1、變速風力發電系統的變流技術變速風力發電系統的電源變換技術合肥陽光電源有限公司曹仁賢、趙為、屠運武合肥工業大學電氣學院李維華、張興摘要 ：本文對變速型風力發電系統功率變換器的多種拓撲結構及控制方式作了較為詳細的闡述,并指出目前摘要采用雙饋異步感應發電機系統加轉子功率控制方式或低速永磁同步發電機組直接驅動變換器兩種電路具有較高的性能價格比和較好的市場前景。關鍵詞：變速風力發電雙饋異步發電機直接驅動并網運行關鍵詞Abstract:Thispaperexplainstheconverterofvariablespeedwindturbines,ThecomparisonbetweenDoubly-fe

2、dinductionmotorandsynchronousmotorshowsthatdoubly-fedmotorwith4-QACconverterordirectdrivingsystemareaverycosteffectiveandwidelysuccessfulsolutions.Keywords:variablespeedwindturbines,doubly-fedinductiongenerator,directdriving,connectionwiththeelectricnetwork整流器所取代，以前PWM技術主要應用于逆變器場合，近年來PWM整流器已逐漸成熟，采用P

3、WM整流器使得風力發電機的功率因素得到改善，諧波損耗也大大降低，其基本控制策略如下：在風力發電機組額定功率以內，控制器的控制策略是實現最大功率跟蹤，即盡量利用風能，而當風速超過額定風速時，為使發電機組和逆變器不致于過載運行，此時應減小葉尖速比CP值，使風力發電系統運行于恒功率區域。采用交直交方式實現風機并網運行有許多優點:控制方式較簡單；可使用普通交流異步發電機；有功分量和無功分量可單獨控制；對電網波動有較強的適應性。但也存在許多缺點：整流器和逆變器的容量必須和風機功率相匹配，變換器價格昂貴；發電機繞組承受較高的dv/dt，電磁兼容性較差；直流側Lc濾波器、交流網側電感容量較大。基于上述優缺點

4、，交直交并網發電系統不適合應用于兆瓦級系統，應用于10200kw系統時其性能價格比最優。1引言引言變速風力發電機組根據風速變化，使機組保持最佳葉尖速比，從而獲得最大風能，另外變速風力發電機組與電網實現了柔性連接，大大減少了機械沖擊和對電網的沖擊，2006年全球裝機容量中多數風機已采用變速風機和變頻恒頻驅動技術。采用變速風力發電機組已成為風力發電機組的主流1。采用變速風力發電機組必需采用相應的功率變換器，本文對常用的幾種風力并網逆變器進行了比較、分析，對雙饋型風力發電系統逆變器進行了詳細分析和研究。2異步發電機交直交型并網變流器異步發電機交直交型并網變流器常規的變速風力并網系統的基本構成如圖1所

5、示，機組通常由風輪、增速箱、交流發電機、變距機構、整流器、變速器以及控制電路組成，早期的交直交并網逆變器整流器采用晶閘管相控整流器（如圖1所示），但需要增加無功補償電路，隨著電力電子技術的發展，相控整流器逐步被PWM風輪同步發電機并網系統 3同步發電機并網系統控制電路變距機構圖1交直交異步發電系統Fig1AC-DC-ACinductiongeneratorsystem由于同步發電機的轉速和電網頻率是硬性連接，而風力資源具有較大的隨機性，因此發電機和電網之間使用交直交變換器可使風機在較大轉交直交同步風力發電系統如圖2所1速范圍內運行。示：圖2交直交同步發電系統Fig.2AC-DC-ACsynch

6、ronousgeneratorsystem由于同步發電機具有獨立的勵磁回路，無需再提供再生能量，因此交直交變換器不需要四象限運行，小功率的發電機也可采用永磁發電機，但由于同步發電機在低風速時輸出電壓較低，此時無法將能量回饋至電網，因此實用的電路往往在直流側加入一個Boost升壓電路（如圖3所示）在低速時由升壓電路先將整流器輸出的直流電壓提升，采用此電路可使風力發電機運行在非常寬的調速范圍，另外Boost電路還可以調節整流器入端（即發電機輸出端）的電流波形，以改善其諧波失真和功率因數，控制電路簡單可靠；無最大、最小速度限制，調速范圍寬；發電機不承受高的dv/dt，電磁兼容性好；對電網波動不敏感。

7、缺點：三級變換（整流、升壓、逆變）使系統效率下降23；直流環節電容為高壓、大容量，體積大、價格高；網側電感容量較大。4雙饋型風力并網發電系統雙饋型風力并網發電系統雙饋（Doubly-fed）發電機在結構上與繞線型感應電動機相似，即定子、轉子均為三相對稱，轉子繞組電流由滑環引入，其電氣原理如圖4所示，發電機的定子通過接觸器投入電網，轉子通過四象限交直交變換器與電網連接。其實質是通過調節轉子電流的頻率，相位及功率來調節定子側輸出功率使之與風輪輸出功率相匹配，使風機運行在最大功率點附近2。雙饋風力發電系統的優點如下：轉子側交直交變換器僅需要25的風機額定功率，大大降低了電源變換器的造價；網側及直流側

8、濾波電感、電容功率相應縮小，電磁干擾也大大降低；可方便地實現無功功率控制。缺點如下：雙饋發電機由于必須使用雙繞組以及滑環，發電機成本較高，且無標準化設計方法；調速范圍較小，一般只能在額定轉速的70130內調節3控制電路較復雜；轉子側變流器工作在低頻段（通常為016.6Hz）,由于功率器件一般其有效值在50Hz下標定，工作于低頻段時IGBT等功率器件的熱應力增加，功率器件必須留有足夠的余量；轉子繞組承受較高的dv/dt，轉子絕緣等級要求較高。5低速永磁同步發電機直接驅動系統低速永磁同步發電機直接驅動系統 上述三種系統均采用了增速齒輪箱將發電機的低速低頻變為高速工頻，但齒輪箱一方面產生巨大的噪聲，

9、同時也降低了風能的利用效率，新型的風力發電系統采用多極低速永磁同步發電機，通過功率變換電路直接并入電網，這就省去了增速齒輪箱（如圖5所示），系統效率大大提高，噪聲也進一步降低。風輪發電機側網側圖5低速永磁直接驅動系統Fig.5Directdrivingwindgeneratorsystem直接驅動型風力發電系統的優點如下：風力發電機變速范圍不受限制，提高了鳳能利用率。轉動部分無需齒輪箱，降低系統噪音。可采用多電平變換技術，將風能直接饋入高壓電網。缺點如下：功率變換器造價昂貴；定子繞組絕緣等級要求較高。6結論結論本文根據風力發電機的特點對與其相匹配的并網逆變器進行了較為詳細的論述，并指出各自的優缺點，結論如下：1、小型風力并網發電系統（0300kw）,采用同步發電機組加交直交變換器較為合適。2、大、中容量風力并網系統（300kw以上），宜采用雙饋感應發電機加四象限交直交型變換器或低速永磁發電機加四象限全功率變流器。參考文獻參考文獻1Deja