不同发电机并网拓扑结构在波浪能发电系统的应用

由于海洋波面的变化，波浪能发电机的输出通常具有波动特性。因此，在并网或为独立负载供电之前，需要进一步调节发电机的输出。本节将讨论几种带有各种发电机和电力电子接口的并网拓扑结构。

本节将介绍用于带有直线和同步发电机的波浪能应用的并网接口。如图4.1中给出的通用系统结构所示，电网和负载的接口应该与WEC应用系统一起使用。图4.62所示为带有若干波浪能转换器装置和一个等效电力电子接口的系统。

图4.62 基于感应发电机的波浪能转换器的接口结构

除了使用用于并网的通用接口技术，还可以为每个WEC装置配备独立的电力电子接口。配置多个波浪能转换器可以降低发电机的输出功率波动（用G表示）。这也可能会降低对能源储存装置的需求，不过应在电网接口技术框架内使用其他方法，以便更好地解决功率平稳和并网问题。

4.3.6.1 用于直线和同步发电机应用系统的并网接口

涉及发电机的波浪能发电应用系统通常都建在电场结构内。因为波浪周期和浪高的不同，使用多个发电机组将有助于减小功率波动^[67]。

图4.63 用于不同发电机应用系统的并网接口

图4.63给出了一个用于发电机应用系统的典型并网接口。虽然使用多个机组对获得更好的总体波形有益，如果需要并网则仍然需要进行进一步调节。这些WEC机组的输出电压具有不同的振幅、频率和相位。如果将多个机组连接在一起，直流母线电压变化就会下降。在整流级之后，应放置电容组来更好地抑制直流母线电压的变化。如果任何机组不满足短时的入射波，可以使用电容器组作为一个短时能量缓冲器，以实现将能量持续传递到电网。这些电容也用于判断中性点以及用作逆变器输出滤波器。第三级包括一个六脉冲IGBT逆变器。应调节这个逆变器来实现其输出电压与电网电压幅值和频率等指标的同步。这种同步通常使用发电机电压、电网电压以及这两者之间的电压差来提供。

在对各个相间电压进行比较之后，需要对其差值进行空间矢量处理，以供逆变器开关控制器使用。

第四级使用低通LC滤波。应该将这种滤波网络的电感和电容值测量出来，用以抑制逆变器输出电压的高频成分。因此，滤波器的截止频率应该比电网频率略高一些，用以避免滤掉基本的频率成分。在滤波级之后，网络输出是同步的、滤波过的，这样才能用于并网。这种拓扑结构适用于使用直线发电机、三相同步发电机以及笼型感应发电机的应用系场合。

4.3.6.2 用于感应发电机应用系统的并网接口

有多个并网接口可供带有感应发电机的系统使用，比如带有并网型静止同步补偿器（STATCOM）、串联全功率转换器的感应发电机以及DFIG等^[68]。

4.3.6.2.1 带有并网型STATCOM的感应发电机

带有并网型STATCOM的感应发电机如图4.64所示。

图4.64 带有并网型STATCOM的感应发电机

STATCOM能够向电网中注入或从电网中吸收无功功率以克服电压波动。STATCOM带有双向转换器和连接到直流侧的电容^[69]。STATCOM的交流侧用于补偿电压波动和低电压穿越（LVRT）^[70]。较大的能量储存装置可以用在STATCOM的直流侧，用于补偿源自波浪能自然行为的有功功率波动。可以使用电压升降的幅度和持续时间、发电机和电网参数来确定STATCOM的额定值。

电压波动的幅度也取决于电网的强度和连接线路的阻抗角。较大的阻抗角和弱电网能够引起较大的电压变化^[68]。

如果使用STATCOM作为接口拓扑结构，就不可能将直接转矩控制用于发电机系统。因此，这种拓扑结构可以使用带有主动控制的液压动力起动（PTO）系统和高压蓄能系统之类的能量缓冲系统得到加强。这种方法也类似于索尔特凸轮法，即使用高压液压油来驱动液压马达，从而驱动发电机发电^[4]。这也可以用作机械能缓冲器^[68]。

图4.65所示为液压PTO系统结构示意图。液压PTO由一个液压活塞、一个高压蓄能器和一个液压马达组成。高压蓄能器将对海浪吸收器产生的机械功率波动起到平滑作用；这样输入到感应发电机的功率将更加平稳，但可能会存在或多或少的波动。电能储存可能有助于平滑剩余能量的波动^[68]。不过，如果转换和储存的维度和成本保持在一个合理的范围内，这将更有利于处理同一转换阶段的功率平滑问题。由于在直流母线侧进行能量储存，因此STATCOM装置也可以用作电力补偿装置，而且还能够产生一些剩余功率平滑的效果^[71]。

图4.65 使用带有感应发电机的液压PTO系统的能量缓冲系统

4.3.6.2.2 串联全功率变换器的感应发电机

图4.66所示为与用作电网接口的全功率变换器相连接的感应发电机^[68]。

图4.66 与作为并网接口的全功率变换器相串联的感应发电机

这里有两个级联电压源变换器，其中之一是AC-DC变换器，另一个是DC_- AC变换器。这两个变换器的耦合点通过直流侧相连。发电机侧变换器提供了励磁和控制电磁转矩所需的励磁电流。电网侧变换器用来补偿电压、功率因数和功率流。

这种全功率变换方法能够实现发电机的变速运行以及电磁转矩的主动控制。因此，电压骤降和功率不平衡问题可以通过提升穿越故障的能力来解决^[68]。

如果电网出现短路现象，具有完全变换器的WEC不能对故障电流做出显著的贡献，因为在过渡过程中，它们不能提供额定电流数倍以上的电流。就LVRT低电压穿越而言，最优技术就是采用一个全功率变换器，它具有比STATCOM更大的裕量^[72]。不过，全功率变换器的额定值取决于流动电流，因为它们是串联在一起，因此它的元件尺寸较大，而且成本要比STATCOM更高。

电磁转矩可以使用矢量控制技术来进行主动控制。发电机侧变换器可以在闭锁时提供闭锁力。机械制动系统可以减轻组合解决方案中变换器的负担。

4.3.6.2.3 双馈感应发电机

在双馈发电机的拓扑结构中，转子绕组并未短路。因此，该发电机应该是绕线式，而不是笼型，如图4.67所示。转子绕组的输出与AC-DC变换器、直流母线电容器、另一个并网用DC-AC变换器以及发电机定子绕组连接点有关^[73]。

图4.67 使用背到背变换器的双馈拓扑结构

这种变换器连接称为背到背变换器，它与转子绕组串联，并与电网线并联。在液压平滑级的辅助下，发电机的转速变化不会太大，因此与串联的全功率变换器相比，该变换器的额定值较低^[73]。不过，双馈拓扑结构不适用于直接驱动。转子侧变换器用于控制系统的功率输出和并网端测得的电压（或无功功率）。通过调节直流母线侧的电容电压，电网侧变换器可以产生或吸收无功功率^[74]。换句话说，转子侧变换器控制励磁电流和电磁转矩，而电网侧变换器的控制方式则类似于STAT-COM的控制^[72]。在这种拓扑结构中，变换器的额定值限制了变速运行的范围。因此，它的能力并没有主动控制中全变换器那么强。通过提高变换器的额定值，就可以实现较大的控制裕量，从而增加了成本。因此，全功率变换器可以提供更大的控制灵活性。

该系统的特性可以与STATCOM中的恒速发电机相同^[73]。这种结构在风力发电场中非常普遍，而且同样的技术还可以在带有液压PTO系统的WEC系统中使用。(www.xing528.com)

4.3.6.3 开关磁阻发电机应用系统的并网接口

图4.68给出了SRG并网接口的总体结构图^[75]。

转矩是由于SRG存在可变磁阻而产生的转子角位置的函数。SR发电机相电流应由电力电子控制器根据转子的特定位置来控制。为了控制转矩，并将可用电能传输到电网，应该通过电力电子接口来调节相电流的幅值和波形。发电机的安全运行也应由电力电子变换器来提供。变换器用于逆变根据转子的特定位置而产生的各相电压。该变换器还提供了多相开关磁阻发电机产生的电压的转相。连接到直流母线的直流母线电容用于降低输出电压的振荡。

图4.68 开关磁阻发电机的总体并网图

如果损耗忽略不计，每一个脉冲的输出功率将会超出所提供的机械功率的激励^[76]。在这种情况下，开关磁阻发电机的输出功率可以计算为

式中 p——瞬时提取的功率；

n——各相总数；

j——具体相数；

θ——转子位置；

ω——转子转速；

i_j——j相电流；

L_j（θ）——j相电感，它是转子位置的函数。

在忽略饱和情况而且每相磁性无关的情况下，这个方程有效。平均输出功率等于无损耗情况下的机械功率，因此发电机的平均功耗和转矩为

式中 P——平均功率；

T_m——转矩；

N_r——转子的磁极数。

包含一个电力电子变换器和控制电路的开关磁阻发电机并网接口如图4.69所示^[77]。在功率电路中，每相有两个MOSFET晶体管和两个二极管，它可以使用最小的无功器件来提供最大的效率和控制灵活性。在MOSFET开关内部集成的二极管另外建立了一个全桥二极管整流器，因此直流母线侧电容器可以很快地充电。

图4.69 用于开关磁阻发电机并网的电力电子变换器和控制器

SRG电力电子接口的控制系统包括位置敏感器件、同步电路、换相逻辑和PWM发生器^[77]。电力电子接口组件如图4.69所示。磁性编码器包含安装在转子上的磁环和两个位置检测用的霍尔传感器芯片。PWM发生器为电流模式的控制器，该控制器与数字电路、发电机电压和转矩参考值等同步^[75]。图4.70所示的框图提出了开关磁阻发电机使用的一种无参考转矩的电流控制。使用与各相对应的梯形转矩（T₁^*、T₂^*、T₃^*、T₄^*），可以求出参考电流的波形（i₁^*、i₂^*、i₃^*、i₄^*）。

图4.70 并网开关磁阻发电机的工作原理框图

该变换器可以以三种不同的模式来运行，它们分别是充电模式、建压模式与发电模式。直流母线电容器利用PM磁通量的交变电动势通过二极管整流器的充电模式实现充电。在这种工作模式下，变换器工作在无功模式。直流母线电容充电至PM所处的某相感应电动势的峰值，该电压随不同发电机的转速和PM通量功率而变。

电容电压上升到建压模式的额定电压。在这种模式下，MOSFET会主动实现开关。一般来说，励磁能量首先来自于该电容器，而晶体管则是处于导通状态。电容电压在对齐位置前后某一点轻微变动，因此在对齐之后，大部分绕组就会导通。当转子磁极朝向下一相的定子磁极运动开始励磁时，电流开始上升^[77]。相电流随着从直流母线电容器提取能量而增大，直到开关关闭为止。在换相角处开关关闭，这是由控制电路决定的。

开关中的电流被切换到二极管中，这时候开关被关闭直至电流为零为止。然后，端电压将使得续流二极管反转。在这个去磁期间，直流母线电容接收返回的发电电能。能量流动从发电机切换到电容器方向，导致了电容电压升高。

在去磁期间返回的电能应该大于开关处于闭合状态时提供的励磁电能，以实现其可持续工作，并提升建压模式下的电压^[77]。原动机产生电能输入和输出之间的能量差。能量流可以通过开关的闭合时间来调节。

4.3.6.4 用于压电/电致伸缩发电机的并网接口

虽然压电/电致伸缩发电机发电功率相对较低，可以通过电力电子接口实现大量机组组合的应用系统并网。该电力电子接口包括一个开关谐振能量变换器、一个DC-DC升压变换器和一个DC-AC逆变器。

这种电力电子接口的电路原理如图4.71所示。

图4.71 用于压电/电致伸缩发电机的电力电子接口示意图

该开关谐振功率变换器用于从应变材料中提取最大能量。4.3.4.5.7节详细说明了这种电路的工作原理。升压变换器与开关谐振功率变换器输出相连接。这个DC-DC升压变换器用于压电元件的逐步升压，然后再逆变为交流电压。该升压变换器的占空比取决于谐振功率变换器的输出电压以及电网电压有效值。逆变器控制应该使用PWM控制，以实现输出电压在调制指数、输出电压幅值、相位角以及频率方面的同步。