王孝洪13，杨金明23，吴捷2t3

（1华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州510640；2华南理工大学电力学院

    广东广州510640；3广东省绿色能源重点实验室，广东广州510640）

    摘要：对变速恒频风力发电系统中的电力电子技术的****发展做了全面综述。介绍了常用的变速恒频发电系统~典型i~17~J及其优l.r J1，并重点以直驱型风力发电系统和双馈型风力发电系统为例，介绍了全功率变换器、双脉宽调制( PWM)变换器、矩阵变换器等典型的功率变换技术及其在系统中的应用。另外，还介绍T转子电流控制器等一些****的在变速恒频风力发电系统巾应用的电力电子变换技术。

  关键词：风力发电；变速恒频i电力电子技术

  中图分类号：TM614文献标识码：A文章编号：1673-6540( 2009) 11-0012-06

     Power Electronic Technology in Wind Generation System of

 

0 引  言

    照着经济的发展，环境保护意识不断增强，开发和利用以风能为代表的各类可再生能源已成为人类解决生存问题的战略选择。风力发电技术是目前最成熟的可再生能源发电技术之一，也是许多国家重点开发的新能源发电技术。

l  恒速恒频与变速恒频风力发电系统

    风力发电机组可分为恒速恒频发电机组和变速恒频发电机组两大类。早期的风力发电机组主要采用笼型异步发电机，其结构简单可靠、成本相对较低，且可以直接并网，在假定电网无穷大的前提下，其输出电压和频率出电网整定，风力机一旦并网运行，其转速基本不变，即恒速恒频运行的方式。其基本结构如图1所示。

恒速恒频机组只能固定运行在某一转速时才能达到****运行效率，当风速改变时风力机就会偏离****运行转速，导致运行效率下降。异步风习机组输出的电能质量比较差，功率因数较低，同时，当无穷大电网的假定不存在时，每一台风力机的运行状态调整都会对局域电网产生很大影响，风速、风向的随机性、不稳定性会使风力机输出电至、频率、功率发生变化。

    为解决恒速恒频风力发电机组输出电能质量差、功率因数低等问题，并提高机组发电效率、有效缓解甚至消除驱动链中的应力与力矩振荡，变速恒频风力发电机组越来越受到人们的关注。变速恒频风力发电系统中，风力机可在大范围的风速变化时保持高效运行，其优越性使各国都投入了大量的人力物力进行研究。

    目前，实现变速恒频风力发电的方案有很多种，根据关键部件的不同有以下几种分类方法，各种分类之间具有特定的组合，比较实用和研究较多的有：使用异步发电机、具有齿轮箱、交直交全功率型变速恒频风力发电系统，其系统结构如图2(a)所示；使用永磁同步发电机、宜驱型（无齿轮箱）、交直交全功率型变速恒频风力发电系统，其系统结构如图2(b)所示；使用双馈电机、双向功率变换器励磁控制的变速恒频风为发电系统等，其系统结构如图2（C）

 

    下文将分别对典型的全功率机组和双馈机组中的电力电子技术予以介绍。

2全功率机组中的电力电子技术

    为实现变速恒频的目的，发电机定子绕组通过交一直一交变换器与电网连接，将随风速、风向变化而变化的变频变压电功率转化为与电网同频率同电压的电功率。由于所有的功率都要通过功率变换器进行变换，因此，此类系统中的电力电子装置称为全功率变换器。

    具有齿轮箱的交直交全功率型变速恒频风力发电系统含有齿轮箱，在正常运行时齿轮箱的损耗及其较大的体积也是该系统的一个不足。发电机类型可采用笼型异步发电机、同步发电机、电励磁永磁同步发电机和绕线式异步发电机。直驱型（无齿轮箱）交直交全功率型变速恒频风力发电系统采用多极低速永磁或电励磁的同步发电机，虽然省去了齿轮箱，但电机的体积仍显得十分庞大笨重。与有齿轮箱的变速恒频机组类似，发电机定子绕组也同样需要通过一个交直交变换器与电网连接。因此，以上两种类型的变速恒频风力发电系统中的功率变换器，结构和原理基本相同。

    根据定子侧变换器（整流器）和网侧变挟器（逆变器）的不同方案，此类系统有以下几种典型的拓扑结构。

    其拓扑结构如图3所示，电路结构简单，控制方法成熟。发电机发出的交流电通过整流滤波电路转换为直流电，再经过PWM电压型逆变器，输出电压、频率、相位与电网相符的交流电，并且可以控制系统输出的有功和无功功率，调节发电机的转矩、转速，使风机工作在****状态。

    由于发电机发出的电压和频率都是变化的，因此经过不控整流之后的直流电压也是变化的，虽然可以通过调节PWM逆变器的调制深度使输出电压保持恒定，但其调节范同也是有限的，当直流母线电压低予门限值时，逆变器将不能输出功率。冈此，如果想拓宽此类装置的使用范围，需要加入升压环节，根据升压环节隔离变压器的类型，并网逆变可分为低频环节并网逆变、高频环节并网逆变及非隔离型并网逆变”。

    其拓扑结构如图4所示，相对于上一种拓扑结构中的逆变器输入直流电压不稳、电压值不高等缺点，在不控整流电路和逆变电路之间加了一级非隔离的DC-DC斩波器。加入斩波电路后，风速、发电机输出电压变化时，可以通过斩波电路使逆变器输入直流电压稳定在期望值附近，对于逆变器的控制系统来说，源效应大大减小：

   

    这里的斩波器一般采用BOOST升压电路，BOOST电路不仅可以稳压、升压，同时可以提高输入电路的功率因数，减小谐波。考虑到BOOST电路只有一个功率管，当发电系统容量较大时，单管一般很难满足要求。因此，大多采用多重化BOOST电路，这样不仅珂以减小功率管的容量、提高电路可靠性，同时可以提高等效开关频率，减小滤波电容的容量和输出的纹波电压等。

    其拓扑结构如图5所示，这里提高电压的途径是在逆变器并网输出侧加入升压变压器。

 

加入升压变压器后，发电机的工作电压范围可进一步拓宽，考虑到非隔离型并网在一些国家禁用，采用变压器后，系统与市电电网的完全电隔离，提高了电网的安全标准。该电路结构简洁、效率较高，但变压器体积和重量大、原材料消耗较多，造成成本的增加，并带来了音频噪声污染。

2.4“不控整流电路+隔离稳压电路+电压型PWM逆变电路”的拓扑结构

    采用高频变压器来代替工频变压器完成变压和隔离的任务，可大大降低成本，提高功率密度。这种类型电路的拓扑结构如图6所示，与非隔离稳压电路不同，该电路在DC-DC斩波电路中加入了高频变压器。因此，这种变换器又称为高频链功率变换器，其中，典型的隔离型DC-DC变换器为全桥式变换器，这种变换器国内外研究较多，在此不再赘述。

 

2.5“不控整流电路+高频链PWM逆变电路”的拓扑结构

    高频链功率变换器按功率的传输方向可分为单向型和双向型，上一种拓扑结构就属于单向型，由于能量需要经过四级功率变换，即低频整流、高频逆变、高频整流和低频逆变，因此通态损耗较大，系统结构复杂，效率低。双向电压源高频链功率变换器不仅能双向传输功率，而且只需要经过低频整流、高频逆变器和周波变换器三级功率变换，其结构比单向电压源高频链功率变换器简单，通态损耗低，系统效率高。

    采用高频链逆变电路的系统拓扑结构如图7所示。高频链逆变电路主要由高频逆变器和周波变换器电路等组成。

3  双馈风力发电系统中的电力电子技术

  全功率变速恒频风力发电系统中，发电机定子绕组必须通过电力电子装置与电网连接，虽然提高了输出电能的质量，但由于电力电子装置连接于主电路中，其容量必须大于等于发电机容量，导致风电机组的成本明显提高。

    为了降低电力电子装置的容量，双馈发电机开始应用于风力发电系统中。双馈电机根据有无电刷和滑环可以分为有刷双馈电机和无刷双馈电机。有刷双馈电机的研究起步较早，目前在变速恒频风力发电系统中占据主流地位；无刷双馈电机则省去r易损的电刷和滑环，具有一定的优势，因此，不少研究人员电开始了对无刷双馈电机及其在风力发电中的应用的研究。

    有刷双馈电动机是利用绕线型异步电动机自身的结构特点，将电动机的定子直接联接到三相对称工频电网上，而绕线型转子采用交流变频电源供电，并采用相应的控制策略来控制转子电流的幅值、频率、相位和相序。由于电机是分别通过对定、转j-单独馈电而工作的，冈此被称为双馈电机。由双馈电机构成的风力发电系统见图8：

  

有刷双馈电机的稳态转速如武cl)所式

式中：n——电机的转速；

    F₁、ω₁——分别为定子绕组的电流频率和磁势的旋转角频率；

    F₂、ω₂——分别为转子绕组的电流频率和磁势的旋转角频率。

    当电机转速低于同步转速ω₁时，电机运行于亚同步状态，ω₁、ω₂相同方向旋转，时，定子电流与转子电流相序相同，式(1)中f₂前为“一”，控制器从电网吸收能量送给转子绕组。当电机转速高于同步转速ω₁时，电机运行于超同步状态，ω₁、ω₂相反方向旋转，此时，定子电流与转子电流相序相反，式(1)中f.前为“+”，控制器从转子绕组吸收能量送给电网。当ω₂为o时，电机以同步转速运行，此时转子励磁由交流励磁变为直流励磁，电机的运行状态与普通的同步电机完全相同。

    式(1)表明，当p一定，风速改变促使电机转速改变时，可以通过改变五，使^保持恒定，即由于控制绕组的存在．不论风速风向如何变化，只需相应改变双馈风力发电机控制绕组电流的幅值、频率、相位、相序，就可以方便地实现风能****功率跟踪、变速，匣频恒压的目的。同时，控制绕组的功率变换器仅流过转差功率，因此，其容量相对全功率变换器大大减小，一般约为总发电功率的1/4，这也止是无刷双馈风力发电机的优点所茌。

    无刷双馈电机由串级感应电机发展而来，经过不断的演化和改进，将两个同轴串联的感应电机合二为一，把两个独立的定子简化为一个，其转子绕组具有与笼型转子一样的坚固和可靠性，又能满足电机对转了磁场的要求：无刷双馈发电机具有与有刷双馈感应发电机相同的特性，但没有滑环和电刷，提高了系统运行的可靠性，是风力发电中变速恒频发电的优化方案。

    无刷双馈电机工作原理如图9所示。定子绕组巾两套三相对称绕组构成，分别称为功率绕组和控制绕组，功率绕组极对数记为p_p，控制绕组极对数记为p_c，并且两套绕组极对数不同。当功率绕组接人频率为f_p的工频电源，控制绕组接入频率为f_c的电源后，由于两套定子绕组同时有电流流过，在气隙中产生两个不同极对数的磁场，这两个磁场通过转子的调制发生交叉耦合，构成了实现能量传递转换的基础。经分析可得稳态运行时电机转速的关系如式(2)所示：

 

    当电机转速低于同步转速时，电机运行于亚同步状态，式(2)中，前为“  ”，功率变换器从电网吸收能量送给控制绕组；当电机转速高于同步转速时，电机运行于超同步状态，式(2) f_c前为“+”，功率变换器从控制绕组吸收能量送给电网；当电机转速等于同步转速时，控制绕组励磁由交流励磁变为直流励磁，电机的运行状态与普通的同步电机完全相同。无刷双馈电机在风力发电系统中的调节原理与有删双馈电机基本相同，根据风机转速变化来调节励磁电流的频率；通过改变励磁电流的幅值和相位，以捕获****风能，同时实现有功和无功功率的调节^【1】。

    双馈电机变速恒频风力发电的技术核心是交流励磁技术，这有赖于输入／输出性能好、无电力谐波、特别是功率可双向流动、低频（风机的转差频率）性能好的“绿色”变换器的研制；可用于双馈电机控制的变换器有传统的晶闸管交交变频器、双PWM变换器、矩阵式变换器等。传统的晶闸管交交变频器采用相控的方式，这会引起电流与电压波形的畸变，无论是输入端还是输出端都含有丰富的谐波，造成严重的谐波效应；而且其****输出频率一般不超过电源频率的1/3 - 1/2，功率因数低，因此在风力发电的应用场合并不适用。

下文将介绍双PWM变换器、矩阵式变换器。

    在全功率机组中，发电机发出的交流电通过二极管不控整流电路进行整流，再进行逆变、并网，由于二极管的单向导电性，因此功率只能单向流动，这在全功率机组中可以满足要求，但是不适用于双馈机组。如果使用双向整流器-PWM整流器来代替二极管不控整流电路，就能满足功率双向流动的要求。

    双PWM变频器组成的变速恒频双馈电机风力发电系统结构见图10。电压型双PWM变换器由两套结构完全相同的全桥电路组成两组变流器，在系统不同的能量流动状态下，两组变流器交替实现整流和逆变的功能，例如：在亚同步转速时，双PWM变换器由电网向电机提供功率，此时，电网侧变换器作PWM整流器使用，电机侧变换器作逆变器使用；在超同步转速时，双PWM变换器由电机向电网提供功率，此时，电网侧变换器作逆变器使用，电机侧变换器作PWM整流器使用。

    在双PWM变频器中，PWM逆变技术相对成熟，而电网侧的PWM整流器作为与通用变频器的主要差异点，决定了能量能否叫馈、回馈的品质如何、电动运行时功率因数是否可凋等关键问题。对于PWM整流器，开关桥采用电压控制可关断绝缘栅双极晶体管( ICBT)组成，通过高频率开关切换，使得整流器输入侧线电压为一系列连续的开关脉冲，其基波成分为与电网输入电压同频率的正弦电压。当开美频率较高时，低次工频谐波的幅值近似为零，因此整流器输入侧电流的正弦度较高。通过调节开关切换的顺序和时间，可改变输入侧电流的相位，从而实现功率、功率因数的调节。

    交直交通用变频器通常采用不可控整流器加大电容滤波电路输入结构。非线性元件与储能元件的组合，使得其输入功率因数低，输入电流波形严重畸变。而双PWM变换器虽然可以调节功率因数，输入电流连续，但也需要大电容滤波，这些无源元件含造成系统成本上升、集成度低、可靠性降低等问题。

    矩阵变换器是一种新型的“绿色”变换器，除了必需的为消除开关纹波的小容量高频滤波器外，不含任何无源元件。如果实施良好的控制算法，基本不需要开关缓冲电路。

    三相一三相矩阵式变换器原理如图l1所示。由9个双向开关（S_ij，i=A，B，C；j=a，b，c）组成，每个双向开关均具有双向导通和双向关断的功能，可由两个带反并联二极管的可关断功率半导体器件连接构成。9个双向开关按照3x3的矩阵进行排列，通过双向开关的导通与关断，三相交流输入中的任意一相可以连接至三相交流输出中的任意一相。矩阵式变换器的输入侧还需要三相电感电容( LCl滤波器以滤除输入电流中由开关动作引起的高频谐波^【3】。

    矩阵变换器具有众多优越的性能：能量可双向流动、无中间直流环节、可实现输出幅值、频率和网侧功率因数的独立控制等。因此，在双馈型风力发电系统中具有明显优势。

    风力发电系统的一个发展方向是逐步大型化。随着机组容量的不断增大，原有的功率变换器受到器件容量的制约，因此需要研究大容量的新型功率器件或者推出新的拓扑结构：在不改变电路基本原理的前提下，呵通过器件的串并联来提高器件的容量，但必须考虑由器件的串并联而带来的均压和均流的问题。使用更多的方法是采用与通信电源系统中类似的单元电路并联的方式，另外还有多重化技术和多电平技术等？

    风力发电另一个发展方向是小型化、分布式：利用小型风能、太阳能等方式发电的分布式电源，对边远地区的供电具有实用价值；日本及欧洲正朝向小功率分布式的方向发展，每家每户都有风力发电机或风光互补发电系统，不论功率大小，均可并网运行，或一个小区域组成一个微电网。

    一种具有能量存储功能的分布式发电系统中的每个风力机组，通过整流器将发出的电能送到挂有蓄电池组或者超级电容的直流母线卜，然后通过集中逆变将电能送往电网。由于直流母线电压相对稳定，为了达到风力机组的****功率跟踪，整流器一般采用电流源输出结构。

    随着变桨距风力发电机技术的发展，在提高机组运行可靠性的同时，也在追求输m功率的优化。在变桨距风力发电机组采用转子电流控制技术，可以与变桨距装置形成互补，分别作用于风速巾的高频和低频分量，使输出功率达到稳定状态。

    转子电流控制技术是通过电力电子变换器来控制绕线式异步电动机转子电流的一项技术，在风电系统中．根据外部风速变化改变异步电机的外接电阻值，使转子电流跟踪功率调节器输出的给定值，保持转子电流恒定，从而稳定输出功率。转子电流控制器与发电机同轴安装，并与转子绕组构成电气同路：其原理如图12所示，主电路主要由外接电阻、开关器件等组成，通过j相整流桥与发电机转子电路相连。开关器件通过控制单元绐出的PWM信号不断开通与关断，调整每周期外接电阻接人的平均值，达到跟踪给定电流的日的：加装转子电流控制器的异步风力发电机组的主要特点是结构简单，且可在一定范围内实现变速恒频和功率调节^【3】.

   

5  结语

    随着各国越来越重视风力发电技术，更多、更大规模的变速恒频风力发电系统逐步投入运行，加大适用于此系统的电力电子技术的研究，将会对风力发电技术及新能源开发带来熏要的推动作用。