高壓大功率直驅并網型風力發電變流器拓撲分析

摘 要：文章概述了國家新能源政策以及風力發電的發展現狀，研究了直驅型風電機組全功率并網變流技術的現狀，比較現有的常規直驅型風電變流器的拓撲結構的優劣，并比較大功率高電壓風力發電變流器拓撲結構的優劣，提出了兩種新型高壓大功率風力發電機的變流器拓撲。

關鍵詞：風力發電；大功率；直驅式

1 概述

隨著經濟的快速發展，人們對電力的需求越來越大，目前，我國的發電方式主要是火力發電，而火力發電所需的化石能源是不可再生資源。因此，開發和利用新能源和可再生能源是解決能源和環保問題的重要措施之一。近年來，我國的風電產業發展迅速，“十二五”期間，我國風電裝機規模持續迅猛增長。2011年并網風電裝機容量達到4700萬千瓦，取代美國躍升為世界第一風電裝機大國；2012年發電量達1008億千瓦時，首次超過核電。截至今年9月底，我國風電并網裝機規模為10885萬千瓦，占全部發電裝機的7.9%。

經過近幾年風力發電技術的迅速發展，以及對風力發電系統各自的優勢和特點的研究，雙饋發電機系統和直驅風電系統成為了大功率MW級風力發電的趨勢。今后將量產3.3MW以上，輸出電壓為10kV的大功率風力發電機[1]，現有的風力發電變流器拓撲將不適合于大功率風力發電機，但是對適用于高壓大功率風力發電機的變流器拓撲研究還較少，因此文章所研究的拓撲具有很強的現實意義。

2 風力發電變流器研究現狀

直驅型風力發電機是一種需要全功率變流的風力發電機，隨著電力電子技術發展的越來越成熟，全功率風力發電變流器的制造成本大為下降，風力發電機的直驅化也是當前研究的一個熱點。

目前大部分風力發電機與風輪不是直接相連，而是中間通過齒輪箱相連，齒輪箱不僅降低了系統的效率，增加了系統的成本，而且齒輪箱很容易出現故障，是目前風力發電機組的故障點之一。而直驅式風力發電并網變流機組沒有齒輪箱，發電機直接與風輪相連，增強了系統的穩定性，提高了系統運行的效率。近年來，直驅式風力發電技術的發展迅速，單機容量越來越大，已經發展到了兆瓦級的機組，對其全功率變流器的設計也提出了更高的要求。

2.1 不控整流加無功補償型晶閘管逆變器

不控整流后接晶閘管逆變器和無功補償型變流電路如圖1所示。晶閘管與IGBT相比，具有成本低、耐壓等級高、國產化率高等優點，但晶閘管在導通后無法自關斷，需要主電路電流關斷或很小才能關斷，逆變后的電流諧波較大。隨著IGBT等自關斷電力電子器件的發展，晶閘管逆變器在風力發電中逐漸減少。

2.2 不控整流電路加PWM電壓源型逆變器拓撲

如圖2所示，這種拓撲結構是由不控整流電路和PWM逆變器組成。不控整流電路具有成本低、運行穩定等優點，但完全不控整流會造成輸出的直流電壓無法調節，若電壓過低，會造成PWM逆變器運行特性變差。風力發電機經不控整流后，直接通過電壓型PWM逆變器并入電網，電壓型PWM逆變器與圖1中所示的晶閘管逆變器相比，利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波，加上使用自關斷器件，開關頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。

2.3 不控整流后接Boost升壓電路的電壓型PWM逆變器型拓撲

不控整流后接Boost升壓電路的電壓型PWM逆變器型是在圖2的拓撲結構中加入了一個Boost升壓環節。Boost電路可以提高不控整流電路整流出的直流電壓，因為不控整流電路無法調節直流電壓，可以防止由于電壓過低造成PWM逆變器運行特性變差。而且與圖4拓撲相比，不控整流電路加Boost升壓電路這種拓撲結構相比于PWM全控整流電路，成本大大降低，減少了IGBT的使用數量。

2.4 雙PWM型變流系統拓撲結構

將圖3結構中的不控整流橋部分替換成PWM整流器，并且不采用Boost升壓電路后就得到如圖4所示的PWM整流器后接電壓型PWM逆變器，即為雙PWM變流器的拓撲結構。不控整流橋的非線性特性會造成整流橋輸入側電流諧波較大，對風力發電機的運行造成影響，所以采用PWM整流技術將頻率和幅值都變化的交流整流成為恒定直流。

圖4 雙PWM型變流系統拓撲結構

3 高壓大功率直驅并網型風力發電機組的各種變流電路

隨著風力發電機組功率和輸出電壓的增大，傳統的變流系統已經不再適應，采用傳統的拓撲必須需要耐壓極高的開關管，成本太高。因此，研究適用于兆瓦級直驅型風力發電機組的變流系統就顯得十分重要。

3.1 器件串并聯型大功率變流器

該系統與低壓變流器一樣，由風力發電機輸出的高壓經過開關管直接串聯而成的不控整流電路，經過整流后，通過直流平波電抗器和電容濾波，再經過后接的PWM逆變電路進行逆變，可供給高壓電動機或通過變壓器后接入電網。（圖5）

采用器件串并聯方式提高變流器功率的方法具有功率器件個數少，拓撲結構簡單，故障少的優點。但對驅動電路的要求也大大提高，因為器件的并聯會帶來器件均流問題，器件的串聯會帶來分壓不均等問題，所以經常由于各器件的開斷時間不一，器件承受的電壓不均或電流不均，會造成器件由于電壓過高損壞甚至整個變流器崩潰，因此必須要做到串聯器件同時的導通和關斷。

圖5 開關管直接串聯型并網逆變器

3.2飛跨電容型多電平大功率變流器

飛跨電容型變流器與直驅系統結合應用如圖6所示，與二極管箝位型變流器相似，該系統的整流側和逆變側都采用飛跨電容型變流器，飛跨電容型多電平變流器的電平合成的自由度和靈活度高于二極管多電平變流器[3]。飛跨電容型多電平變流器對功率器件的保護能力增強，開關方式靈活等優點。該變流器也適于高壓直流輸電系統，可以對系統有功和無功功率進行控制。

3.3 二極管箝位型三電平大功率變流器

二極管箝位型變流器與直驅系統結合的應用如圖7所示，該系統的整流側和逆變側都可以采用二極管箝位型變流器。二極管箝位型變流器具有器件開關頻率低、輸出功率大、器件耐壓等級低、等效開關頻率高以及多重化濾波和脈寬調制等優點。同時交流側不需要與變壓器連接，傳輸帶寬大，動態響應較好。但這種變流器也存在不足，例如控制復雜、成本較高。

圖7 二極管箝位型三電平大功率變流器

3.4 雙PWM背靠背大功率變流器

前文中提到，因為不控整流電路的非線性特性，會使不控整流電路的輸入側電流畸變嚴重，對風力發電機的運行造成影響。因此，采用PWM全控整流技術，將頻率和幅值均變化的交流電整流為恒定直流。但是單個背靠背PWM變流模塊存在耐壓等級低和變流功率小等問題，如果采用高壓開關管又會使成本大大增加，因此，文章設計PWM串聯背靠背結構，如圖8所示，可以解決單個模塊的耐壓和功率問題。

由于背靠背變流器的整流部分可以調節發電機的輸出無功功率，可以有效提高發電機輸出功率因數。當需要發電機輸出功率因數為1時，令無功電流為零，這樣可以使發電機輸出最大有功功率。同時，由于無功可以調節，使發電機轉數范圍更寬，風力發電機側整流部分還可以穩定直流側電壓，給并網逆變器提供穩定的直流電源。網側逆變器負責調整系統輸入到電網的有功及無功功率，當電網需要滯后無功功率時，設定無功電流為正值；當需要輸入到電網的有功功率最大，無功功率為零時，可以設定無功電流為0，網側的功率因數為1；當電網需要超前無功功率時，可以設定無功電流為負值。

圖8 PWM背靠背大功率變流器

3.5 不控整流加雙Boost大功率變流器

將圖8拓撲加以改動，將PWM全控整流電路部分替換為不控整流加雙Boost電路的拓撲結構。雙Boost電路可以對不控整流電路整流出的直流電壓進行提高，因為不控整流電路無法調節直流電壓，可以防止由于電壓過低造成PWM逆變器運行特性變差。在雙Boost電路后加平波電抗器和電容器進行濾波，濾波后供給PWM逆變器進行逆變。（圖9）

本結構對原PFC電路的Boost環節進行改造，采用功率開關管直接串聯結構，這樣可以有效提高變流電路的耐壓水平，同時由于采用了耐壓較低的功率開關管，可以有效的降低成本。逆變側仍然采用PWM變流器串聯結構，可以實現調節系統輸入到電網的有功功率和無功功率。

圖9 不控整流加雙Boost大功率變流器

4 結束語

隨著風力發電機組功率和輸出電壓的增大，傳統的變流系統已經不再適應，采用傳統的拓撲必須需要耐壓極高的開關管，成本太高。因此，研究適用于兆瓦級直驅型風力發電機組的變流系統就顯得十分重要。文章中研究了大功率高電壓風力發電變流器拓撲結構，并提出了兩種新的大功率高電壓風力發電變流器拓撲，目前適用于高壓大功率風力發電機的變流器拓撲研究還較少，因此文章所研究的拓撲具有很強的現實意義。

參考文獻

[1]尹超.淺談我國風力發電的現狀和前景[J].山東電力高等專科學校學報，2008，12：74-76.

[2]崔建紅，許建，劉京愛.我國風力發電的現狀與趨勢[J].科技情報開發與經濟，2009，10：121-123.

[3]林明，崔劍平.幾種大型風力發電機組技術特點及應用[J].交通科技與經濟，2010，1：32-36.

[4]李建林，胡書舉，付勛波，等.大功率直驅型風力發電系統拓撲結構對比分析[J].電力自動化設備，2008，7：73-77.

[5]黃繼濤.風力發電變流器的發展趨勢探索[J].科技創新與應用，2014，35：24-25.

作者簡介：孫儀（1985-），男，碩士，工程師，主要從事安徽電網調度運行工作。