新风光直驱式风力发电并网变流器装置

0 引言
风力发电是目前最具有形成规模化和最具备商业化的可再生能源技术。而实际上风力发电在很大程度上取决于变速恒频发电系统的发展，变速恒频发电系统已经成为MW级以上风力发电机组的主流技术。所谓变速恒频，就是通过调速控制，使风力发电机组风轮转速能够跟随风速的变化，最大限度地提高风能的利用效率，有效降低载荷，同时风轮及其所驱动的电机转速变化时，保证输出的电能频率始终与电网频率一致。
变速恒频风力发电系统主要分为双馈式和直驱式两种类型。双馈式由于其变流器串联在双馈发电机的转子绕组中，其容量只有系统总功率的1/4~1/3，有效地降低了系统成本；与双馈式相比，直驱式采用低速永磁同步发电机结构，无齿轮箱（或半直驱式，采用一级齿轮箱），也无滑轮，机械故障少，损耗小，运行效率高，维护成本低，但是，由于直驱式采用系统全功率传输，初始成本相对较高。
目前国内许多高校、研究所和企业主要研究、跟踪，消化吸收双馈式并网变流器，而我们公司近年来利用多年研究开发大功率变频器主电路拓扑和回馈并网控制技术的优势，专注直驱式风力发电并网控制技术的开发，成功研制出该产品，并已安装调试于内蒙古包头市，现已成功运行数月，且无故障记录。
1 控制原理
MW级大功率直驱式并网变流器采用多单元并联结构，单个单元的主电路拓扑采用交-直-交电压型结构，如图1或图2 所示，图1采用二极管不控整流和Boost升压稳压电路，图2采用PWM全控整流电路。

采用图1主电路拓扑，通过Boost 升压稳压环节将很好地控制后端逆变器的输入直流电压，即不论二极管不控整流的输出直流电压变化多大，通过Boost 升压稳压电路后，其直流电压基本稳定，使后端逆变器调制度范围好，提高运行效率，减小损耗，同时，Boost 电路还可以对永磁同步发电机输出侧进行功率因数校正。
采用图2 主电路拓扑，通过PWM 可控整流技术，可以很好地处理发电机端的交流电压不稳、谐波较大和直流侧电压变化大的问题，是最具发展前途的主电路结构方式。两种主电路各有各的优缺点。控制上采用电流内环，电压外环双闭环矢量控制技术。
各个单元采用载波移相多重化技术，无须额外增加滤波器，便能使网侧电流谐波失真系数THD＜国标5%的要求。
2 技术特点
山东新风光电子科技发展有限公司利用多年研制低压大功率变频器的主电路拓扑和能量回馈并网技术，成功研制并已成功用于风力发电项目中的直驱式风力发电并网变流器，其技术特点有：
1）控制上采用电压电流双闭环矢量控制，呈现电流源特性，电流环是直驱式风力发电并网变流器控制的核心；
2）变流器对电网呈现电流源特性，容易做多单元并联，易于大功率化组装，各个单元之间采用多重化载波移相，极大地减小了网侧电流总谐波；
3）网侧逆变器采用三电平电路拓扑，适应网侧电压范围广，同时也有益于减小网侧谐波电流；
4）MW 级变流器需多个单元并联组合，系统控制会自动分组工作，很容易线性化并网回馈功率，易于整个风电项目的系统控制，同时有益于减小电流总谐波；
5）并网变流器采用先进的PWM控制技术，可以灵活调节系统的有功和无功功率，减小开关损耗，提高效率，自动使并网功率最大化；

6）动态响应快，根据风电整体控制，可以瞬时满足大范围功率变化要求，适应性强；
7）具有过热、过流、短路、旁路、网侧电压异常等各种保护功能，具有多种模拟量和数字量接口，具有CAN总线或RS485串行总线等接口，与风电项目中的其它部分连接方便，控制灵活。
3 实验波形分析
图3 是并网电流为60 A 时的网侧电压电流波形图，图4是并网电流为100 A时的网侧电压电流波形图。从两图可以看出，网侧电流正弦化，且与电网电压反相，呈现负的单位功率因数，同时也能观察到随着电流的增大，网侧电流的谐波失真系数（THD）越来越小，即整体效率越来越高。
4 结语
直驱式风力发电并网变流器采用交-直- 交三电平电压型主电路拓扑，呈控制电流源特性，容易并联，易于大功率化组装，网侧电流正弦化，可以软并网，对电网无冲击，无污染，可以广泛用于风力发电等可再生能源项目中。