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

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 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* 周谦 12， 李建林1， 李亚西1，刘剑12 ,赵斌1 （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

2、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 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：最大限度捕获风能。较宽的 转速运行范围，适用由于风力机变速运行。可以灵活 的调节系统的有功和无功功率。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。因此兆瓦级变速恒频风力发电系统受到了广泛关 注。 在变速恒频风力发电系统中， 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只占

3、系统 额定功率的 30（滑差功率）左右，能较多的降低系统 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。 原理图如图 1 所示。 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。 图 1 直驱式风力发电系统原理

4、图 2 直驱式变速恒频风力发电主要的拓扑结构分析 直驱风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连 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的发 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： 2

5、.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，可靠性高。在过去的几十年中，相 控强迫换流变流器（SCR）用于高压直流传输系统和变速 驱动系统中。早期的并网风机基本都是采用晶闸管变换 技术。但是，晶闸管变换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

6、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。 晶闸管逆变器成本低，输入电网电流的谐波含量 高，为了消除输入电网的谐波电流，可以加入补偿系统。 中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集 2 补偿系统的控制比较复杂，但是容量比较大。这会增加 系统成本。为了更好的消除谐波可以采用多脉冲晶闸管 等方法，但是会使系统成本有所增加。 图 2 不控整流后接晶闸管逆变器和无功补偿型拓扑结构 2.2 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桥变为直流后，直接通过 PWM 电压源型逆变

7、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的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 在最佳叶尖速状态、捕获最大的风能 2。 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

8、耗大。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。这种方法只 能有限的改善系统新能，不能解决实质问题。 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 2.3 不控整流后接直流侧电压稳定的 PWM 电压源型逆 变器型 将图 3 结构中加入一个 DC/DC boost 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

9、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 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 输出电压同步 3。 可以看出， 整个系统通过增加一级 boost 升压电路将 直流输入电压等级提高，系统控制简单，控制方法灵活， 开关管利用率高，逆变器有输入电压稳定，逆变效果好， 谐波含量低，经济性好的优点。在实际应用中，大功率 直驱系统中一般采用这种结构 4。 图 4

10、不控整流接直流侧电压稳定的 PWM 电压源型逆变器型拓扑 结构 2.4 PWM 整流器后接电压源型 PWM 逆变器型 将图 3 结构中的不控整流桥部分换成 PWM 整流器， 得到如图 5 所示的 PWM 整流器后接电压源型 PWM 逆变器 型拓扑结构。前面提到，不控整流桥的非线性特性，使 整流桥输入侧电流特性畸变很严重。 因此， 可以采用 PWM 整流技术， 将频率和幅值变化的交流电整流成恒定直流。 此时，一个 boost 型 PWM 整流器可以同时实现整流和升 压的作用 5。 由 PWM 整流器的特点可知，通过解耦控制，可以实 现电机的单位功率因数输出。同时，通过矢量控制技术 来控制电机在不

11、同运行环境下，可以实现对电机的最大 转矩，最大效率，最小损耗控制。因此，整个系统控制 方法灵活，可以有针对性的提高系统的运行特性 6。 这种结构的主要缺点是，前端的 PWM 整流器的会大 中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集 3 大提高系统的成本。虽然能够提高系统的性能，但是在 大功率工程中性价比不如第三种结构(图 4)。因此，一 般只有在小功率系统种采用。 图 5 PWM 整流器接电压源型 PWM 逆变器型拓扑结构 2.5 不控整流后接电流源型逆变器型 如图 6 所示， 系统采用了与前面几种电压源型逆变器 不一样的电流源型逆变器。与电压源型逆变器相比，电 流源型逆变器具有四象限运

12、行能力，系统更可靠，不存 在击穿故障等优点，但是也存在逆变器和负载之间的相 互影响较多，必须对称承压，带多个负载或者并联不易 实现，动态响应慢等缺点 78。因此综合成本，效率和暂 态响应上来看，电压源型 PWM 逆变器更具有优势。如图 所示，这种拓扑结构还处于实验室阶段。 图 6 不控整流接电流源型逆变器型拓扑结构 3 结论 直驱风力发电系统由于其特有的无需齿轮箱，维护 简单，稳定性好等特点受到了越来越多的关注。但是由 于直驱系统是全功率传输，研究其变流器的结构对提高 系统运行效率和稳定性具有重要意义。本文对各种直驱 风力发电系统的变流器拓扑结构进行了比较分析，并列 出了各自的优缺点。并得出了

13、结论：实际大功率系统中 不控整流后接直流侧电压稳定的 PWM 电压源型逆变器型 拓扑结构的应用前景看好。 参考文献 1 Z.Chen and E.Spooner Current source thyristor inverter and its active compensation system IEE 2003 ：448-452 2 Z.Chen and E.Spooner voltage source inverters for high-power variable-voltage DC power sources IEE Proc -Gener Transm Distrib , Vo

14、l I48, No 5, September 2001：439-446 3 omonobu Senj yul, Satoshi Tamaki, Naomitsu Urasakil, K,atsumi Uezato Toshihisa Funabashi, and Hideki Fujita Wind Velocity and Position Sensorless Operation for PMSG Wind Generator IEEE Power Electronics and Drive Systems 2003：787-791 4 Yang Zhenkun, Liang Hui A

15、DSP Control System for the Grid-connected Inverter in Wind Energy Conversion System IEEE 2005 :1050-1053 5 Kelvin Tan and Syed Islam Optimum Control Strategies in Energy Conversion of PMSG Wind Turbine System Without Mechanical Sensors IEEE Transactions on Energy Conversion,Vol.19,No.2,June 2004:1-8 6 Bimal K.bose Modern Power Electronics and AC Drives :244-245 7 Ki-Chan Kim, Seung-Bin Lim Analysis on the Direct-Driven High Power Permanent Magne