直驱式变速恒频风力发电系统变流器拓扑结构对比分析

《直驱式变速恒频风力发电系统变流器拓扑结构对比分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

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)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)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

2、降低系统成本，因此双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

3、同步发电机直接连接，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

4、开关管采用晶闸管。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

5、输入电网的谐波电流，可以加入补偿系统。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

6、]。图3不控整流接直流侧电压变化的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/DCBoost

7、升压环节，得到如图4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