神華國華能源投資有限公司河北分公司 趙 冬

淺議直驅式風力發(fā)電機的電能逆變裝置

神華國華能源投資有限公司河北分公司 趙 冬

本文對直驅式變頻恒速發(fā)電機采用的電能變化裝置進行了細致的研究，分析了電能變化裝置主電路關鍵元件參數選擇，通過對電能變化裝置的研究能夠提高系統運行的可靠性，克服功率變化大、電壓調節(jié)范圍窄的缺點，同時實現了系統功率因數的提高。

風力發(fā)電；逆變器；主電路；關鍵參數

0 引言

在風力發(fā)電系統中，恒定的直流環(huán)節(jié)電流要比恒定的直流環(huán)節(jié)電壓難于獲得，一方面電流源型逆變器的直流側需要串聯大電感，但該電感往往會導致系統動態(tài)響應差，直流環(huán)節(jié)電流的脈動也更為顯著；另一方面應采用可控整流器以提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，相應增加了系統成本。

本文主要研究對象為直驅式風力發(fā)電機的電能逆變裝置。風力發(fā)電機發(fā)出的電能要想滿足電力系統要求，實現為用戶可靠供電的目標就必須提高所發(fā)出電能的電壓、頻率指標，采用直驅式風力發(fā)電機最大的缺點就是發(fā)出的電能電壓值變化幅度大、功率變化范圍大同時頻率不穩(wěn)定，這就必須在發(fā)電機的電能出口部位合理的設計一套電能轉換裝置，提高風力發(fā)電機發(fā)出電能的質量，增強電能的適應性同時解決低風速風能的利用問題。

1 風力發(fā)電電能變換系統介紹

在風力發(fā)電電能變換系統中，風力發(fā)電機發(fā)出的電能作為系統的輸入，交流電通過三相不控整流器后轉換成直流電；后續(xù)的Boost電路主要負責對直流電的輸出電壓進行調節(jié)，將電壓調節(jié)到逆變電路輸入規(guī)定范圍以內，同時校正功率因數，實現功率因數的提高，Boost電路還能夠抑制電壓中的諧波分量。采用這種結構的電能轉換系統，風機與發(fā)電機之間不通過增速齒輪箱而采取直接耦合的結構，當外部風速較低時，風機處于低轉速運行狀態(tài)，此時發(fā)電機輸出電壓較低，如果沒有升壓電路，則此時的電壓值不能滿足逆變電路對于輸入電壓的要求，從而影響到輸出；加入直流升壓電路之后，低風速運行時候發(fā)電機發(fā)出的交流電在經過整流電路后變?yōu)殡妷悍递^低的直流電，之后通過直流升壓電路的升壓從而得到滿足逆變器輸入端要求的高幅值直流電，從而有效克服風力發(fā)電機在外部低風速狀態(tài)下運行時產生的電壓和頻率抖動問題，使得系統在低風速狀態(tài)下輸出的電能仍能滿足質量要求。

2 逆變器主電路關鍵參數的選擇方法

2.1 不可控整流模塊的選擇

2.1.1 整流二極管的選擇

選擇整流二極管需要校核的參數包括：(1)正向平均電流IF(AV)，它表示了二極管能夠長期流過的最大工頻半波電流的平均值，也可以稱為額定電流參數，在進行正向平均電流參數選擇時應根據有效值相同的原則，并留有一定的裕度； (2)正向導通電壓降UF，它表明了流過正向穩(wěn)態(tài)電流時，二極管自身產生的電壓降低值；(3)反向重復峰值電壓URRM，該參數表明了整流二極管能夠承受重復施加的反向電壓值的大小，通常選擇此參數需按照整流二極管承受反向電壓峰值的二倍；(4)浪涌電流IFSM，它表明了整流二極管可以承受的過電流能力。如果通過整流二級管的峰值電流為IM，則電流有效值可以通過以下公式計算，首先計算正向平均電流：

則通過二極管的電流有效值為：

按照上面計算公式，如果將Boost電路控制波形的占空比變化范圍控制在50%～80%，則風力發(fā)電機輸出的電壓范圍在40～150V，逆變器輸入電壓的最大值UIMAX=150V，整流二極管所耐受的反向電壓最大值 ，整流二極管的額定電壓可選擇2URM,按照一定裕度的原則選取，可以選擇URAM=500V。系統最大功率為2.5kW，則整流電路輸出的直流電壓為93.6V，電流為：

整流二極管中通過的電流有效值：

根據有效值計算額定電流：

按照兩倍再保留裕度的原則選擇二極管額定電流。最終兩相指標可以確定整流二極管參數應選擇額定電壓為500V～600V,同時額定電流為20A的二極管。

2.1.2 整流輸出電路中濾波電感、電容的選擇

為了提高整流器輸出電壓質量，就需要再整流器之后增加LC濾波電路，在計算LC濾波器參數的之前，首先需要確定整理器輸出電壓的相關參數，包括諧波電壓值，最低次諧波頻率值以及負載允許承受的諧波電壓值，最終推導出濾波器衰減參數，公式4-3給出了濾波器諧振頻率的計算方法，在確定濾波器諧振頻率之后，可以再計算出LC的乘積，然后對L和C的值進行平均分配，容抗值C選擇過會導致整流二極管電流增加，而感抗值L過大會造成較大的系統壓降，因此，應該避免以上兩種情況發(fā)生。

2.2 Boost升壓電路模塊的選擇

2.2.1 輸入電感參數計算

Boost升壓電路中輸入電感的作用的儲存和傳遞電能，同時限制高頻紋波電流，因此，應該根據輸入的高頻紋波電流值來選擇匹配輸入電感值。Boost電路運行在臨界狀態(tài)時，負載電流：

當系統輸出的功率為最大值時，可以計算Boost電路最大的輸出電流：

可以使計算可知，處于臨界狀態(tài)時的電感值：

2.2.2 輸出電容參數計算

進行輸出電容參數選擇的應該主要考慮的因素包括，開關頻率的紋波電流、二次諧波電流、主流輸出電壓值、直流輸出紋波電壓和持續(xù)時間等因素，計算起來比較復雜，在工程實際中通過經驗簡化一般可以按照電壓的紋波或者持續(xù)時間來進行電容值計算，具體由何種參數來確定主要根據電路運行的實際情況來確定，在本例中，主要考慮的電路的持續(xù)時間，因此，選擇根據持續(xù)時間計算的方法，逆變器額定功率設計為2KW，持續(xù)時間 設為50ms，輸出電壓紋波通常按照直流輸出電壓的10%來計算。電容值的計算公式為：

2.2.3 開關管和輸出二極管的選擇

主電路開關管的選擇主要是根據關斷中承受的電壓值和導通狀態(tài)下承受的電流值選擇；主電路開關管導通，二極管反向截止，此時流過開關管的電流就是電感電流，二極管承受的反向電壓就是輸出電壓；主電路開關管關斷，二極管正向導通，此時流過開關管的電流就是電感電流，但是開關管承受的電壓為輸入電壓。

3 結論

本文主要研究小型直驅式風力發(fā)電系統逆變系統的相關知識，分析了電能逆變裝置主電路中三相不控整流電路和Boost升壓電路電路結構設計以及相關原件參數的選擇方法，實現了對實際工作中風力發(fā)電組采用的電能變化裝置相關理論知識的深入了解。

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