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摘 要：低速永磁直驱风力发电系统作为现代风力发电技术研究的热点课题，具有可靠性高、易于维护等特点，并且在运行过程中不需要齿轮箱，有效减少了使用成本，降低了电网与发电机之间的解耦，当电网电压处于跌落状态时，低速永磁直驱风力发电系统可以及时向电网提供支持，因此低速永磁直驱风力发电系统与电网之间具有柔性连接特点。本文主要通过对低速永磁直驱风力发电变流器若干关键技术进行研究，以期为有效提高现代风电变流器的运行效率提供必要依据。
关键词：低速永磁直驱风力发电；变流器；关键技术
前言：在过去，风力发电受到技术、成本等问题的制约而发展缓慢，然而随着科学技术水平的不断提高，风力发电的技术不断创新，其成本也在大幅度下降，加上全球生态环境问题的日益严峻，各国意识到环境问题的重要性，纷纷出台鼓励政策，在这种情况下，风力发电逐渐成为未来社会发展的必然趋势，不仅可以有效减少环境污染，还可以有效节约能源[1]。
一、低速永磁直驱风电变流器研究现状
1.1变流器拓扑结构
低速永磁直驱风力发电变流器工作原理是将发电机所发出的交流电频率转化成固定的工频电，然后在馈入电网，因此采用低速永磁直驱风力发电系统，电能变换设备必须使用电力电子变流器，将发电机所发出的所有的电能经过电力电子变流器转化成直流电，然后逆变成工频电，最后馈入电网中。在运行过程中应确保发电机的容量与变流器的容量应相同，因此在运用直驱风力发电系统时变流器设计是关键技术之一。随着科学技术的不断发展，直驱风力发电可以应用在大多数变流器拓扑结构中。
变流器拓扑结构主要有四种：①PWM四象限整流。双PWM四象限整流是指电网侧与电机侧同时采用可控器件IGBT或者是GTO，然后利用具有四角限运行的PWM脉宽调制技术对电流波形进行有效的控制，从而达到电机输出电流波形中无谐波。采用PWM四象限整流不仅具有B00ST升压的效果，还可以有效增加发电机的运行范围，从而有效提高风力发电系统的运行效率，提高机械系统的工作性能，因此在未来的直驱风力发电研究领域中PWM四象限整流将成为未来发展的必然趋势；②二极管整流。二极管整流是指电机定子输出端进行不控整流接三相二极管整流桥，在网侧采用逆变器，而在直流侧采用电感电容滤波，将直流侧电能逆变成工频交流电馈入电网中。由于采用二极管不控整流，电机定子电流谐波成分较多，会使电机发生噪声大、转矩脉动损耗严重等现象，严重影响机械系统的使用寿命，因此在实际应用中此结构甚少采用；③相控整流。相控整流结构与二极管整流结构类似，直流侧采用电感电容滤波，而电机侧采用半控型晶闸管，其缺点是相控整流造成电机转矩脉动较大，影响机械系统的使用寿命，因此在实际应用中也很少采用；④二极管整流+B00ST升压。采用二极管整流+B00ST升压可以有效改善二极管整流不控整流的不足。采用B00ST电路不仅可以将整流后较低的电压升到一个稳定值，还可以对整流后的电路进行校正，有效降低电机定子电流波形的含量，同时也可以对永磁直驱发电机进行简单的控制。由于采用二极管整流+B00ST升压结构成本较低，且操作简单，因此在现实直驱风力发电工程中得到广泛的应用[2]。
1.2变流器并联技术
随着科学技术的不断创新，单机风力发电装置功率等级也得到了提升，为了有效改善单模块三相结构可靠性、散热、成本、开关频率、器件容量等缺点，采用并联的方式将主流小容量功率半导体器件进行扩容处理。采用并扩容的变流器具有高可靠性、大功率、易扩展以及高性能等优势，有效减少了直流电容的用量，具有较高的实际应用价值。
二、低速永磁直驱风电变流器关键技术
2.1并联变流器的环流控制技术
在并联变流器的运行中最显著的问题就是环流，其也是并联变流器运行首要解决的问题。因此为了有效避免并联变流器产生环流问题，通常情况下采用以下方法进行控制[3]。
2.1.1隔离控制法
隔离控制法是将AC变流器与DC变流器的侧电源分开，或者采用交流侧变压器隔离的方式将AC变流器与DC变流器的侧电源分开。由于采用AC变流器与DC变流器的方式成本较高且容易增加并联系统的体积，因此采用并联电源的方式或者是采用交流侧工频变压器的方式达到目的。
2.1.2增加环流无源阻抗控制法
所谓增加环流无源阻抗控制法就是通过将串电感采用并联的方式，有效降低电感使用的零序阻抗。但这种方法适用于低频率没有较大的阻抗情况下，对于高频较大的阻抗，其环流控制效果不佳。
2.1.3变流器控制法
变流器控制法适用于并联变流器没有采用隔离的情况下，其原理是通过将并联变流器作为一个变流器单元进行控制，通过对变流器开关状态的合理的选择，实现减少并联变流器环流的效果[4]。
2.2LCL并网滤波器稳定控制技术
采用并网变流器主要是通过LCL滤波器与L滤波器与电网相连接，由于LCL滤波器电感小，存在一定的谐振频率点，容易造成系统不稳定性，为了使系统能够稳定运行，通常采用无源阻尼与有源阻尼两种控制方法。无源阻尼则是通过利用在电容中串联一个电阻的方式稳定系统，但这种方式的缺陷是以抑制谐波为代价，使系统在运行过程中存在着巨大的能量消耗，降低了系统的工作效率，也为系统的散热增加了难题。有源阻尼是指通过对反馈电容电压或者电容电流、带观测器的状态反馈、通道串联数字滤波器等的控制，有效减少无源阻尼的缺陷，从而提高系统的可靠性。
2.3电网与变流器故障控制技术
电网故障主要有电压跌落故障、频率变化故障以及过电压故障等。在电网故障中发生频率最高的是电压跌落故障，其原因主要是由于相间短路与电网单相对地造成的，当电网发生电压跌落故障时，电网电压跌落的数值与网侧逆变器向电网注入的功率的比值将减小。由于风力发电系统是一个较大的惯量系统，风力机的浆距角调节较慢，形成网侧功率与机测功率不相等，造成直流电压增加，从而影响风力发电系统的正常运行，因此应适当调整直流电压。采用电网与风力发电系统的相互连接，增加变流器本身的运行作用，不仅关系到风力发电系统的维护成本与发电效率，也影响着电网的稳定性，所以增强风力发电系统变流器的可靠性至关重要[5]。
结语：风力发电系统是一个具有复杂性与系统性的大工程，涉及多个科学研究领域。本文通过对风力发电系统的关键部件低速永磁直驱风力发电变流器进行深入研究，明确变流器保护设计的重要性，为低速永磁直驱发电系统的研究提供了有效的实验手段，对风力发电系统的研发具有十分重要的意義。
参考文献：
[1]杨恩星，刘国荣，唐晓晓.低速永磁直驱风力发电变流器若干关键技术的研究[J].浙江大学学报（社会科学版），2009，12（09）：188-189.
[2]仇志凌，陈国柱，吕征宇.并联双PWM变流器在低速永磁直驱风力发电系统中的应用[J].电力系统自动化，2009，25（05）：111-112.
[3]韩坤，李珍丽，王丽娟.多模块并联在双PWM永磁直驱风力发电实验平台若干关键技术研究[J].浙江大学学报（自然科学版），2010，22（02）：100-104.
[4]马永兴，冯哲峰，杨恩生.永磁直驱风力发电力机组变流器控制技术的研究[J].沈阳工业大学学报（自然科学版），2012，30（22）：147-148.
[5]余浩赞，李小华，邓秋玲.直驱风力发电机组机侧变流器控制系统设计与实现[J].湖南大学学报（社会科学版），2009，33（09）：220-223.
关键词：低速永磁直驱风力发电；变流器；关键技术
前言：在过去，风力发电受到技术、成本等问题的制约而发展缓慢，然而随着科学技术水平的不断提高，风力发电的技术不断创新，其成本也在大幅度下降，加上全球生态环境问题的日益严峻，各国意识到环境问题的重要性，纷纷出台鼓励政策，在这种情况下，风力发电逐渐成为未来社会发展的必然趋势，不仅可以有效减少环境污染，还可以有效节约能源[1]。
一、低速永磁直驱风电变流器研究现状
1.1变流器拓扑结构
低速永磁直驱风力发电变流器工作原理是将发电机所发出的交流电频率转化成固定的工频电，然后在馈入电网，因此采用低速永磁直驱风力发电系统，电能变换设备必须使用电力电子变流器，将发电机所发出的所有的电能经过电力电子变流器转化成直流电，然后逆变成工频电，最后馈入电网中。在运行过程中应确保发电机的容量与变流器的容量应相同，因此在运用直驱风力发电系统时变流器设计是关键技术之一。随着科学技术的不断发展，直驱风力发电可以应用在大多数变流器拓扑结构中。
变流器拓扑结构主要有四种：①PWM四象限整流。双PWM四象限整流是指电网侧与电机侧同时采用可控器件IGBT或者是GTO，然后利用具有四角限运行的PWM脉宽调制技术对电流波形进行有效的控制，从而达到电机输出电流波形中无谐波。采用PWM四象限整流不仅具有B00ST升压的效果，还可以有效增加发电机的运行范围，从而有效提高风力发电系统的运行效率，提高机械系统的工作性能，因此在未来的直驱风力发电研究领域中PWM四象限整流将成为未来发展的必然趋势；②二极管整流。二极管整流是指电机定子输出端进行不控整流接三相二极管整流桥，在网侧采用逆变器，而在直流侧采用电感电容滤波，将直流侧电能逆变成工频交流电馈入电网中。由于采用二极管不控整流，电机定子电流谐波成分较多，会使电机发生噪声大、转矩脉动损耗严重等现象，严重影响机械系统的使用寿命，因此在实际应用中此结构甚少采用；③相控整流。相控整流结构与二极管整流结构类似，直流侧采用电感电容滤波，而电机侧采用半控型晶闸管，其缺点是相控整流造成电机转矩脉动较大，影响机械系统的使用寿命，因此在实际应用中也很少采用；④二极管整流+B00ST升压。采用二极管整流+B00ST升压可以有效改善二极管整流不控整流的不足。采用B00ST电路不仅可以将整流后较低的电压升到一个稳定值，还可以对整流后的电路进行校正，有效降低电机定子电流波形的含量，同时也可以对永磁直驱发电机进行简单的控制。由于采用二极管整流+B00ST升压结构成本较低，且操作简单，因此在现实直驱风力发电工程中得到广泛的应用[2]。
1.2变流器并联技术
随着科学技术的不断创新，单机风力发电装置功率等级也得到了提升，为了有效改善单模块三相结构可靠性、散热、成本、开关频率、器件容量等缺点，采用并联的方式将主流小容量功率半导体器件进行扩容处理。采用并扩容的变流器具有高可靠性、大功率、易扩展以及高性能等优势，有效减少了直流电容的用量，具有较高的实际应用价值。
二、低速永磁直驱风电变流器关键技术
2.1并联变流器的环流控制技术
在并联变流器的运行中最显著的问题就是环流，其也是并联变流器运行首要解决的问题。因此为了有效避免并联变流器产生环流问题，通常情况下采用以下方法进行控制[3]。
2.1.1隔离控制法
隔离控制法是将AC变流器与DC变流器的侧电源分开，或者采用交流侧变压器隔离的方式将AC变流器与DC变流器的侧电源分开。由于采用AC变流器与DC变流器的方式成本较高且容易增加并联系统的体积，因此采用并联电源的方式或者是采用交流侧工频变压器的方式达到目的。
2.1.2增加环流无源阻抗控制法
所谓增加环流无源阻抗控制法就是通过将串电感采用并联的方式，有效降低电感使用的零序阻抗。但这种方法适用于低频率没有较大的阻抗情况下，对于高频较大的阻抗，其环流控制效果不佳。
2.1.3变流器控制法
变流器控制法适用于并联变流器没有采用隔离的情况下，其原理是通过将并联变流器作为一个变流器单元进行控制，通过对变流器开关状态的合理的选择，实现减少并联变流器环流的效果[4]。
2.2LCL并网滤波器稳定控制技术
采用并网变流器主要是通过LCL滤波器与L滤波器与电网相连接，由于LCL滤波器电感小，存在一定的谐振频率点，容易造成系统不稳定性，为了使系统能够稳定运行，通常采用无源阻尼与有源阻尼两种控制方法。无源阻尼则是通过利用在电容中串联一个电阻的方式稳定系统，但这种方式的缺陷是以抑制谐波为代价，使系统在运行过程中存在着巨大的能量消耗，降低了系统的工作效率，也为系统的散热增加了难题。有源阻尼是指通过对反馈电容电压或者电容电流、带观测器的状态反馈、通道串联数字滤波器等的控制，有效减少无源阻尼的缺陷，从而提高系统的可靠性。
2.3电网与变流器故障控制技术
电网故障主要有电压跌落故障、频率变化故障以及过电压故障等。在电网故障中发生频率最高的是电压跌落故障，其原因主要是由于相间短路与电网单相对地造成的，当电网发生电压跌落故障时，电网电压跌落的数值与网侧逆变器向电网注入的功率的比值将减小。由于风力发电系统是一个较大的惯量系统，风力机的浆距角调节较慢，形成网侧功率与机测功率不相等，造成直流电压增加，从而影响风力发电系统的正常运行，因此应适当调整直流电压。采用电网与风力发电系统的相互连接，增加变流器本身的运行作用，不仅关系到风力发电系统的维护成本与发电效率，也影响着电网的稳定性，所以增强风力发电系统变流器的可靠性至关重要[5]。
结语：风力发电系统是一个具有复杂性与系统性的大工程，涉及多个科学研究领域。本文通过对风力发电系统的关键部件低速永磁直驱风力发电变流器进行深入研究，明确变流器保护设计的重要性，为低速永磁直驱发电系统的研究提供了有效的实验手段，对风力发电系统的研发具有十分重要的意義。
参考文献：
[1]杨恩星，刘国荣，唐晓晓.低速永磁直驱风力发电变流器若干关键技术的研究[J].浙江大学学报（社会科学版），2009，12（09）：188-189.
[2]仇志凌，陈国柱，吕征宇.并联双PWM变流器在低速永磁直驱风力发电系统中的应用[J].电力系统自动化，2009，25（05）：111-112.
[3]韩坤，李珍丽，王丽娟.多模块并联在双PWM永磁直驱风力发电实验平台若干关键技术研究[J].浙江大学学报（自然科学版），2010，22（02）：100-104.
[4]马永兴，冯哲峰，杨恩生.永磁直驱风力发电力机组变流器控制技术的研究[J].沈阳工业大学学报（自然科学版），2012，30（22）：147-148.
[5]余浩赞，李小华，邓秋玲.直驱风力发电机组机侧变流器控制系统设计与实现[J].湖南大学学报（社会科学版），2009，33（09）：220-223.