高压大功率直驱并网型风力发电变流器拓扑分析

摘 要：文章概述了国家新能源政策以及风力发电的发展现状，研究了直驱型风电机组全功率并网变流技术的现状，比较现有的常规直驱型风电变流器的拓扑结构的优劣，并比较大功率高电压风力发电变流器拓扑结构的优劣，提出了两种新型高压大功率风力发电机的变流器拓扑。

关键词：风力发电；大功率；直驱式

1 概述

随着经济的快速发展，人们对电力的需求越来越大，目前，我国的发电方式主要是火力发电，而火力发电所需的化石能源是不可再生资源。因此，开发和利用新能源和可再生能源是解决能源和环保问题的重要措施之一。近年来，我国的风电产业发展迅速，“十二五”期间，我国风电装机规模持续迅猛增长。2011年并网风电装机容量达到4700万千瓦，取代美国跃升为世界第一风电装机大国；2012年发电量达1008亿千瓦时，首次超过核电。截至今年9月底，我国风电并网装机规模为10885万千瓦，占全部发电装机的7.9%。

经过近几年风力发电技术的迅速发展，以及对风力发电系统各自的优势和特点的研究，双馈发电机系统和直驱风电系统成为了大功率MW级风力发电的趋势。今后将量产3.3MW以上，输出电压为10kV的大功率风力发电机[1]，现有的风力发电变流器拓扑将不适合于大功率风力发电机，但是对适用于高压大功率风力发电机的变流器拓扑研究还较少，因此文章所研究的拓扑具有很强的现实意义。

2 风力发电变流器研究现状

直驱型风力发电机是一种需要全功率变流的风力发电机，随着电力电子技术发展的越来越成熟，全功率风力发电变流器的制造成本大为下降，风力发电机的直驱化也是当前研究的一个热点。

目前大部分风力发电机与风轮不是直接相连，而是中间通过齿轮箱相连，齿轮箱不仅降低了系统的效率，增加了系统的成本，而且齿轮箱很容易出现故障，是目前风力发电机组的故障点之一。而直驱式风力发电并网变流机组没有齿轮箱，发电机直接与风轮相连，增强了系统的稳定性，提高了系统运行的效率。近年来，直驱式风力发电技术的发展迅速，单机容量越来越大，已经发展到了兆瓦级的机组，对其全功率变流器的设计也提出了更高的要求。

2.1 不控整流加无功补偿型晶闸管逆变器

不控整流后接晶闸管逆变器和无功补偿型变流电路如图1所示。晶闸管与IGBT相比，具有成本低、耐压等级高、国产化率高等优点，但晶闸管在导通后无法自关断，需要主电路电流关断或很小才能关断，逆变后的电流谐波较大。随着IGBT等自关断电力电子器件的发展，晶闸管逆变器在风力发电中逐渐减少。

2.2 不控整流电路加PWM电压源型逆变器拓扑

如图2所示，这种拓扑结构是由不控整流电路和PWM逆变器组成。不控整流电路具有成本低、运行稳定等优点，但完全不控整流会造成输出的直流电压无法调节，若电压过低，会造成PWM逆变器运行特性变差。风力发电机经不控整流后，直接通过电压型PWM逆变器并入电网，电压型PWM逆变器与图1中所示的晶闸管逆变器相比，利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波，加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。

2.3 不控整流后接Boost升压电路的电压型PWM逆变器型拓扑

不控整流后接Boost升压电路的电压型PWM逆变器型是在图2的拓扑结构中加入了一个Boost升压环节。Boost电路可以提高不控整流电路整流出的直流电压，因为不控整流电路无法调节直流电压，可以防止由于电压过低造成PWM逆变器运行特性变差。而且与图4拓扑相比，不控整流电路加Boost升压电路这种拓扑结构相比于PWM全控整流电路，成本大大降低，减少了IGBT的使用数量。

2.4 双PWM型变流系统拓扑结构

将图3结构中的不控整流桥部分替换成PWM整流器，并且不采用Boost升压电路后就得到如图4所示的PWM整流器后接电压型PWM逆变器，即为双PWM变流器的拓扑结构。不控整流桥的非线性特性会造成整流桥输入侧电流谐波较大，对风力发电机的运行造成影响，所以采用PWM整流技术将频率和幅值都变化的交流整流成为恒定直流。

图4 双PWM型变流系统拓扑结构

3 高压大功率直驱并网型风力发电机组的各种变流电路

随着风力发电机组功率和输出电压的增大，传统的变流系统已经不再适应，采用传统的拓扑必须需要耐压极高的开关管，成本太高。因此，研究适用于兆瓦级直驱型风力发电机组的变流系统就显得十分重要。

3.1 器件串并联型大功率变流器

该系统与低压变流器一样，由风力发电机输出的高压经过开关管直接串联而成的不控整流电路，经过整流后，通过直流平波电抗器和电容滤波，再经过后接的PWM逆变电路进行逆变，可供给高压电动机或通过变压器后接入电网。（图5）

采用器件串并联方式提高变流器功率的方法具有功率器件个数少，拓扑结构简单，故障少的优点。但对驱动电路的要求也大大提高，因为器件的并联会带来器件均流问题，器件的串联会带来分压不均等问题，所以经常由于各器件的开断时间不一，器件承受的电压不均或电流不均，会造成器件由于电压过高损坏甚至整个变流器崩溃，因此必须要做到串联器件同时的导通和关断。

图5 开关管直接串联型并网逆变器

3.2飞跨电容型多电平大功率变流器

飞跨电容型变流器与直驱系统结合应用如图6所示，与二极管箝位型变流器相似，该系统的整流侧和逆变侧都采用飞跨电容型变流器，飞跨电容型多电平变流器的电平合成的自由度和灵活度高于二极管多电平变流器[3]。飞跨电容型多电平变流器对功率器件的保护能力增强，开关方式灵活等优点。该变流器也适于高压直流输电系统，可以对系统有功和无功功率进行控制。

3.3 二极管箝位型三电平大功率变流器

二极管箝位型变流器与直驱系统结合的应用如图7所示，该系统的整流侧和逆变侧都可以采用二极管箝位型变流器。二极管箝位型变流器具有器件开关频率低、输出功率大、器件耐压等级低、等效开关频率高以及多重化滤波和脉宽调制等优点。同时交流侧不需要与变压器连接，传输带宽大，动态响应较好。但这种变流器也存在不足，例如控制复杂、成本较高。

  图7 二极管箝位型三电平大功率变流器

3.4 双PWM背靠背大功率变流器

前文中提到，因为不控整流电路的非线性特性，会使不控整流电路的输入侧电流畸变严重，对风力发电机的运行造成影响。因此，采用PWM全控整流技术，将频率和幅值均变化的交流电整流为恒定直流。但是单个背靠背PWM变流模块存在耐压等级低和变流功率小等问题，如果采用高压开关管又会使成本大大增加，因此，文章设计PWM串联背靠背结构，如图8所示，可以解决单个模块的耐压和功率问题。

由于背靠背变流器的整流部分可以调节发电机的输出无功功率，可以有效提高发电机输出功率因数。当需要发电机输出功率因数为1时，令无功电流为零，这样可以使发电机输出最大有功功率。同时，由于无功可以调节，使发电机转数范围更宽，风力发电机侧整流部分还可以稳定直流侧电压，给并网逆变器提供稳定的直流电源。网侧逆变器负责调整系统输入到电网的有功及无功功率，当电网需要滞后无功功率时，设定无功电流为正值；当需要输入到电网的有功功率最大，无功功率为零时，可以设定无功电流为0，网侧的功率因数为1；当电网需要超前无功功率时，可以设定无功电流为负值。

图8 PWM背靠背大功率变流器

3.5 不控整流加双Boost大功率变流器

将图8拓扑加以改动，将PWM全控整流电路部分替换为不控整流加双Boost电路的拓扑结构。双Boost电路可以对不控整流电路整流出的直流电压进行提高，因为不控整流电路无法调节直流电压，可以防止由于电压过低造成PWM逆变器运行特性变差。在双Boost电路后加平波电抗器和电容器进行滤波，滤波后供给PWM逆变器进行逆变。（图9）

本结构对原PFC电路的Boost环节进行改造，采用功率开关管直接串联结构，这样可以有效提高变流电路的耐压水平，同时由于采用了耐压较低的功率开关管，可以有效的降低成本。逆变侧仍然采用PWM变流器串联结构，可以实现调节系统输入到电网的有功功率和无功功率。

图9 不控整流加双Boost大功率变流器

4 结束语

随着风力发电机组功率和输出电压的增大，传统的变流系统已经不再适应，采用传统的拓扑必须需要耐压极高的开关管，成本太高。因此，研究适用于兆瓦级直驱型风力发电机组的变流系统就显得十分重要。文章中研究了大功率高电压风力发电变流器拓扑结构，并提出了两种新的大功率高电压风力发电变流器拓扑，目前适用于高压大功率风力发电机的变流器拓扑研究还较少，因此文章所研究的拓扑具有很强的现实意义。

参考文献

[1]尹超.浅谈我国风力发电的现状和前景[J].山东电力高等专科学校学报，2008，12：74-76.

[2]崔建红，许建，刘京爱.我国风力发电的现状与趋势[J].科技情报开发与经济，2009，10：121-123.

[3]林明，崔剑平.几种大型风力发电机组技术特点及应用[J].交通科技与经济，2010，1：32-36.

[4]李建林，胡书举，付勋波，等.大功率直驱型风力发电系统拓扑结构对比分析[J].电力自动化设备，2008，7：73-77.

[5]黄继涛.风力发电变流器的发展趋势探索[J].科技创新与应用，2014，35：24-25.