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浅析变速恒频风力发电系统中的电力电子技术

作者：左长魁

来源：《科技创新与应用》2013年第24期

摘 要：本文主要讲述了变速恒频风电机组构造中电力电子这部分在技术上的改革创新。讲解了在最经常使用的变速恒频风电机组最具有代表性的构造以及它的长短处，同时主要讲述了永磁直驱型风力发电机组以及双馈型风力发电机组，讲解了全功率风电变换设备、脉冲宽度调制变换设备、矩阵变换设备等具有代表性的功率，变换措施以及此措施在机组中的使用。 关键词：风力发电；变速恒频；电力电子技术 引言

伴随着经济的持续前进，越来越意识到环境对经济的影响，研究出以能够可再生的资源例如风能、太阳能等代替原有的不可再生资源使用。我国已经能够熟练掌握使用很多可再生资源，风力发电就是其中一种，很多经济发达的国家也在使用这种方法发电。 1 恒速恒频与变速恒频风力发电系统

风力发电工程的发电可以分为恒速以及变速恒频发电设备这两种。最初的风力发电机组是使用的笼型异步发电机转子结构为笼型，结构简单、制造方便、运行可靠。假设这个运行的电网没有限制，无限大，由电网决定了输出的电压量以及频率，风力设备只要并入了电网中进行工作，转动速度就不会再发生改变，就是恒速恒频工作方式。

恒速恒频设备只有把转动的速度固定在一个不变的值上，才能实现最高运动效果，当风速发生变化的时候，风力机转动的速度就会紧跟着发生变化，运动效果就会变差。异步风力发电设备发出的电量不稳定，效果比较差，并且，如果假设的电网无限大的情况不具备时，每一台发电设备工作情况的调节都会影响到局部电网的工作，风速以及风向的存在不固定性，工作发出的电压、次数、功率也会随之改变。为了处理这种机组产出电量品质差、用电效率不高等，同时提升发电机组工作速度、能够降低或者解除驱动设备中的应力以及力矩震动。对比恒速恒频设备存在问题，人们把更多的焦点转移到变速恒频发电机组中，无论在风速以及风向如何改变变化的情况下，风力机都能够持续高速的运转，凭借这项优点获得各国人们的研究开发使用。

2 全功率机组中的电力电子技术

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为实现变速恒频的目的，发电机定子绕组通过交一直一交变换器与电网连接，将随风速、风向变化而变化的变频变压电功率转化为与电网同频率同电压的电功率。由于所有的功率都要通过功率变换器进行变换，因此，此类系统中的电力电子装置称为全功率变换器。

含有齿轮箱的全功率交流设备中，变速恒频风力发电机组中都有齿轮箱，在正常工作中因为齿轮箱损失以及形状较大也是这机组中一个缺点。变速恒频风力发电系统有很多形式：笼型异步发电系统、同步发电系统、永磁同步发电系统以及绕线异步发电系统。没有齿轮箱的全功率性交直交变速恒频发电设备大多都是使用电励磁或者低速度永磁发电设备，即使设备中没有齿轮设备，但是机组的形状仍然很大。和带有齿轮箱的发电设备一样，定子绕也要经过一个交流变换设备才能够和电网相连。所以，這两种模式不一样的变速恒频发电设备，虽然组成方式不一样，但是工作原理以及构造差不多。按照定子整流设备以及网侧逆变设备的不一样的方法，这种类型的构造有以下四种站点相互连接的形式。 2.1 “不控整流电路+电压型逆变电路”的拓扑结构

各个站点相互连接的构造很简单，操作技术熟练。发电设备产生的交流电经过定子整流设备之后变为直流电，再通过脉冲宽度调制电压型你变设备，供应电压、频率和电网需求相应的交流电，同时能够控制住点了中流动的有功以及无功功率。调整发电设备的转动距离、转动速度，让风机设备处在最好的工作形式。

因为发电设备中生产的电量以及频率不是固定的，所以通过由无控制功能的整流二级管组成的整流电路后直流电压会相应发生改变，即使经过脉冲宽度调制逆变设备的调整保证电压不变，但是调整的程度也受限制的，如果门限值比直流形式的母线电压要高的情况时，逆变设备就不会产生功率。所以，假如想加大这种设备的使用规模，一定要增设提升电压的设备，按照提升电压过程中隔离变压设备的种类，追踪电网的变化而做出反应的并网逆变就不再是单一的模式，可以分为高低频以及非隔离形式的并网逆变模式。

2.2 “不控整流电路+非隔离稳压电路+电压型PWM逆变电路”的拓扑结构

其拓扑结构相对于上一种拓扑结构中的逆变器输入直流电压不稳、电压值不高等缺点，在小控整流电路和逆变电路之间加了一级非隔离的DC-DC斩波器。加入斩波电路后，风速、发电机输出电压变化时，可以通过斩波电路使逆变器输入直流电压稳定在期望值附近，对于逆变器的控制系统来说，源效应大大减小。

这里的斩波器一般采用BOOST升压电路，BOOST电路不仅可以稳压、升压，同时可以提高输入电路的功率因数，减小谐波。考虑到BOOST电路只有一个功率管，当发电系统容量较大时，单管一般很难满足要求。因此，大多采用多重化BOOST电路，这样不仅可以减小功率管的容量、提高电路可靠性，同时可以提高等效开关频率，减小滤波电容的容鼙和输出的纹波电压等。

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2.3 “不控整流电路+电压型PWM逆变电路+工频升压变压器”的拓扑结构

这里提压的方式是把逆变设备并网输出连接在提升电压变压设备的一侧。连接上提升电压变压设备之后，发电设备在运转时电压能够更加拓展，这里要想到部分国家是禁止使用非隔离型并网模式的，使用变压设备之后，发电系统能够和城市用电电网是相互分离的，确保电网的安全性。这种电路构造简单，工作速度快，但是变压设备体型较大，质量较重，损耗的材料多，增多费用，而且还会出现音频噪音对环境形成污染。

2.4 “不控整流电路+隔离稳压电路+电压型PWM逆变电路”的拓扑结构

采用高频变压器来代替工频变压器完成变压和隔离的任务，可大大降低成本，提高功率密度。这种类型电路的拓扑结构与非隔离稳压电路不同，该电路在DC-DC斩波电路中加入了高频变压器。因此，这种变换器又称为高频链功率变换器，其中，典型的隔离型DC-DC变换器为全桥式变换器，这种变换器国内外研究较多，在此不再赘述。 3 双馈风力发电系统中的电力电子技术

全速变速不变频率风力发电机组中，发电设备的定子绕组一定会经过电力电子设施和电网进行连接，在一定程度上提升了生产电量的品质，但是因为电力电子设施是和电网的主电路连接，发电设备的量一定会小于电力电子量，致使风电设备的构成费用增多。

为了能够减少电力电子设施中的内容，风力发电机组开始使用交流励磁电机。按照设备中是不是含有电刷以及滑环能够分为有刷或者无刷交流励磁电机。最开始研究出现的是具有电刷的电机，在发电设备中运用广泛；但是因为无刷电机设备简单，而且没有损耗最多的电刷和滑环，和有刷电机相比有一定的长处，所以，有一些工作者也在慢慢的转向无刷电机的研究。 3.1 双馈电机原理与运行特性

具有电刷的交流励磁电机是使用绕线转子感应电机的构造形式，交流励磁电机可以在不同的风速下运行，其转速可随风速变化做相应的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，机组效率提高。同时，定子输出功率的电压和频率却可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。

无刷双馈电机由串级感应电机发展而来，经过小断的演化和改进，将两个同轴串联的感应电机合二为一，把两个独立的定子简化为一个，其转子绕组具有笼型转子一样的坚固和可靠性，又能满足电机对转子磁场的要求。无刷双馈发电机具有与有刷双馈感应发电机相同的特性，但没有滑环和电刷，提高了系统运行的可靠性，是风力发电中变速恒频发电的优化方案。 3.2 双PWM变换器