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一种全功率风力发电变流器关键技术研究 发布时间：2008-11-29 10:12:00 摘要：风力发电机类型很多，本文选择了几种风力发电系统的结构进行了对比，给出了一种不控整流器加BOOST升压加PWM逆变的全功率风力发电变流器的原理、设计中采用的关键技术及试验结果。 主题词：直驱，风力发电，全功率，变流器 Key Technology research on a full power wind generator converter Zhou Weilai, Sun Jinghua, Zhang Zhe, Pei Jingbin (Harbin Jiuzhou Electric Co.,LTD,150081) Abstract：The paper compares kinds of wind turbine generaters,and introduces a kind of full power converter with inactive rectifier,BOOST circuit and PWM inverter for wind turbin generater,illustrates its principle,key technologies and testing result. Key words： direct drive；full power；wind turbine generation；converter 注：本项目受国家十一五科技支撑计划项目资助，项目编号2006BAA01A21 1.引言 　　我国风力发电起步较晚，目前国内40多家风力发电设备整机制造厂家中，多数只能制造1MW以下的风力发电机组。2006年开始制造1.2MW、1.5MW直驱永磁风力发电机组，开始技术主要靠引进。随着国家的引导，大功率风电机组开始升温，随之而来的就是电控部件国产化问题。到目前为止，兆瓦级以上全功率风力发电变流器主要依靠进口，所以研发自主知识产权大功率风电变流器成为当务之急。 2.几种风力发电系统结构对比 　　由发电机和电力电子器件或变流器构成的广泛应用的6种风力发电系统结构如图2-1所示。下面对图中的风力发电系统结构加以简单比较说明。 　　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”大小的变流器的功率仅为发电机额定功率的20-30％，而全程范围的变流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，用变流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30％左右的电力电子变流器，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）较全功率变流器更经济。 　　图e原来这种功率控制结构的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。由于结构简单，维护成本低，因此这种结构成为世界风力发电的发展的另一个方向。 　　图f这种结构使用多极的绕线式同步发电机。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。 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） （c） （对应双馈调速） （d） ? 永磁同步电机： （e） 绕线型转子同步电机： （f） 图2-1 广泛应用的风力发电系统结构图 ? 　　目前，电力电子变流装置很多，表2-1列出应用于风力发电的七种典型电气拓扑类型的发展现状。 表2-1 几种典型变流器拓扑结构的技术现状 变流器类型 特征类型 控制技术 备注 背靠背