直驱风力发电变流器及控制研究 毕业论文.doc

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1、 毕业论文 题目：直驱风力发电变流器及控制研究 姓名：XX 专业：风力发电设备制造与安装 指导老师：XX 学校名称：中国XXX学院前言 变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要进行有功和无功的独立解耦控制。本文对直驱风力发电的变流器及控制进行了分析，直驱风力发电技术是当前风力发电技术的重要研究方向。直驱风力发电系统中，变流器是发电机所发的电能馈送至电网的唯一通路，它是将发电机发出的变压变频的电能转换成恒压恒频的电能的装置，它能实现对发电机输出的电流、功率因数等的快速调节，减少对电网的谐波污染，是直驱型风力发电系统的

2、一个重点难点，它对整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。 本文在编写的过程当中查阅了大量的相关国家标准和出版物，本且在阅读了互联网上的相关文章，这些资料为本文的编写提供了大量的素材。 由于编者水平有限，文中错误和不当之处在所难免，诚请广大读者朋友批评指正。 目录一、 引言3二、 直驱风力发电变流器的背景和意义4三、 风力发电产业的现状及其前景（国内外）7四、 风力发电变流技术的现状与趋势11五、 对比研究当下各种变流方案25六、 我国乃至当今世界的能源状态31七、 变流器系统的结构31八、 变流器的控制

3、系统33小结39参考文献40引言 随着风电机组单机容量的增大，双馈型风电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生；从中长期来看，直驱型和半直驱型传动系统将逐步在大型风电机组中占有更大比例，另外在传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未来大型风电机组的发展趋势。在大功率变流技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下，大型风电机组越来越多地采用pmsg，pmsg不从电网吸收无功功率，无需励磁绕组和直流电源，也不需要滑环碳刷，结构简单且技术可靠性高，对电网运行影响小。pmsg与全功率变流器结合可以显著改善电能质量，减轻对低压电网

4、的冲击，保障风电并网后的电网可靠性和安全性，与双馈型机组（变流器容量通常为1/3风电机组额定功率）相比，全功率变流器更容易实现低电压穿越等功能，更容易满足电网对风电并网日益严格的要求1-2。 中国风电行业发展迅速，但与国际发展水平还有很大差距，目前主要依靠进口，对外依赖性强；基于pmsg和背靠背双pwm变流器的直驱型风电系统是一种发展很快的技术，具有优良的性能，国外大型风电厂商已有成熟的直驱风电产品，国内在理论研究与产品性能方面，都还亟需提高与改进，因此很有必要对其涉及的关键技术进行研究。二 直驱风力发电变流器的背景和意义变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出

5、电压的幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要进行有功和无功的独立解耦控制。 变流器控制双馈异步风力发电机实现软并网，减小并网冲击电流对电机和电网造成的不利影响。 变流器提供多种通信接口，如Profibus, CANopen等（可根据用户要求扩展），用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。 变流器配电系统提供雷击、过流、过压、过温等保护功能。 变流器提供实时监控功能，用户可以实时监控风机变流器运行状态。 变流器可根据海拔进行特殊设计，可以按客户定制实现低温、高温、防尘、防盐雾等运行要求。变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术，核心控制采用具有快速浮点

6、运算能力的“双DSP的全数字化控制器”；在发电机的转子侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略，电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略；系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网和最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率的IGBT功率器件，保证良好的输出波形。这种整流逆变装置具有结构简单、谐波含量少等优点，可以明显地改善双馈异步发电机的运行状态和输出电能质量。这种电压型交-直-交变流器的双馈异步发电机励磁控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。 变流器工作原理框图如所示： 风电变流器系统构成变流器由主电路系统、配电系统以及

7、控制系统构成。包括定子并网开关、整流模块、逆变模块、输入/输出滤波器、有源Crowbar电路、控制器、监控界面等部件。 变流器主回路系统包含如下几个基本单元： 转子侧逆变器、直流母线单元、电网侧整流器。 原理图如下： 配电系统由并网接触器、主断路器、继电器、变压器等组成，自身集成有并网控制系统，用户无须再配置并网柜，提高了系统集成度，节约了机舱空间，柜中还可提供现场调试的220V电源。 控制系统由高速数字信号处理器（DSP）、人机操作界面和可编程逻辑控制器（PLC）共同构成。整个控制系统配备不间断电源（UPS），便于电压跌落时系统具有不间断运行能力。 上述各功能分配到控制柜、功率柜、并网柜中：

8、 控制柜：控制柜主要对采集回的各种模拟数字信号进行分析,发出控制指令,控制变流器的运行状态 控制柜主要由主控箱、PLC、滤波器、电源模块等组成。 功率柜：主要负责转子滑差能量的传递。 功率柜主要由功率模块、有源Crowbar等构成。 并网柜：主要用于变流器与发电机系统和电网连接控制、一些控制信号的采集以及二次回路的配置。 并网柜主要由断路器、接触器、信号采集元件、UPS、加热器、信号接口部分等构成。 变流器控制结构框图如下 风电变流器技术特征风电变流器可以优化风力发电系统的运行，实现宽风速范围内的变速恒频发电，改善风机效率和传输链的工作状况，减少发电机损耗，提高运行效率，提升风能利用率。 三

9、风力发产业的现状及其前景 风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。近30年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径达到126m。截

10、止2005年世界装机容量已达58,982MW，风力发电量占全球电量的1%。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装机容量居世界第8位，2005年新增装机容量居世界第6位。今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一1。风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究风力机与风力发电技术的发展史风能，是人类最早使用的能源之一。远在公元前2000年，埃及、波斯等国已出现帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用

11、于排灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在距今1800年前，我国就有风力提水的记载。1890年丹麦的P拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段4。随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试验研究表明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组

12、容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus 450kW单机组成，总装机4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德国著名的Enercon公司。单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。叶轮直径从80m、82.4m、1

13、00m、110m、114m、116m到126m。世界风力发电的现状目前，中、大型风力发电机组已在世界上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。如表1所示，截止2005年12月31日世界装机容量已达58,982MW，年装机容量为11,310MW，增长率为24%；风力发电量占全球电量的1%，部分国家及地区已达20%甚至更多。2005年世界风电累计装机容量最多的十个国家见表2，前十名合计51750.9MW，约占世界总装机容量的87.7%。 2005年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势：有11个国家的装机容量已高于1,000MW，其中7个欧洲国家（德国、

14、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），3个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全球风电的新生力量，其增长率为48%5。 2002年欧洲风能协会（EWEA）与绿色和平组织（Greenpeace International）发表了一份标题为“风力 12（Wind Force 12）”的报告，勾画了风电在2020年达到世界电量12%的蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水电等其他电源技术发展历程的比较以及减排CO2等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量12%的可能性。报告还指出中国202

15、0年风电装机有可能达到1.7亿千瓦6、7。国内风力发电的现状 根据国家气象科学院的估算8，我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿kW，实际可开发量为2.53亿kW。海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。内蒙古 实际可开发量 0.618亿kW西藏 实际可开发量 0.408亿kW新疆 实际可开发量 0.343亿kW青海 实际可开发量 0.242亿kW黑龙江 实际可开发量 0.172亿kW 2005年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW。与2004年当年新增装机19.8万kW相比，2005年当年新增装机增长率为254%。 截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组

16、1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。分布在15个省（市、自治区、特别行政区），它们按装机容量排序如表3所示。与2004年累计装机76.4万kW相比，2005年累计装机增长率为65.6%。2005年风电上网电量约15.3亿kW.h9。 中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1.52.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1.52.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化；1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流

17、器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究10。“十一五”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。在今后的20年内，国际上风力发电产业将是增长速度最快的产业，风力发电技术也将进入快速发展的黄金时期；在中国，并网型风力发电机组装机容量增长速度将明显加快，令世界瞩目，离网型风力发电机组发展的地域广、潜力大，装机总容量最终将超过并网型风力发电机组。 四 风力发电变流技术的现状与趋势 我国大功率直驱风力发电机变流器达到国际先进水平、新华社武汉月日电（刘迎军、吴登峰）由海军工程大学电力电子技

18、术研究所研制的兆瓦级永磁直驱风力发电变流器，日前在武汉正式通过科技成果鉴定。这一成果为我国大功率直驱风力发电变流器技术国产化与产业化提供了技术支撑，填补了国内空白，达到了国际先进水平。 风力发电变流器是风力发电机组不可缺少的能量变换环节，是风力发电机组的核心部件之一。由于自然界中风的大小、方向具有很大的随机性，导致风力发电机转速时快时慢，发出的电压幅值和频率也杂乱无章。风力发电变流器的主要作用就是将风力发电机的电压频率、幅值浮动不定的电能转换为频率、幅值稳定，符合电网要求的电能。目前，我国虽能自主生产兆瓦级永磁直驱发电机组，但与机组配套的并网变流器却全部依赖进口，严重制约了国内风电产业的发展。

19、年以来，海军工程大学电力电子技术研究所研究人员在中国工程院院士马伟明的带领下，对大功率变流系统的控制理论分析、器件级与电路级集成、优化设计及工程实践等方面，展开了深入研究，先后研制成功千瓦通用变频器、千伏安静止式主变流电源系统、某型高速感应发电机系统用兆瓦级静止励磁变流系统等一批具有自主知识产权的科技成果，掌握了大功率变流器的设计技术。年，他们自筹资金，先后联合大全集团有限公司、湘电股份有限公司，自主研发大功率永磁直驱风力发电变流器。经过两年多的艰难攻关，终于突破了大功率变流器的关键技术和设计“瓶颈”，成功研制出具有自主知识产权的兆瓦级永磁直驱风力发电变流器。这一变流器运行性能高、功率密度大、

20、适应恶劣运行环境，可以与相应永磁直驱式风力发电机组直接配套并提供符合标准的高品质工频电源，可完全替代进口永磁同步直驱式风力发电机配套变流器系统，在系统效率及电压谐波等指标上优于国外同类产品。 据介绍，这一成果不仅可以满足未来直驱式风力发电应用的需求，还可以拓展到船舶、飞机等其他应用领域，对于新能源、分布式发电技术的国产化具有重要的推动作用。国外的风力发电技术的发展概况风力 发电系统的一般组成结构如图2，首先通过桨叶将风能转化为风机转动的机械能，由于风机的转速大多比较低，需要用齿轮箱将风机的转速升高到发电机的额定转速附近，再经过发电机将机械能转化为电能，电力电子变流器将发电机输出的电能转换为合适

21、幅值或频率的电压、电流，经过并网变压器升压后接入大电网。对于目前出现的一些低转速发电机，图中的齿轮箱可以省去。系统转速、功率等运行状态的控制可以通过改变风机桨叶的节距角实现，也可通过电力电子变流器来调节发电机的电磁力矩完成。对于小型风力发电机组来说，通过电力电子变流器来调节发电机电磁力矩的方法更方便，可以省掉变桨距机构，减小系统设计制造的难度。图2 风力发电系统组成结构框图 现代风力机的发展起源于1957年名为“Gedser”的200kW风力机，它的主要空气动力特性是：水平轴、三桨叶、下风式风力机。自从那时开始，许多新的设想被提出并应用于实践中，尤其1973年的石油危机更加速了这一过程的发展。

22、七十年代末，名为“Riisager”的22kW风力机，开辟了一个新的领域，它是用并不昂贵的汽车标准零件制成的，在很多的私人庄园和农舍得到成功的应用。 最近二十年的时间里，风力机的输出功率从20kW发展到2MW。风力发电技术方面也取得了很大发展：一是在风力机本身的控制技术。在过去的十四年里应用了浆距控制技术，最近失速调节技术又得到实际应用；二是在电气技术上。自从1993年开始，有些生产厂商就用同步发电机替代传统的异步发电机。三在风力发电系统中电力电子技术的进步也引出了新的控制思想变速恒频控制。风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机，而风力机的变桨距功率调节技术和发电机的变速恒频发电技术是风力

23、发电技术发展的必然趋势，另外用于变流器系统的电力电子技术直接决定了产生的电能质量，这三项技术同时也是风力发电中的关键核心技术。下面着重介绍一下这三方面技术的研究概况。一、风力机的变桨距功率调节技术a) 风力机的特性曲线 风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动力学特性可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用系数Cp：式中： t时间内叶轮吸收的风能；t时间内通过叶轮旋转面的全部风能；单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输出功率；单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。对一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功

24、率 的表达式为：式中： 空气密度(kg/m3)； A叶轮的扫掠面积(m2)；D叶轮的直径(m)。系数 ，反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有关系的量。风力机的特性通常用风能利用系数 （叶尖速比 ）曲线来表示，如图3所示。图3 风力机的特性曲线不同浆距角 时，风能利用系数 对应的叶尖速比 不同。叶尖速比：式中： 为叶轮半径(m)；风力机的机械转速(rad/s)；作用于风力机的迎面风速(m/s)。对于同一 ，风力机可能有两个运行点，它们分别对应于风力机的高风速运行区和低风速运行区。当风速变化时风力机的运行点将要发生变化。 风力机的整体设计和相应的运行控制策略应尽可能

25、追求 最大，从而增加其输出功率。然而实际应用中输出功率的提高却受到两方面的限制：一方面是电气回路中元器件的功率限制；另一方面是机械传动系统结构部件存在转速上限。因此风机存在三个典型运行状态：保证恒定 ，控制风力机转速（维持 不变）直到转速达到极限；风力机以恒定速度运行，通过调节风力机可使 具有较大数值，直到最大输出功率；当风速过大，输出功率达到极限时风力机按恒定功率控制，使输出功率限制在额定值附近。b)风力机的功率调节 功率调节是风力机的关键技术之一， 目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式：一类是定浆距失速控制；另一类是变浆距控制。(1)定浆距失速控制 风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特

26、性，称为定浆距风力发电机组。这种机组的输出功率随风速的变化而变化，从 的关系看，难以保证在额定风速之前 最大，特别是在低风速段。这种机组通常设计有两个不同功率、不同极对数的异步发电机。大功率高转速的发电机工作于高风速区，小功率低转速的发电机工作于低风速区， 由此来调整 ，追求最佳 。当风速超过额定风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低 ，从而维持功率恒定。实际上难以做到功率恒定，通常有些下降。(2)变浆距控制 为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，风力机将进行浆距调整。在定浆距基础上加装浆距调节环节，称为变浆距风力机组。变浆距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，它

27、要依靠与叶片攻角（气流方向与叶片横截面的弦的夹角）的改变来进行调节。在额定风速以下时攻角处于零度附近，此时，叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，可看作等同于定浆距风机。在额定风速以上时，变浆距机构发挥作用，调整叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围以内。变浆距风力机的起动风速较定浆距风力机低，停机时传动机械的冲击应力相对缓和。风机正常工作时，主要采用功率控制。对于功率调节速度的反应取决于风机浆距调节系统的灵敏度。在实际应用中，由于功率与风速的三次方成正比，风速的较小变化将造成风能较大的变化。风机输出功率处于不断变化中，浆距调节机构频繁动作。风机浆距调节机构对风速的反应有一定的时延，在

28、阵风出现时，浆距调节机构来不及动作而造成风机瞬时过载，不利于风机的运行。比较来看，定浆距失速控制风力机整机机构简单，部件少，造价低，并具有较高的安全系数，利于市场竞争。但失速型叶片本身结构复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力增大，叶片的失速动态特性不易控制，使制造更大机组受到限制。变浆距型风力机能使叶片的安装角随风速而变化，从而便风力机在各种工况下（起动、正常运转、停机）按最佳参数运行。它可以使发电机在额定风速以下的工作区段有较高的发电量，而在额定风速以上高风速区段不超载，不需要过载能力大的发电机等等。当然它的缺点是需要有一套比较复杂的变距调节结构。现在这两种功率

29、调节方案在技术上都比过去的有很大改进，都为大、中型风力发电机组广泛采用。二、发电机的变速恒频发电技术 异步发电机作为并网型发电设备的方案可分为两类：恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。a）恒速恒频发电系统恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变化，因此叶尖速比 不可能经常保持在最佳值， 值往往与最大值相差很大，使风力机常常运行于低效状态。图4 异步电机输出功率曲线恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，如图4所示，异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。运行点发

30、生改变。当转子速度高于同步转速3%5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。b）变速恒频发电系统 目前风力发电系统采用最多的异步发电机都属于恒速恒频发电系统，但变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点，越来越引起人们的重视。从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比 ，从而使风力机的风能利用系数 保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。自上世纪90年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式

31、，特别是兆瓦级以上大容量风电系统，因为此时最大限度捕获风能、提高发电效率的意义十分重要。 可用于风力发电的变速恒频发电系统多种，如交直交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阻发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点，可以适用于各种不同场合。为充分利用风能，应深入研究各种变速恒频技术。下面将对各种电机系统加以简单介绍。（1）交直交风力发电系统这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的。由于风速的不断变化，风力机和发电机也随

32、之变速旋转，产生频率变化的电功率。发电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电，再通过逆变器直流电变换为恒定电网频率的交流电。因此，变频器的容量和发电机系统的容量相同。这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。在此系统中可以采用的发电机有同步发电机、鼠笼型异步电机、绕线式异步电机和永磁发电机等。而在这几种发电机中，鼠笼型异步电机和永磁发电机最为常用，因为其转子结构都很简单容易制造和维护，并且没有滑环和电刷，励磁方式也比较简单，尤其是永磁同步电机不需要外部励磁。（2）磁场调制发电机系统这种变速恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成。发电机本身

33、具有较高的旋转频率 ，与普通同步电机不同的是，它不用直流电励磁，而是用频率为 的低频交流电励磁（ 即为所要求的输出频率，一般为50Hz），当频率 远低于频率 时，发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为 和 的两个分量组成的调幅波，这个调幅波的包络线的频率是 ，包络线所包含的高频波的频率是 。将三个相绕组接到一组并联桥式整流器，得到基本频率为 的全波整流正弦脉动波。再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向。最后经滤波器滤去高次谐波，即可得到与发电机转速无关、频率为 的恒频正弦波。输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，正是这一特点使得磁场调制发电机非常适合于并网风力发电系统。与

34、前而的交直交系统相比，磁场调制发电机系统的特点是： 由于经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上是在波形过零点时开关换向。因而换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高。 晶闸管开关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易滤去，因此可以得到相当好的正弦输出波形。 磁场调制发电机系统的输出频率在原理上与励磁电流频率相同，因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联运行十分简单可靠。这种发电机系统的主要缺点与交直交系统类似，即电力电子变换装置处在主电路中，因而容量较大。比较适合用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电系统。 发电机要经特殊设计，不能利用通常形式的发电

35、机。（3）交流励磁双馈发电机系统系统如图5（d）所示，采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似。当风速变化引起发电机转速 变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定。当发电机的转速 小于定子旋转磁场 的转速时，处于亚同步状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网；当 时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量逆向流向；当 时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，变频器向转子提供直流励磁。因此，当发电机的转速 变化时，若控制变频器励磁相应变化，即可以使定子电流频率保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现

36、了变速恒频控制。由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一部分，因此变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样变频器的成本将会大大降低。这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，在磁场定向矢量控制下还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。但交交变频器输出特性差，6脉波、36管交交变频器输出电压富含低次谐波，严重影响发电质量，必须进行谐波抑制。只有12脉波、72管交交变频器结构符合励磁电源要求，但结构、控制复杂，不适合风力发电系统。目

37、前国际上开发使用PWM整流PWM逆变的交直交型变频电源，具有功率双向流动能力，结构、控制方便，是一种实用的励磁变频器。此外绕线式交流励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊病，但仍然不失为一种能实现工业应用的机组。（4）无刷双馈发电机系统系统采用的发电机为无刷双馈发电机。其定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网。其转子为鼠笼型结构，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别，但却可

38、以通过同样的控制策略实现变速恒频控制，不再赘述。尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分。同样，这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容量外，还可在矢量控制策略下实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。该种变速恒频风电系统现在已被工业界普遍采用。（5）爪极式发电机系统无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分。其定子铁心及电枢绕组与一般同步电机基

39、本相同。由于爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结构，所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组，因此与一般同步发电机相比，励磁绕组所用的材料较省，所需的励磁功率也较小。对于一台8极电机，在每极磁通及磁路磁密相同的条件下，爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所消耗的励磁功率将不到一般同步电机的一半，故具有较高的效率。另外无刷爪极电机与永磁电机一样均系无刷结构，基本上不需要维护。与永磁发电机相比，无刷爪极发电机除了机械摩擦力矩外基本上没有什么起动阻力矩。另一个优点是具有很好的调节性能，通过调节励磁可以很方便地控制它的输出特性，并有可能使风力机实现最佳叶尖速比运行，得到最好的运行效率。这种发电机非常适合用于

40、千瓦级的风力发电装置中。但该项技术的最大功率跟踪（MPPT）尚处在研究阶段。三、电力电子变流器系统由发电机和电力电子器件构成的广泛应用的6种风力发电系统结构如图5所示。下面对图5中的风力发电系统结构加以简单说明。图a是二十世纪八十年代到九十年代被很多风机制造商应用的比较传统的结构，如使用鼠笼型转子的异步发电机的上风式、失速调节、三桨叶风力机就是这种结构。在八十年代这种结构被扩展，为补偿无功功率使用了电容器组，为平滑并网使用了电机软起动器。图b是用全程范围或“低风速区域”大小的变频器代替了图a中的电容器组和电机软起动器。“低风速区域”大小的变频器的功率仅为发电机额定功率的20-30，而全程范围的

41、变频器功率大约为发电机额定功率的120，但它能使风力发电机在所有风速下变速运行。图c这种结构是二十世纪九十年代中期，Vestas风力机厂生产的名为“Optislip”风力机所采用的结构。这种结构的基本思想是利用电力电子变换器改变外部的转子电阻，来改变总的转子电阻，从而使转差率有10的变化范围。控制了转差率也就控制了系统的输出功率。图d这种结构使用双馈异步发电机，用变频器直接控制转子绕组里的电流。用功率为发电机额定功率的20-30电力电子变换器，即可控制整个的发电机输出功率。有两个原因促使这种结构得到广泛应用：1）较图c的结构有更宽的调速范围； 2）较全功率变换器更经济。图e这种个功率控制结构的

42、典型应用是在航海船只上作为电源。无齿轮箱，通过两个或三个叶片的上风式风力机与永磁发电机相连，发出的电能经整流器给蓄电池充电。这种结构的风力机也可以应用于家庭风电系统或混合风电系统，这时风力机一般大于1kW小于20kW。ABB公司在2000年利用这种结构提出一个新的设想：用多极3. 5MW永磁发电机发出电能后经二极管整流器产生21kV直流电，然后经高压直流输电并入电网。因此可以这种结构将是世界风力发电的发展的另一个趋势。鼠笼型转子异步电机：（a）（b）绕线型转子异步电机：（对应内反馈调速）（对应串级调速）绕线型转子同步电机：图5 广泛应用的风力发电系统结构图图f这种结构使用多极的绕线式同步发电机

43、。由于它使用的是多极发电机，所以它不需要齿轮箱。它是通过整流器从电机外部来励磁的。与前几种结构相比。这种结构吸引力不大是由于三种原因：1）需要励磁电路；2）需要滑环；3）风力机更加复杂的保护策略。目前，电力电子变流装置很多，表5列出应用于风力发电的六种典型电气拓扑的发展现状。表5 几种典型变流器拓扑结构的技术现状风力机总装机各制造厂商的市场份额排序。因此我国的风力发电技术还有很长一段路要走。表6 2002年我国风力机新增装机各制造厂商市场份额排序表7目前我国风力机总装机各制造厂商市场份额排序五 对比研究当下各种变流方案 自20世纪80 年代以来，风力发电技术发展迅速，经历了从恒速恒频到变速恒频

44、的发展。变速恒频风力发电系统具有以下优点： 1)最大限度捕获风能; 2)较宽的转速运行范围，适用于风力机变速运行; 3)可以灵活地调节系统的有功和无功功率; 4)采用先进的PWM控制技术可以抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。 因此，MW级变速恒频风力发电系统受到了广泛关注。变速恒频风力发电系统，主要分为双馈式和直驱式。双馈式风力发电系统由于其变流器容量（滑差功率）只占系统额定功率的30左右，能较多地降低系统成本，因此双馈式系统受到了广泛的关注。与双馈式相比，直驱式采用低速永磁同步发电机结构，无需齿轮箱，机械损耗小，运行效率高，维护成本低，但是,由于系统功率是全功率传输，系统中变流器造

45、价昂贵，控制复杂。 为了降低直驱式风力发电系统的成本，提高变流器的效率，改善系统的性能，必须对系统的变流器部分进行深入研究。目前国内对变速恒频的研究主要集中在双馈式风力发电系统，对直驱式风力发电系统变流器结构的研究很少。因此，研究直驱式风力发电系统的变流器结构，分析他们的优缺点具有重要的意义。直驱式变速恒频风力发电主要的拓扑结构分析 直驱式变速恒频风力发电系统原理框图如图1所示。直驱风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流，然后经过三相逆变器变换为三相频率恒定的交流电连接到电网。通过中间电力电子变化环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。 直驱式风力发电系统中的电力电子变换电路（整流器和逆变器）可以有不同的拓扑结构。根据每种电力电子变换拓扑的特点，整个系统的控制方法都会相应地发生变化。本文对几种常用的拓扑结构的优缺点进行了比较。根据其拓扑结构，直驱式风力发电系统主要可以分为以下几种。图1 直驱式风力发电系统原理图不控整流后接晶闸管逆变器和无功补偿型 如图2所示