直驱式风力发电并网变流器装置

直驱式风力发电并网变流器装置 来源：《变频技术应用》2008年第2期 直驱式风力发电并网变流器装置
胡顺全
山东新风光电子科技发展有限公司
摘要：
本文从控制原理，电路拓扑，技术特点，实验分析等方面简明扼要地阐述了直驱式风力发电并网变流器。此变流器网侧功率因数高，电流总谐波（THD）小，动态响应快，呈电流源特性，易于多单元并联。
关键词：风力发电  直驱式变流器  电流总谐波
Abstract：
The paper briefly introduces the inverter device for direct-drive wind power generation system in the aspect of controlled-theory , circuit structure , technical features , experiment analyzing etc. The inverter also has higher power factor in line side , lower THD , quickly dynamic response . It presents the character of current-source, and it is easy to be paralleled .
Keywords：Wind power generation   direct – drive inverter   THD
0 引言
风力发电是目前最具有形成规模化和最具备商业化的可再生能源技术。而实际上风力发电在很大程度上取决于变速恒频发电系统的发展，变速恒频发电系统已经成为兆瓦级以上风力发电机组的主流技术。所谓变速恒频，就是通过调速控制，使风力发电机组风轮转速能够跟随风速的变化，最大限度地提高风能的利用效率，有效降低载荷，同时风轮及其所驱动的电机转速变化时，保证输出的电能频率始终与电网频率一致。
变速恒频风力发电系统主要分为双馈式和直驱式两种类型。双馈式由于其变流器串联在双馈发电机的转子绕组中，其容量只有系统总功率的1/3—1/4，有效地降低了系统成本；与双馈式相比，直驱式采用低速永磁同步发电机结构，无须齿轮箱（或半直驱式，采用一级齿轮箱），也无滑轮，机械故障少，损耗小，运行效率高，维护成本低，但是，由于直驱式采用系统全功率传输，初始成本相对高。
目前国内许多高校，研究所和企业主要研究、跟踪，消化吸收双馈式并网变流器，而我们公司近年来利用多年研究开发大功率变频器主电路拓扑和回馈并网控制技术的优势，专注直驱式风力发电并网控制技术的开发，成功研制出产品，并安装调试于内蒙古包头市自治区项目中，现已成功运行数月，且无故障记录。
1.     控制原理
兆瓦级大功率直驱式并网变流器采用多单元并联结构，单个单元的主电路拓扑采用交—直—交电压型结构，如图1或图2所示，图1采用二极管不控整流和Boost升压稳压电路，图2采用PWM全控整流电路。

图1 带有Boost升压稳压电路拓扑
采用图1主电路拓扑，通过Boost升压稳压环节将很好的控制后端逆变器的输入直流电压，即不管二极管不控整流的输出直流电压变化多大，通过Boost升压稳压电路后，其直流电压基本稳定，使后端逆变器调制度范围好，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。

图2 PWM整流电路拓扑
采用图2主电路拓扑，通过PWM可控整流技术，可以很好的处理发电机端的交流电压不稳，谐波较大和直流侧电压变化大的问题，是最具发展前途的主电路结构方式。两种主电路各有各的优缺点。控制上采用电流内环，电压外环双闭环矢量控制技术。各个单元采用载波移相多重化技术，无需额外增加滤波器，便能使网侧电流总谐波THD小于国标5%的要求。
2  技术特点
利用多年的研制低压大功率变频器的主电路拓扑和能量回馈并网技
术，成功研制出直驱式风力发电并网变流器，并已成功用于风力发电
项目中，该产品有如下技术特点：
（一）控制上采用电压电流双闭环矢量控制，呈现电流源特性，电流环是直驱式风力发电并网变流器控制的核心。
（二）变流器对电网呈现电流源特性，容易做多单元并联，易于大功率化组装，各个单元之间采用多重化载波移相，极大的减小了网侧电流总谐波。
（三）网侧逆变器采用三电平电路拓扑，适应网侧电压范围广，同时也有益于减小网侧电流总谐波。
（四）兆瓦级变流器需多个单元并联组合，系统控制会自动分组工作，很容易线性化并网回馈功率，易于整个风电项目系统控制，同时有益于减小电流总谐波
（五）并网变流器采用先进的PWM控制技术，可以灵活调节系统的有功和无功功率，减小开关损耗，提高效率，自动并网功率最大化。
（六）具有动态响应快，根据风电整体控制，可以瞬时满足大范围功率变化要求，适应性强。
（七）具有温度，过流，短路，旁路，网侧电压异常等各种保护功能，具有多种模拟量和数字量接口，具有CAN总线或RS485串行总线等接口，与风电项目中的其它部分连接方便，控制灵活。
3   实验波形分析
图3，图4分别是网侧电压电流波形图，图3是并网电流为60A时的网侧电压电流波形图；图4是并网电流为100A时的网侧电压电流波形图，从两图可以看出，网侧电流正弦化，且与电网电压反相，呈现负的单位功率因数，同时也能观察到随着电流的增大，网侧电流的总谐波（THD）越来越小，即整体效率也越来越大。

图3 电流60A时波形图

图4 电流100A时波形图
4 小结
直驱式风力发电并网变流器采用交—直—交三电平电压型主电路拓扑，呈控制电流源特性，容易并联，易于大功率化组装，网侧电流正弦化，可以软并网，对电网无冲击，无污染，可以广泛用于风力发电等可再生能源项目中。
作者介绍：胡顺全，毕业于山东大学控制科学与工程学院电力电子与电力传动专业，现就职于山东新风光电子科技发展有限公司研发部工作，从事变频器、可再生能源回馈装置等电力电子变换技术的研发工作。
参考文献：
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（4）       Robert hennchen comparison between double feed asynchronues generator and synchronues generator for use in wind turbines[z]，2005