1 引言
变速风力发电机组根据风速变化，使机组保持最佳叶尖速比，从而获得最大风能。另外变速风力发电机组与电网实现了柔性连接，大大减少了机械冲击和对电网的冲击。2001年全球装机容量中75％的风机已采用变速风机，2002年80％的大型风机采用变频驱动技术。采用变速风力发电机组已成为风力发电机组的主流[1]。
采用变速风力发电机组必需采用相应的功率变换器，本文对常用的几种风力并网逆变器进行了比较、分析，对双馈型风力发电系统逆变器进行了详细分析和研究。
2 异步发电机交直交型并网逆变器
常规的变速风力并网系统的基本构成如图1所示，机组通常由风轮、增速箱、交流发电机、变距机构、整流器、变速器以及控制电路组成，早期的交直交并网逆变器整流器采用晶闸管相控整流器(如图1所示)，随着电力电子技术的发展，相控整流器逐步被pwm整流器所取代，以前pwm技术主要应用于逆变器场合，近年来pwm整流器已逐渐成熟，采用pwm整流器使得风力发电机的功率因素得到改善，谐波损耗也大大降低，其基本控制策略如下:在风力发电机组额定功率以内，控制器的控制策略是实现最大功率跟踪，即尽量利用风能，而当风速超过额定风速时，为使发电机组和逆变器不致于过载运行，此时应减小叶尖速比cp值，使风力发电系统运行于恒功率区域。
图1 交直交异步发电系统
采用交直交方式实现风机并网运行有许多优点:
(1) 控制方式较简单;
(2) 可使用普通交流异步发电机;
(3) 有功分量和无功分量可单独控制;
(4) 对电网波动有较强的适应性。
但也存在许多缺点:
(1) 整流器和逆变器的容量必须和风机功率相匹配，变换器价格昂贵;
(2) 发电机绕组承受较高的dv/dt，电磁兼容性较差;
(3) 直流侧lc滤波器、交流网侧电感容量较大。
基于上述优缺点, 交直交并网发电系统不适合应用于兆瓦级系统, 应用于10～200kw系统时其性能价格比最优。
3 同步发电机并网系统
由于同步发电机的转速和电网频率是硬性连接，而风力资源具有较大的随机性，因此发电机和电网之间使用交直交变换器可使风机在较大转速范围内运行。交直交同步风力发电系统如图2所示。
图2 交直交同步发电系统
由于同步发电机具有独立的励磁回路，无需再提供再生能量，因此交直交变换器不需要四象限运行，小功率的发电机也可采用永磁发电机，但由于同步发电机在低风速时输出电压较低，此时无法将能量回馈至电网，因此实用的电路往往在直流侧加入一个boost升压电路(如图3所示)在低速时由升压电路先将整流器输出的直流电压提升，采用此电路可使风力发电机运行在非常宽的调速范围，另外boost电路还可以调节整流器输入端(即发电机输出端)的电流波形，以改善其谐波失真和功率因数，此电路结构在中小型并网系统中有应用前景。
图3 具有升压功能的交直交同步发电系统
3.1 优点
(1) 控制电路简单可靠;
(2) 无最大、最小速度限制，调速范围宽;
(3) 发电机不承受高的dv/dt，电磁兼容性好;
(4) 对电网波动不敏感。
3.2 缺点
(1) 三级变换(整流、升压、逆变)使系统效率下降2％～3％;
(2) 直流环节电容为高压、大容量, 体积大、价格高;
(3) 网侧电感容量较大。
4 双馈型风力并网发电系统
双馈(doubly-fed)发电机在结构上与绕线型感应电动机相似，即定子、转子均为三相对称，转子绕组电流由滑环引入，其电气原理如图4所示，发电机的定子通过接触器投入电网，转子通过四象限交直交变换器与电网连接。其实质是通过调节转子电流的频率、相位及功率来调节定子侧输出功率，使之与风轮输出功率相匹配，使风机运行在最大功率点附近[2]。
图4 双馈异步发电系统
4.1 双馈风力发电系统的优点
(1) 转子侧交直交变换器仅需要25％的风机额定功率,大大降低了电源变换器的造价;
(2) 网侧及直流侧滤波电感、电容功率相应缩小，电磁干扰也大大降低;
(3) 可方便地实现无功功率控制。
4.2 缺点
(1) 双馈发电机由于必须使用双绕组以及滑环，发电机成本较高，且无标准化设计方法;
(2) 调速范围较小，一般只能在额定转速70％~130％内调节[3] ;
(3) 控制电路较复杂;
(4) 转子侧变流器工作在低频段(通常为0~16.6hz), 由于功率器件一般其有效值在50hz下标定, 工作于低频段时igbt等功率器件的热应力增加, 功率器件必须留有足够的余量;
(5) 转子绕组承受较高的dv/dt, 转子绝缘等级要求较高。
5 低速永磁同步发电机直接驱动系统
上述三种系统均采用了增速齿轮箱将发电机的低速低频变为高速工频，但齿轮箱一方面产生巨大的噪声，同时也降低了风能的利用效率，新型的风力发电系统采用多极低速永磁同步发电机，通过功率变换电路直接并入电网，这就省去了增速齿轮箱(如图5所示)，系统效率大大提高，噪声也进一步降低。
图5 低速永磁直接驱动系统
直接驱动型风力发电系统的优点如下:
(1) 风力发电机变速范围不受限制, 提高了风能利用率;
(2) 转动部分无需齿轮箱, 降低系统噪音;
(3) 可采用多电平变换技术, 将风能直接馈入高压电网。
缺点如下:
(1) 功率变换器造价昂贵;
(2) 定子绕组绝缘等级要求较高。
6 结束语
本文根据风力发电机的特点对与其相匹配的并网逆变器进行了较为详细的论述，并指出各自的优缺点，结论如下:
(1) 小型风力并网发电系统(0～300kw),采用同步发电机组加交直交变换器较为合适。
(2) 大、中容量风力并网系统(300kw以上)，宜采用双馈异步感应发电机加四象限交直交型变换器或低速永磁发电机加四象限交直交流变换器。
参考文献
[1] dejan schreiber. applied designs of variable speed wind turbines and new approaches pcim[a]. 2002,3:202-207.
[2] 叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[m]. 机械工业出版社.2002,5:129-149.
[3] 曹仁贤. 光伏发电并网之研究[j]. 新能源,1997,12:3-6.
作者简介
曹仁贤(1968-) 男 副研究员 中国太阳能学会理事，安徽省自动化学会理事，合肥阳光电源有限公司总经理，主要从事电力电子与新能源发电的研究、开发、制造和销售工作，已发表学术论文20余篇，并取得多项专利。
上一篇：影响变频器的噪声分析
