分析直驱式风力发电机并网变流器电路装置

从控制原理、电路拓扑、技术特点、实验分析等方面简明扼要地阐述了直驱式风力发电并网变流器。此变流器网侧功率因数高，电流谐波失真系数（THD）小，动态响应快，呈电流源特性，易于多单元并联。
关键字 风力发电；直驱式变流器；电流谐波失真系数（THD）
0 引言
柴油发电机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 柴油发电机组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
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。
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
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 家用发电机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；
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 小型发电机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60A时的网侧电压电流波形图，图4是并网电流为100A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 小型柴油发电机并网变流器采用交-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。