風力發電機變流器及其低電壓穿越概述

　　圖3是典型的永磁直驅型變速恒頻風力發電系統，包括永磁同步發電機和全功率背靠背雙pwm變流器，無齒輪箱。pmsg通過全功率變流器直接與電網連接，通常極對數較多，低轉速，大轉矩，徑向尺寸較大，軸向尺寸較小，呈圓環狀;由于省去了齒輪箱，從而簡化了傳動鏈，提高了系統效率，降低了機械噪聲，減小了維修量，提高了機組的壽命和運行可靠性;發電機通過變流器與電網隔離，因此其應對電網故障的能力更強，與dfig風電系統相比，更容易實現低電壓穿越功能。但是永磁材料目前的成本仍然較高;變流器容量較大，損耗較大，變流器的成本較高。理論上永磁體在高溫時存在失磁的風險，但是近年來隨著永磁材料性能的不斷提高、價格的下降，pmsg+全功率變流器已經成為一種很有吸引力和應用前景寬廣的方案。目前，zephyros，mitsubishi，新疆金風等公司在市場上有這類產品。

　　以上討論了三種典型的風力發電系統，在目前的市場上占據較大的份額，圖4給出了不同風電機組類型在世界年度裝機容量中的份額(1995～2004年)[5]，scig風電系統的市場份額在不斷下降，從1995年的75%到2004年的25%;dfig風電系統的市場份額從1995年基本為0，增長到2004年的55%，替代失速型風電系統成為風電市場的主導機型;pmsg&eesg風電系統(eesg將在后面討論)在10年間緩慢增長，2004年占市場份額的近20%，目前其增長勢頭要更快一些。但是市場上不只這三種風電機型，根據發電機和齒輪箱的不同，還有很多種其他類型的風電系統，也占去了一定的市場份額;下文中將從本節介紹的三種風電機型出發，介紹其他的風電系統。

　　隨著風電技術的快速發展，風電機組單機容量將持續增大，從而節省安裝空間與成本，特別是海上風電，由于海上風速更高、空間更大;大型風電場將越來越多，風力發電在電力系統中的比重將逐漸增大;電力系統運營商會對風電并網提出更高的要求。大型風電場的協調控制，低電壓穿越與無功支持能力，高壓直流輸電(hvdc)在風力發電中的應用等相關技術將成為設備制造商與系統運營商共同關注的課題。

　　3 風電系統發電機類型

　　針對圖1的失速型風力發電系統，vestas公司提出了優化滑差(optislip)的概念，采用繞線轉子感應發電機(wound rotor induction generator，wrig)，wrig定子直接與電網連接，轉子側帶有可變電阻，由電力電子變流器對阻值進行調節，結合變槳控制，對功率輸出進行優化，其他與典型的失速型風電系統一樣。目前，vestas，suzlon等公司有這類產品。通過控制轉子側電阻耗散的功能實現變速運行，變速范圍越寬，電機滑差越大，電阻需要消耗的功率越多，電機效率越低，電阻上的能量以熱能的形勢損失掉。典型的變速范圍是同步速以上10%以內。

　　針對圖2的dfig風電系統，由于存在滑環和電刷會降低運行可靠性，可以采用無刷dfig(brushless dfig，bdfig)，bdfig具有雙定子繞組，一個定子繞組與常規dfig一樣，直接與電網連接，另一個定子繞組接雙pwm變流器。與常規dfig比較，省去了滑環和電刷，但是電機制造與控制更加復雜。

　　針對圖3的pmsg直驅風電系統，還可以采用電勵磁同步發電機(electrically excited synchronous generator，eesc)，通常在轉子側進行直流勵磁。使用eesc相比使用pmsg的優勢在于，轉子勵磁電流可控，可以控制磁鏈在不同功率段獲得最小損耗;而且不需要使用成本較高的永磁材料，也避免了永磁體失磁的風險。因此eesc在目前的直驅風電系統中應用較多，enercon公司主要經營這類產品。但是eesc需要為勵磁繞組提供空間，會使電機尺寸更大，轉子繞組直流勵磁需要滑環和電刷。pmsg由于不是標準產品，在尺寸及結構上有很大的靈活性，根據磁通分布可以分為以下幾類：徑向磁通永磁電機(radial flux pm machine， rfpm)、軸向磁通(axial flux pm machine，afpm)和橫向磁通(transversal flux pm machine，tfpm)，其中rfpm結構簡單穩固，功率密度更高，在大功率直驅風電系統中得到了較多應用。

　　在以上討論的基礎上，根據齒輪箱結構和發電機的不同，還有其他類型的風力發電系統。單級齒輪+全功率變流器變速恒頻風電系統，在圖3的風電機組與pmsg之間增加了單級齒輪箱，升速比為1:10左右，這種結構與pmsg直驅系統比較，pmsg的轉速更高，與多級齒輪箱系統比較，齒輪箱傳動部件更少，是一種折衷的方案。multibrid，winwind等公司在市場上有這類產品。

　　多級齒輪+全功率變流器變速恒頻風電系統，可以使用pmsg或者scig作為發電機。使用pmsg時，電機體積更小，效率更高，與圖2所示常規dfig系統比較，故障穿越功能的實現相對簡單，但是變流器容量較大;ge公司有這類產品。使用scig時，電機制造簡單，與圖1常規失速型風電系統比較，控制靈活，變速運行、柔性并網、無功支持等功能都容易實現，也存在變流器容量較大的問題;siemens公司在市場上有這類產品。隨著電力電子器件成本的下降，多級齒輪+全功率變流器會更有競爭力。

　　4 風電變流器

　　電力電子變流器作為風力發電與電網的接口，作用非常重要，既要對風力發電機進行控制，又要向電網輸送優質電能，還要實現低電壓穿越等功能;隨著風力發電的快速發展和風電單機容量的不斷增大，變流器的容量也要隨之增大，因此大容量多電平變流器也開始得到應用，以下將對一些典型變流器拓撲結構進行討論。

　　從圖2、圖3中可以看到，典型的雙饋和永磁直驅變速恒頻風電系統中，都采用背靠背雙pwm變流器，包括電機側變流器(或轉子側變流器)與電網側變流器，能量可以雙向流動。對pmsg直驅系統，電機側pwm變流器通過調節定子側的d、q軸電流，實現轉速調節及電機勵磁與轉矩的解耦控制，使發電機運行在變速恒頻狀態，額定風速以下具有最大風能捕獲功能;對dfig系統，轉子側變流器通過調節轉子側d、q軸電流，實現轉速調節及有功、無功功率的解耦控制。電網側pwm變流器均通過調節網側的d、q軸電流，保持直流側電壓穩定，實現有功和無功的解耦控制，控制流向電網的無功功率，通常運行在單位功率因數狀態，還要提高注入電網的電能質量。背靠背雙pwm變流器是目前風電系統中常見的一種拓撲，國內外對其研究較多，主要集中在變流器建模、控制算法以及如何提高其故障穿越能力等方面。國外公司如abb，alstom，國內公司如合肥陽光電源等，均有這類變流器產品。

　　對直驅型風電系統，變流器拓撲的選擇較多。圖5是不控整流+boost變換器+逆變拓撲結構，通過boost變換器實現輸入側功率因數校正(power factor correction，pfc)，提高發電機的運行效率，保持直流側電壓的穩定，對pmsg的電磁轉矩和轉速進行控制，實現變速恒頻運行，在額定風速以下具有最大風能捕獲功能。國外enercon、國內合肥陽光電源等公司有使用這種拓撲的產品。

　　隨著風電機組單機容量的不斷增大，風電變流器的電壓與電流等級也在不斷提高，因此多電平變流器拓撲得到了廣泛關注。變流器采用多電平方式后，可以在常規功率器件耐壓基礎上，實現高電壓等級，獲得更多級(臺階)的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。圖6是直驅風電系統中三電平背靠背雙pwm變流器拓撲，與兩電平雙pwm變流器相比，功率器件和電容增加了一倍，并額外增加了箝位二極管;直流側電容由兩個完全一樣的電容串聯組成，電容的中點作為變換器的箝位點，由網側變換器保持直流側兩個電容的電壓均衡。這種結構在風電中的應用目前已經比較成熟，對其的研究很多，主要集中在控制策略的優化上[8]。目前，世界范圍內從事大功率風力發電用變流器和高壓變頻器研制的一些公司，都有多電平的產品方案;abb用于風力發電的變流器如acs1000，整流器采用12脈沖二極管整流，逆變器采用三電平npc結構，器件采用igct;siemens也有相似的應用，功率器件采用高壓igbt;法國alstom公司采用飛跨電容型四電平拓撲，功率器件采用igbt，另外還基于igct開發出了飛跨電容型五電平變頻器。

　　5 風電低電壓穿越及無功支持

　　隨著風力發電裝機容量的不斷增大，其對電網的影響已經不能忽略，很多國家制訂了新的規則，對并網風力發電提出了新的要求，這些要求包括有功、無功功率控制，電壓、頻率控制，電能質量控制，故障穿越功能等。這些要求使風力發電要逐漸承擔起類似傳統火力發電場的功能，在電網故障如電壓跌落時保持并網，快速向電網提供有功和無功功率支持，幫助電網電壓及頻率的恢復及穩定。

　　5.1 lvrt介紹及技術現狀

　　lvrt(low voltage ride through，lvrt)是“風電系統低電壓穿越能力”的英文縮寫。定義是指風電系統在并網點電壓跌落時，能夠保持并網，并向電網提供無功功率，支持電網恢復，直到電網正常工作為止的能力。

　　圖7給出了德國e.on標準規定的低電壓穿越曲線，其中電網電壓跌落至0，持續時間為150ms左右，當電網電壓在曲線以上時，風電機組要保持并網，并能夠在電壓跌落及恢復階段向電網提供無功功率，幫助電網電壓恢復穩定，只有當電網電壓低于規定曲線以后才允許風電機組脫網。這就要求風電系統必須具有較強的低電壓穿越能力，能快速向電網提供無功支持。

　　電壓跌落是電網中最為常見的故障之一，有單相、兩相對地故障、相間故障和三相故障等類型，其故障類型和比例為：單相對地故障70%，兩相對地故障15%，相間故障10%，三相故障5%;還可以分為對稱故障和不對稱故障，大部分電壓跌落故障屬于不對稱故障;電壓跌落的深度不等，最低可以到零，持續時間為0.5個電網電壓周期到數秒。

　　目前國內外對雙饋和直驅變速恒頻風電系統在電網故障時的應對措施[11-12]，已經有較多研究，包括改進變流器控制策略提高系統的動態特性使其具備一定的lvrt能力，但在跌落深度較大時，僅依靠控制策略的作用有限，因此需要增加硬件保護電路，實現風電機組低電壓穿越并對變流器進行保護，通常電壓跌落的持續時間較短，屬于暫態故障，當電壓跌落持續時間較長時，需要配合變槳控制等限制風電機組捕獲的風能。文獻[13]對國內外雙饋和直驅變速恒頻風電系統保護電路進行了比較全面的分析和總結，對各種類型的保護電路進行了分類，對其工作原理和實現方法進行了詳細說明，并討論了各自的優缺點;增加保護電路可以有效提高變速恒頻風電系統的lvrt能力，使風電系統在電網故障發生時保持并網，故障消除后能夠快速恢復正常運行。

　　變速恒頻風電系統lvrt方面的文獻大部分針對三相對稱電網故障，但是電網中不對稱故障占大多數，因此近來關于不對稱故障穿越的研究也在增多，常規變流器矢量控制下電壓、電流只包含正序分量，不對稱故障時還包含負序分量，仍采用常規控制會造成功率和直流側電壓波動[14]，因此隨著對lvrt功能要求的提高，針對不對稱故障需要采取有別于常規控制的策略，如采用正負序分解或直接功率控制等方法。為檢驗風電系統的lvrt能力，不管是對稱故障還是不對稱故障，通常需要專門的電壓跌落模擬裝置，模擬不同的電網電壓跌落故障。文獻[15]對國內外現有風電用電壓跌落發生器(voltage sag generator，vsg)的研究進行了詳細的總結，論述了三種形式的vsg實現方法，并對各種方法的工作原理和實現方法進行了分析，對各自的優缺點進行了對比;變壓器形式vsg具有結構簡單、可靠性高和成本較低的優勢，目前使用較多，電力電子變換形式的vsg因其體積小、便于攜帶和強大的功能。

　　5.2 在產品中的應用

　　目前國外生產直驅風電變流器產品的幾大廠家如enercon、ge、abb、siemens等，為適應新的電網規則對lvrt和無功支持的要求，都已將這些功能集成到其產品中。enercon風電機組當電網出現問題時，可以保持并網，如果需要，當故障出現時風電機組還能通過輸送無功功率，實現支持電網電壓，在故障被修復、電網電壓已經恢復后，風電機組立刻恢復供電;文獻[16]提供了enercon直驅同步電機系統-e66的仿真和測試結果，傳遞到電網的短路電流值只取決于變流器系統的功率等級并且可以控制，提供了電網短路期間系統輸出的有功功率曲線;風電機組在故障期間提供減少的功率輸出，在故障消除后，立刻傳送額定功率，剩余的發電機功率不能被傳送到電網側，由于故障及隨之的電壓跌落，被轉化為附加電阻上的熱能，因此，故障對發電機機械力矩的影響被降到最低。

　　ge風電的低電壓穿越技術能使風電機組在主要的電網故障發生時保持并網并向電網輸送無功功率，使風電機組能夠滿足和火力發電類似的傳輸可靠性標準。通過提高發電機組和控制設計，lvrt技術能使風電機組在出現嚴重電網擾動時可以不間斷運行;windvar技術通過保持系統穩定性，在電網需要時快速向電網提供無功，減少電壓崩潰的危險，降低電網解列的影響，lvrt和windvar功能可以較好地提高風電機組運行的可靠性，確保風電作為一個“好鄰居”加入電網。abb目前用于直驅風電系統的變流器，功率最大的為multibrid m5000，是使用背靠背結構的全功率變流器，額定輸出功率為5.5mva，具有以下幾個特別的控制特征：對電網故障的“穿越功能”，無功控制能力，網側的“statcom功能”，持續和動態電壓控制;電機側變流器使用直接轉矩控制，具有快速控制、魯棒性、高可用性、高品質等優點。

　　6 結束語

　　本文從比較大的方面介紹了風力發電的相關技術，包括風力發電機型、發電機類型、風電變流器、風電低電壓穿越與無功支持等。風力發電技術涉及機械制造、自動控制、電力電子、電力系統等多個學科，從控制角度講包括風電機組控制如變槳控制、發電機控制及其優化、變流器控制、并網控制以及各部分之間的協調控制等，目前我國在風電產品、產業或科研探索等都方面都有較大投入，這些都將促進我國風電事業的快速發展。