淺析變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)

摘 要：本文主要講述了變速恒頻風(fēng)電機(jī)組構(gòu)造中電力電子這部分在技術(shù)上的改革創(chuàng)新。講解了在最經(jīng)常使用的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組最具有代表性的構(gòu)造以及它的長短處，同時(shí)主要講述了永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，講解了全功率風(fēng)電變換設(shè)備、脈沖寬度調(diào)制變換設(shè)備、矩陣變換設(shè)備等具有代表性的功率，變換措施以及此措施在機(jī)組中的使用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；變速恒頻；電力電子技術(shù)

引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)前進(jìn)，越來越意識到環(huán)境對經(jīng)濟(jì)的影響，研究出以能夠可再生的資源例如風(fēng)能、太陽能等代替原有的不可再生資源使用。我國已經(jīng)能夠熟練掌握使用很多可再生資源，風(fēng)力發(fā)電就是其中一種，很多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家也在使用這種方法發(fā)電。

1 恒速恒頻與變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電工程的發(fā)電可以分為恒速以及變速恒頻發(fā)電設(shè)備這兩種。最初的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是使用的籠型異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為籠型，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行可靠。假設(shè)這個(gè)運(yùn)行的電網(wǎng)沒有限制，無限大，由電網(wǎng)決定了輸出的電壓量以及頻率，風(fēng)力設(shè)備只要并入了電網(wǎng)中進(jìn)行工作，轉(zhuǎn)動速度就不會再發(fā)生改變，就是恒速恒頻工作方式。

恒速恒頻設(shè)備只有把轉(zhuǎn)動的速度固定在一個(gè)不變的值上，才能實(shí)現(xiàn)最高運(yùn)動效果，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化的時(shí)候，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動的速度就會緊跟著發(fā)生變化，運(yùn)動效果就會變差。異步風(fēng)力發(fā)電設(shè)備發(fā)出的電量不穩(wěn)定，效果比較差，并且，如果假設(shè)的電網(wǎng)無限大的情況不具備時(shí)，每一臺發(fā)電設(shè)備工作情況的調(diào)節(jié)都會影響到局部電網(wǎng)的工作，風(fēng)速以及風(fēng)向的存在不固定性，工作發(fā)出的電壓、次數(shù)、功率也會隨之改變。為了處理這種機(jī)組產(chǎn)出電量品質(zhì)差、用電效率不高等，同時(shí)提升發(fā)電機(jī)組工作速度、能夠降低或者解除驅(qū)動設(shè)備中的應(yīng)力以及力矩震動。對比恒速恒頻設(shè)備存在問題，人們把更多的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到變速恒頻發(fā)電機(jī)組中，無論在風(fēng)速以及風(fēng)向如何改變變化的情況下，風(fēng)力機(jī)都能夠持續(xù)高速的運(yùn)轉(zhuǎn)，憑借這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)獲得各國人們的研究開發(fā)使用。

2 全功率機(jī)組中的電力電子技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)變速恒頻的目的，發(fā)電機(jī)定子繞組通過交一直一交變換器與電網(wǎng)連接，將隨風(fēng)速、風(fēng)向變化而變化的變頻變壓電功率轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率同電壓的電功率。由于所有的功率都要通過功率變換器進(jìn)行變換，因此，此類系統(tǒng)中的電力電子裝置稱為全功率變換器。

含有齒輪箱的全功率交流設(shè)備中，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中都有齒輪箱，在正常工作中因?yàn)辇X輪箱損失以及形狀較大也是這機(jī)組中一個(gè)缺點(diǎn)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有很多形式：籠型異步發(fā)電系統(tǒng)、同步發(fā)電系統(tǒng)、永磁同步發(fā)電系統(tǒng)以及繞線異步發(fā)電系統(tǒng)。沒有齒輪箱的全功率性交直交變速恒頻發(fā)電設(shè)備大多都是使用電勵磁或者低速度永磁發(fā)電設(shè)備，即使設(shè)備中沒有齒輪設(shè)備，但是機(jī)組的形狀仍然很大。和帶有齒輪箱的發(fā)電設(shè)備一樣，定子繞也要經(jīng)過一個(gè)交流變換設(shè)備才能夠和電網(wǎng)相連。所以，這兩種模式不一樣的變速恒頻發(fā)電設(shè)備，雖然組成方式不一樣，但是工作原理以及構(gòu)造差不多。按照定子整流設(shè)備以及網(wǎng)側(cè)逆變設(shè)備的不一樣的方法，這種類型的構(gòu)造有以下四種站點(diǎn)相互連接的形式。

2.1 “不控整流電路+電壓型逆變電路”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

各個(gè)站點(diǎn)相互連接的構(gòu)造很簡單，操作技術(shù)熟練。發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的交流電經(jīng)過定子整流設(shè)備之后變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^脈沖寬度調(diào)制電壓型你變設(shè)備，供應(yīng)電壓、頻率和電網(wǎng)需求相應(yīng)的交流電，同時(shí)能夠控制住點(diǎn)了中流動的有功以及無功功率。調(diào)整發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)動距離、轉(zhuǎn)動速度，讓風(fēng)機(jī)設(shè)備處在最好的工作形式。

因?yàn)榘l(fā)電設(shè)備中生產(chǎn)的電量以及頻率不是固定的，所以通過由無控制功能的整流二級管組成的整流電路后直流電壓會相應(yīng)發(fā)生改變，即使經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制逆變設(shè)備的調(diào)整保證電壓不變，但是調(diào)整的程度也受限制的，如果門限值比直流形式的母線電壓要高的情況時(shí)，逆變設(shè)備就不會產(chǎn)生功率。所以，假如想加大這種設(shè)備的使用規(guī)模，一定要增設(shè)提升電壓的設(shè)備，按照提升電壓過程中隔離變壓設(shè)備的種類，追蹤電網(wǎng)的變化而做出反應(yīng)的并網(wǎng)逆變就不再是單一的模式，可以分為高低頻以及非隔離形式的并網(wǎng)逆變模式。

2.2 “不控整流電路+非隔離穩(wěn)壓電路+電壓型PWM逆變電路”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對于上一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的逆變器輸入直流電壓不穩(wěn)、電壓值不高等缺點(diǎn)，在小控整流電路和逆變電路之間加了一級非隔離的DC-DC斬波器。加入斬波電路后，風(fēng)速、發(fā)電機(jī)輸出電壓變化時(shí)，可以通過斬波電路使逆變器輸入直流電壓穩(wěn)定在期望值附近，對于逆變器的控制系統(tǒng)來說，源效應(yīng)大大減小。

這里的斬波器一般采用BOOST升壓電路，BOOST電路不僅可以穩(wěn)壓、升壓，同時(shí)可以提高輸入電路的功率因數(shù)，減小諧波。考慮到BOOST電路只有一個(gè)功率管，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)容量較大時(shí)，單管一般很難滿足要求。因此，大多采用多重化BOOST電路，這樣不僅可以減小功率管的容量、提高電路可靠性，同時(shí)可以提高等效開關(guān)頻率，減小濾波電容的容鼙和輸出的紋波電壓等。

2.3 “不控整流電路+電壓型PWM逆變電路+工頻升壓變壓器”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這里提壓的方式是把逆變設(shè)備并網(wǎng)輸出連接在提升電壓變壓設(shè)備的一側(cè)。連接上提升電壓變壓設(shè)備之后，發(fā)電設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電壓能夠更加拓展，這里要想到部分國家是禁止使用非隔離型并網(wǎng)模式的，使用變壓設(shè)備之后，發(fā)電系統(tǒng)能夠和城市用電電網(wǎng)是相互分離的，確保電網(wǎng)的安全性。這種電路構(gòu)造簡單，工作速度快，但是變壓設(shè)備體型較大，質(zhì)量較重，損耗的材料多，增多費(fèi)用，而且還會出現(xiàn)音頻噪音對環(huán)境形成污染。

2.4 “不控整流電路+隔離穩(wěn)壓電路+電壓型PWM逆變電路”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用高頻變壓器來代替工頻變壓器完成變壓和隔離的任務(wù)，可大大降低成本，提高功率密度。這種類型電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與非隔離穩(wěn)壓電路不同，該電路在DC-DC斬波電路中加入了高頻變壓器。因此，這種變換器又稱為高頻鏈功率變換器，其中，典型的隔離型DC-DC變換器為全橋式變換器，這種變換器國內(nèi)外研究較多，在此不再贅述。

3 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)

全速變速不變頻率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，發(fā)電設(shè)備的定子繞組一定會經(jīng)過電力電子設(shè)施和電網(wǎng)進(jìn)行連接，在一定程度上提升了生產(chǎn)電量的品質(zhì)，但是因?yàn)殡娏﹄娮釉O(shè)施是和電網(wǎng)的主電路連接，發(fā)電設(shè)備的量一定會小于電力電子量，致使風(fēng)電設(shè)備的構(gòu)成費(fèi)用增多。

為了能夠減少電力電子設(shè)施中的內(nèi)容，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始使用交流勵磁電機(jī)。按照設(shè)備中是不是含有電刷以及滑環(huán)能夠分為有刷或者無刷交流勵磁電機(jī)。最開始研究出現(xiàn)的是具有電刷的電機(jī)，在發(fā)電設(shè)備中運(yùn)用廣泛；但是因?yàn)闊o刷電機(jī)設(shè)備簡單，而且沒有損耗最多的電刷和滑環(huán)，和有刷電機(jī)相比有一定的長處，所以，有一些工作者也在慢慢的轉(zhuǎn)向無刷電機(jī)的研究。

3.1 雙饋電機(jī)原理與運(yùn)行特性

具有電刷的交流勵磁電機(jī)是使用繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的構(gòu)造形式，交流勵磁電機(jī)可以在不同的風(fēng)速下運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速變化做相應(yīng)的調(diào)整，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行始終處于最佳狀態(tài)，機(jī)組效率提高。同時(shí)，定子輸出功率的電壓和頻率卻可以維持不變，既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

無刷雙饋電機(jī)由串級感應(yīng)電機(jī)發(fā)展而來，經(jīng)過小斷的演化和改進(jìn)，將兩個(gè)同軸串聯(lián)的感應(yīng)電機(jī)合二為一，把兩個(gè)獨(dú)立的定子簡化為一個(gè)，其轉(zhuǎn)子繞組具有籠型轉(zhuǎn)子一樣的堅(jiān)固和可靠性，又能滿足電機(jī)對轉(zhuǎn)子磁場的要求。無刷雙饋發(fā)電機(jī)具有與有刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)相同的特性，但沒有滑環(huán)和電刷，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，是風(fēng)力發(fā)電中變速恒頻發(fā)電的優(yōu)化方案。

3.2 雙PWM變換器

在全功率機(jī)組中，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過二極管不控整流電路進(jìn)行整流，再進(jìn)行逆變、并網(wǎng)，由于二極符的單向?qū)щ娦裕虼斯β手荒軉蜗蛄鲃樱@在全功率機(jī)組中可以滿足要求，但是不適用于雙饋機(jī)組。如果使用雙向整流器——PwM整流器來代替二極管不控整流電路，就能滿足功率雙向流動的要求。

電壓型雙PWM變換器由兩套結(jié)構(gòu)完全相I-J的全橋電路組成兩組變流器，在系統(tǒng)不同的能最流動狀態(tài)下，兩組變流器交替實(shí)現(xiàn)整流和逆變的功能。

3.3 矩陣式變換器

交直交通用變頻器通常采用不可控整流器加大電容濾波電路輸入結(jié)構(gòu)。非線性元件0儲能元件的組合，使得其輸入功率岡數(shù)低，輸入電流波形嚴(yán)葦畸變。而雙PWM變換器雖然可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，輸入電流連續(xù)，但也需要大電容濾波，這些無源元件含造成系統(tǒng)成本上升、集成度低、可靠性降低等問題。

矩陣式變換設(shè)備是一種新興的新型變換設(shè)備，除了必須要使用規(guī)模較小的高頻濾波設(shè)備進(jìn)行接觸開關(guān)紋波，不再使用其他的環(huán)節(jié)配件。如果能夠控制好計(jì)算方法，這種高頻濾波設(shè)備也很少會用到。

矩陣式變換設(shè)備和傳統(tǒng)的變換設(shè)備相比：不需要中間直流儲能環(huán)節(jié)；能夠四象限運(yùn)行，具有優(yōu)良的輸入電流波形和輸出電壓波形，可以自由控制的功率因數(shù)。所以，在交流勵磁電機(jī)機(jī)組中擁有顯著的長處。

4 結(jié)束語

伴隨著各個(gè)國家更加關(guān)注風(fēng)力發(fā)電形式的運(yùn)用，慢慢的越來越多、規(guī)模越來越大的變速頻不變的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組慢慢的投入到生產(chǎn)中，促進(jìn)了對這方面機(jī)組中電力電子技術(shù)的探索，這對促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的完善以及新資源的開發(fā)有著重要的意義。

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