高壓大功率直驅(qū)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀，研究了直驅(qū)型風(fēng)電機組全功率并網(wǎng)變流技術(shù)的現(xiàn)狀，比較現(xiàn)有的常規(guī)直驅(qū)型風(fēng)電變流器的拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，并比較大功率高電壓風(fēng)力發(fā)電變流器拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，提出了兩種新型高壓大功率風(fēng)力發(fā)電機的變流器拓撲。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；大功率；直驅(qū)式

1 概述

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

經(jīng)過近幾年風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，以及對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各自的優(yōu)勢和特點的研究，雙饋發(fā)電機系統(tǒng)和直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)成為了大功率MW級風(fēng)力發(fā)電的趨勢。今后將量產(chǎn)3.3MW以上，輸出電壓為10kV的大功率風(fēng)力發(fā)電機[1]，現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電變流器拓撲將不適合于大功率風(fēng)力發(fā)電機，但是對適用于高壓大功率風(fēng)力發(fā)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(xiàn)實意義。

2 風(fēng)力發(fā)電變流器研究現(xiàn)狀

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機是一種需要全功率變流的風(fēng)力發(fā)電機，隨著電力電子技術(shù)發(fā)展的越來越成熟，全功率風(fēng)力發(fā)電變流器的制造成本大為下降，風(fēng)力發(fā)電機的直驅(qū)化也是當(dāng)前研究的一個熱點。

目前大部分風(fēng)力發(fā)電機與風(fēng)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(tǒng)的效率，增加了系統(tǒng)的成本，而且齒輪箱很容易出現(xiàn)故障，是目前風(fēng)力發(fā)電機組的故障點之一。而直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流機組沒有齒輪箱，發(fā)電機直接與風(fēng)輪相連，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)運行的效率。近年來，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展迅速，單機容量越來越大，已經(jīng)發(fā)展到了兆瓦級的機組，對其全功率變流器的設(shè)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(chǎn)化率高等優(yōu)點，但晶閘管在導(dǎo)通后無法自關(guān)斷，需要主電路電流關(guān)斷或很小才能關(guān)斷，逆變后的電流諧波較大。隨著IGBT等自關(guān)斷電力電子器件的發(fā)展，晶閘管逆變器在風(fēng)力發(fā)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(jié)構(gòu)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(wěn)定等優(yōu)點，但完全不控整流會造成輸出的直流電壓無法調(diào)節(jié)，若電壓過低，會造成PWM逆變器運行特性變差。風(fēng)力發(fā)電機經(jīng)不控整流后，直接通過電壓型PWM逆變器并入電網(wǎng)，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(guān)斷器件，開關(guān)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(jié)構(gòu)中加入了一個Boost升壓環(huán)節(jié)。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(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)相比于PWM全控整流電路，成本大大降低，減少了IGBT的使用數(shù)量。

2.4 雙PWM型變流系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

將圖3結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。不控整流橋的非線性特性會造成整流橋輸入側(cè)電流諧波較大，對風(fēng)力發(fā)電機的運行造成影響，所以采用PWM整流技術(shù)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(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3 高壓大功率直驅(qū)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組的各種變流電路

隨著風(fēng)力發(fā)電機組功率和輸出電壓的增大，傳統(tǒng)的變流系統(tǒng)已經(jīng)不再適應(yīng)，采用傳統(tǒng)的拓撲必須需要耐壓極高的開關(guān)管，成本太高。因此，研究適用于兆瓦級直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的變流系統(tǒng)就顯得十分重要。

3.1 器件串并聯(lián)型大功率變流器

該系統(tǒng)與低壓變流器一樣，由風(fēng)力發(fā)電機輸出的高壓經(jīng)過開關(guān)管直接串聯(lián)而成的不控整流電路，經(jīng)過整流后，通過直流平波電抗器和電容濾波，再經(jīng)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(wǎng)。（圖5）

采用器件串并聯(lián)方式提高變流器功率的方法具有功率器件個數(shù)少，拓撲結(jié)構(gòu)簡單，故障少的優(yōu)點。但對驅(qū)動電路的要求也大大提高，因為器件的并聯(lián)會帶來器件均流問題，器件的串聯(lián)會帶來分壓不均等問題，所以經(jīng)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(lián)器件同時的導(dǎo)通和關(guān)斷。

圖5 開關(guān)管直接串聯(lián)型并網(wǎng)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(qū)系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用如圖6所示，與二極管箝位型變流器相似，該系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè)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(guān)方式靈活等優(yōu)點。該變流器也適于高壓直流輸電系統(tǒng)，可以對系統(tǒng)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(qū)系統(tǒng)結(jié)合的應(yīng)用如圖7所示，該系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè)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(guān)頻率低、輸出功率大、器件耐壓等級低、等效開關(guān)頻率高以及多重化濾波和脈寬調(diào)制等優(yōu)點。同時交流側(cè)不需要與變壓器連接，傳輸帶寬大，動態(tài)響應(yīng)較好。但這種變流器也存在不足，例如控制復(fù)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(cè)電流畸變嚴(yán)重，對風(fēng)力發(fā)電機的運行造成影響。因此，采用PWM全控整流技術(shù)，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(guān)管又會使成本大大增加，因此，文章設(shè)計PWM串聯(lián)背靠背結(jié)構(gòu)，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(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出無功功率，可以有效提高發(fā)電機輸出功率因數(shù)。當(dāng)需要發(fā)電機輸出功率因數(shù)為1時，令無功電流為零，這樣可以使發(fā)電機輸出最大有功功率。同時，由于無功可以調(diào)節(jié)，使發(fā)電機轉(zhuǎn)數(shù)范圍更寬，風(fēng)力發(fā)電機側(cè)整流部分還可以穩(wěn)定直流側(cè)電壓，給并網(wǎng)逆變器提供穩(wěn)定的直流電源。網(wǎng)側(cè)逆變器負責(zé)調(diào)整系統(tǒng)輸入到電網(wǎng)的有功及無功功率，當(dāng)電網(wǎng)需要滯后無功功率時，設(shè)定無功電流為正值；當(dāng)需要輸入到電網(wǎng)的有功功率最大，無功功率為零時，可以設(shè)定無功電流為0，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)為1；當(dāng)電網(wǎng)需要超前無功功率時，可以設(shè)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(jié)構(gòu)。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(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)對原PFC電路的Boost環(huán)節(jié)進行改造，采用功率開關(guān)管直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(guān)管，可以有效的降低成本。逆變側(cè)仍然采用PWM變流器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入到電網(wǎng)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(jié)束語

隨著風(fēng)力發(fā)電機組功率和輸出電壓的增大，傳統(tǒng)的變流系統(tǒng)已經(jīng)不再適應(yīng)，采用傳統(tǒng)的拓撲必須需要耐壓極高的開關(guān)管，成本太高。因此，研究適用于兆瓦級直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的變流系統(tǒng)就顯得十分重要。文章中研究了大功率高電壓風(fēng)力發(fā)電變流器拓撲結(jié)構(gòu)，并提出了兩種新的大功率高電壓風(fēng)力發(fā)電變流器拓撲，目前適用于高壓大功率風(fēng)力發(fā)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(xiàn)實意義。

參考文獻

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