǎng)側(cè)變流器通過調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)的d軸和q軸電流，可以實(shí)現(xiàn)輸出有功和無功功率的解耦控制、直流側(cè)電壓控制以及輸出并網(wǎng)。此外，還能靈活實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)等功能。

不控整流+DC/DC變換+逆變器是三級(jí)變換，而雙PWM變流器是兩級(jí)變換，所以效率高，但全控型器件數(shù)量增多，控制電路較復(fù)雜，相應(yīng)地成本較高。不控整流+DC/DC變換+逆變器拓?fù)?，控制相?duì)簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)，可靠性高，節(jié)約了系統(tǒng)成本。這兩種拓?fù)涓饔袃?yōu)缺點(diǎn)，是目前比較常用的拓?fù)洹?/p>

4大功率變流器拓?fù)浞治?/h2>

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要全功率變流器，傳統(tǒng)二電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在面對(duì)變流器電壓等級(jí)與容量不斷增大的需求時(shí)，不再滿足要求。因此人們往往將現(xiàn)有的功率器件串聯(lián)起來提高逆變器容量，目前在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常用的大功率變流器主要有直接串聯(lián)IGBT高壓變頻器、三電平背靠背二極管箝位式變頻器。

直接串聯(lián)IGBT高壓變頻器應(yīng)用在直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)中的拓?fù)潆娐啡鐖D6所示。

圖6 直接串聯(lián)IGBT逆變器

逆變器的功率器件采用2個(gè)IGBT串聯(lián)構(gòu)成，由PMSG產(chǎn)生的高壓交流電進(jìn)入變流器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流以及平波電抗器和電容濾波，再通過逆變器逆變，經(jīng)過濾波器后實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

采用功率器件串并聯(lián)方式提高變流器的功率，雖具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率器件個(gè)數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，但器件串聯(lián)會(huì)帶來分壓不均問題，器件并聯(lián)會(huì)帶來器件的均流問題，因而對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求也大大提高。要求要盡量做到串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，否則由于各器件開斷時(shí)間不一，承受電壓不均或分流不均，會(huì)導(dǎo)致器件損壞甚至整個(gè)變流器崩潰。

圖7是三電平背靠背二極管箝位式變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中使用的多電平變換器以三電平和五電平為主。三電平拓?fù)渲械拈_關(guān)器件電壓應(yīng)力僅為兩電平拓?fù)涔β实?/2，濾波電感損耗比兩電平的小，這種形式不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可以克服傳統(tǒng)兩電平變流器交流側(cè)波形畸變率高的缺點(diǎn)，還可以在采用同樣耐壓等級(jí)開關(guān)器件的情況下提高變流器的電壓等級(jí)，達(dá)到變流器高壓大功率傳輸?shù)哪康摹?/p>

圖7 三電平背靠背二極管箝位式變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多電平變流器具有抑制諧波、提高功率因數(shù)、減小電壓應(yīng)力、減小電磁擾動(dòng)和波形畸變等優(yōu)點(diǎn)。但也存在不足之處，如直流母線電容電壓不均衡，同一橋臂功率器件電流電壓應(yīng)力不均衡，功率器件多、控制復(fù)雜等。因此，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)多電平變流器的研究主要集中在控制策略的優(yōu)化上。

直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)是全功率傳輸，研究其變流器的結(jié)構(gòu)對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。本文對(duì)適合于永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的多種變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了總結(jié)、分析和對(duì)比，并列出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，分析和介紹了部分大功率變流器的原理和應(yīng)用。本文還指出了目前在永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用較多的變流器是不控整流后接DC/DC變換再加并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)和背靠背雙PWM變流器。隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增大，多電平大功率變流器將會(huì)在直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用和推廣。

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