直驱型发电系统的变流方案优化

变流器常用两种方案。第一种为不可控整流＋Boost＋逆变的方案（见图7-12）。将低速永磁发电机发出的频率、幅值变化的交流电经过整流之后变为直流电，经过Boost电路升压后，再经过三相逆变器变换为三相恒幅交流电连接到电网。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。

图7-12中的DC—DC变流器为Boost电路。其输入侧有储能电感，可以减小输入电流纹波，防止电网对主电路的高频瞬态冲击，对整流器呈现电流源负载特性；其输出侧有滤波电容，可以减小输出电压纹波，对负载呈现电压源特性。利用Boost电路在斩波的同时，还实现功率因数矫正的目标，包括如下两个方面：①控制电感电流，使输入电流正弦化，保证其功率因数接近于1，并使输入电流基波跟随输入电压相位；②当风速变化时，不可控整流得到的电压也在变化，而通过DC—DC变流器的调节可以保持直流侧电压的稳定，使输出电压保持恒定。

图7-12 不可控整流＋Boost＋逆变

图7-13所示是低速永磁发电机组变流器常用第二种方案，即背靠背双PWM变流器结构。发电机定子通过背靠背变流器和电网连接。发电机侧PWM变流器通过调节定子侧的d轴和q轴电流，控制发电机的电磁转矩和定子的无功功率（无功功率设定值为0），使发电机运行在变速恒频状态，额定风速以下具有最大捕获风能能力；网侧PWM变流器通过调节网侧的d轴和q轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功功率和无功功率的解耦控制，控制流向电网的无功功率，通常运行在单位功率因数状态。此外，网侧变流器还要保证变流器输出的THD（总谐波失真）尽可能小，以提高注入电网的电能质量。这种拓扑结构的通用性较强，双PWM变流器主电路完全一样，控制电路和控制算法也非常相似。两侧变流器都使用基于DSP的数字化控制，采用矢量控制，控制方法灵活，具有四象限运行功能，可以实现对发电机调速和发电质量控制。(www.xing528.com)

图7-13 背靠背双PWM变流器结构

图7-12所示的不可控整流＋Boost＋逆变电路是三级变换，而图7-13的背靠背双PWM电路是两级变换，后者效率更高，但是全控型器件数量更多，同时，发电机侧变流器矢量控制通常需要检测发电机转速等信息，控制电路较复杂，因而具有相对较高的成本。图7-12所示的不可控整流＋Boost＋逆变电路构成的整流器，控制简单，实现相对容易，可靠性高，方便实现永磁同步发电机的无速度传感器控制，节约了成本。

针对风力发电机组额定容量、电压、电流等级不断提高的趋势，大功率变流技术得到应用。出现了各种多电平变流技术拓扑结构形式。主要有二极管钳位型多电平变流器、级联H桥型多电平变流器和飞跨电容型多电平变流器。二极管钳位型多电平变流器前文已经简要介绍。图7-14所示为用于直驱发电系统的飞跨电容型多电平变流器，其电平合成的自由度和灵活性高于二极管钳位型多电平变流器。飞跨电容型多电平变流器的优点是开关方式灵活，对功率器件保护能力强；既能控制有功功率，又能控制无功功率。缺点是需要大量存储电容，造价较高；系统控制复杂，器件的开关频率和开关损耗大；同二极管钳位型多电平变流器一样，也存在导通负载不一致问题。