直驱式变速恒频风力发电系统变流器拓扑结构对比分析论文.pdf

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1、中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集直驱式变速恒频风力发电系统变流器拓扑结构对比分析*[1][2][1][1][1][2][1]周谦，李建林，李亚西，刘剑,赵斌（[1]中国科学院电工研究所；[2]中国科学院研究生院，北京，100080）摘要直驱式变速恒频风力发电系统由于其采用低速永磁同步发电机结构，系统无需齿轮箱，具有机械损耗小，运行效率高，维护成本低等优点并受到了越来越多的关注。本文针对直驱式变速恒频风力发电系统变流器拓扑结构进行研究，对比分析了晶闸管变流器，电压源型逆变器，电流源型逆变器等各种变流器结构，指出了各自的

2、优缺点。关键词直驱；变速恒频；齿轮箱；变流器；永磁同步发电机；全功率变流器中图分类号TM310文献标识码：A*基金项目国家高技术研究发展计划（863计划）子项目(2003AA512022-2)1引言2直驱式变速恒频风力发电主要的拓扑结构分析自20世纪80年代以来，风力发电技术发展迅速，直驱风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连经历了从恒速恒频到变速恒频的发展。变速恒频风力发接，无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率和幅值变电系统具有以下优点：①最大限度捕获风能。②较宽的化的交流电，经过整流之后变为直流，然后经过三相逆转速运行范围，适用

3、由于风力机变速运行。③可以灵活变器变换为三相频率恒定的交流电连接到电网。通过中的调节系统的有功和无功功率。④采用先进的PWM控间电力电子变化环节，对系统有功功率和无功功率进行制技术可以抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低控制，实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。成本。因此兆瓦级变速恒频风力发电系统受到了广泛关直驱式风力发电系统中的电力电子变换电路（整流注。器和逆变器）可以有不同的拓扑结构。根据每种电力电在变速恒频风力发电系统中，主要分为双馈式和直子变换拓扑的特点，整个系统的控制方法都会相应的发驱式。双馈式风力发电系统由于其变流器容

4、量只占系统生变化。本文对几种常用的拓扑结构的优缺点进行了比额定功率的30％（滑差功率）左右，能较多的降低系统较。根据其拓扑结构，直驱式风力发电系统主要可以分成本，因此双馈式系统受到了广泛的关注。与双馈式相为以下几种：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2.1不控整流后接晶闸管逆变器和无功补偿型功率是全功率传输，系统中变流器造价昂贵，控制复杂。如图2所示，系统中逆变器的开关管采用晶闸管。原理图如图1所示。与自关断型开关管(如IGBT)相比，晶闸管技术成熟，成为了降低直驱式风

5、力发电系统的成本，提高变流器本低，功率等级高，可靠性高。在过去的几十年中，相的效率，改善系统的性能，必须对系统的变流器部分进控强迫换流变流器（SCR）用于高压直流传输系统和变速行深入研究。目前国内对变速恒频的研究主要集中在双驱动系统中。早期的并网风机基本都是采用晶闸管变换馈式风力发电系统，对直驱式风力发电系统变流器结构技术。但是，晶闸管变换器工作时需要吸收无功功率，的研究很少。因此研究直驱式风力发电系统的变流器结并且在电网侧会产生很大的谐波电流。为了满足电网谐构，分析他们的优缺点具有重要的意义。波的要求，必须对系统进行补偿。由于变速

6、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[1]统的触发角。晶闸管逆变器成本低，输入电网电流的谐波含量图1直驱式风力发电系统原理图高，为了消除输入电网的谐波电流，可以加入补偿系统。1中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集补偿系统的控制比较复杂，但是容量比较大。这会增加2.3不控整流后接直流侧电压稳定的PWM电压源型逆系统成本。为了更好的消除谐波可以采用多脉冲晶闸管变

7、器型等方法，但是会使系统成本有所增加。将图3结构中加入一个DC/DCboost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，会使发电机功率因数降低，发电机转图

8、2不控整流后接晶闸管逆变器和无功补偿型拓扑结构矩发生振荡。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[3]2.2不控整流后接直流侧电压变化的PWM电压源型逆变输出电压同步。器型可以看出，整