摘 要： 針對直驅式風電系統變流器的拓撲結構進行研究。對常用的拓撲進行了分析和說明。對不控整流后接電流源型和電壓源型逆變器、DC/DC變換再接逆變器，以及背靠背雙PWM變換器等各種變流器結構的工作原理、應用和優缺點進行了介紹和對比，并針對風電機組對大功率變流器的需求，對大功率變流器的特性和應用進行了相關分析與探討。
關鍵詞： 永磁同步發電機；直驅式風電系統；變流器；拓撲結構
在變速恒頻風力發電系統中，使用雙饋感應發電機(DFIG)的雙饋式系統占據主流地位，而使用永磁同步發電機(PMSG)的直驅式系統也得到了越來越多的應用。與雙饋式相比，直驅式風電系統采用低速永磁同步發電機結構，系統無需齒輪箱，具有機械損耗小、運行效率高、維護成本低等優點，因此在風力發電領域中具有很好的應用前景[1]。其原理如圖1所示。
直驅式風電系統的風輪與PMSG直接相連，無需增速齒輪箱。其基本原理是先將風能轉化為幅值和頻率變化的交流電，再經整流之后變為直流，然后經逆變器變換為三相頻率恒定的交流電送入電網。通過中間的電力電子變換環節對系統的有功功率和無功功率進行控制，以達到最大風能追蹤的目的。
由于直驅式風電系統的功率是全功率傳輸，因此必須使用全功率變流器。全功率變流器作為永磁直驅風電系統與電網的接口，其結構的選擇對PMSG變速恒頻運行性能至關重要[2]。
1 不控整流后接逆變器拓撲分析
不控整流后既可以接電流源型逆變器又可以接電壓源型逆變器。圖2是不控整流接電流源型逆變器的結構圖。圖2(a)為由晶閘管構成的逆變器。早期的并網風機大都采用此種拓撲結構，晶閘管雖具有成本低、功率等級高等優點，但是晶閘管逆變器在工作時需要吸收無功功率，而且在電網側也會產生較大的諧波電流，因此需要增加補償系統來進行諧波抑制和無功補償。這使系統的控制變得復雜，而且會加大系統的成本。與圖2(a)相比較，圖2(b)所示逆變器容易實現自換流，能減小諧波分量，甚至可以省去補償系統。此種拓撲是由不控整流接全控型器件構成的逆變器結構。
不控整流后接電壓源型逆變器的拓撲結構如圖3所示。此種結構的特點是將變頻變幅的交流電通過不控整流之后得到的直流電，直接通過由全控型器件組成的電壓源型逆變器并入電網。與晶閘管變流器相比，此種拓撲優點是可以提高開關頻率，減少諧波污染，并且可以通過控制逆變器輸出調制電壓的幅值和相位，靈活調節系統輸出到電網的有功功率和無功功率，進而可以調節PMSG的轉速，使其工作在最佳葉尖速狀態，實現最大風能捕獲。缺點是不能直接調節PMSG的電磁轉矩，動態響應慢，并且當風速在較大范圍內變化時，電壓源型逆變器的調節作用很有限[3-6]。
在綜合比較成本、動態響應和效率等因素下可知，電壓源型PWM逆變器具有比較大的優勢，因此目前小型風電機組中大多采用圖3的拓撲結構。
2 不控整流后接DC/DC變換再接逆變器拓撲分析
此拓撲在結構上與以上拓撲的明顯區別是中間增加了一個DC/DC變換環節，作用是可以校正輸入側的功率因數，提高發電機的運行效率。通過調節DC/DC變換器可以保持直流側電壓的穩定，同時可以對永磁同步電機的轉矩和轉速進行控制，保持變速恒頻運行，實現最大風能捕獲[7-9]。圖4為不控整流接DC/DC變換再接逆變器的拓撲結構。
如果改變圖4中DC/DC變換器的結構，就可以得到不同的拓撲結構。參考文獻[10]中指出DC/DC變換器采用Buck電路，可以實現和Boost電路同樣的功能。參考文獻[11]指出DC/DC變換器采用Buck-Boost電路，可以實現升降壓的功能。在電壓范圍變換很大的情況下，可以考慮使用Buck-Boost電路。參考文獻[12]通過三重Boost電路交錯并聯構成直流變換器，用改變占空比的方法來調節直流側電壓。3個Boost電路交錯并聯，還可以減小諧波畸變。
可以看出，系統通過加入DC/DC變換環節，可使直流輸入電壓等級提高，系統控制簡單，控制方法靈活，開關器件利用率高。逆變器具有輸入電壓穩定、逆變效果好、諧波含量低、經濟性好等優點。在實際應用中，小功率和兆瓦級直驅風電系統大多采用此種拓撲。
3 背靠背雙PWM變流器拓撲分析
雙PWM變流器由電機側變流器和電網側變流器構成，其拓撲結構如圖5所示。
電機側變流器通過調節定子側的d軸和q軸電流，可以控制發電機的電磁轉矩和定子的無功功率，使發電機變速恒頻運行，可在額定風速以下捕獲最大風能；電網側變流器通過調節電網側的d軸和q軸電流，可以實現輸出有功和無功功率的解耦控制、直流側電壓控制以及輸出并網。此外，還能靈活實現發電機的起動和制動等功能。
不控整流+DC/DC變換+逆變器是三級變換，而雙PWM變流器是兩級變換，所以效率高，但全控型器件數量增多，控制電路較復雜，相應地成本較高。不控整流+DC/DC變換+逆變器拓撲，控制相對簡單，也容易實現，可靠性高，節約了系統成本。這兩種拓撲各有優缺點，是目前比較常用的拓撲。
4 大功率變流器拓撲分析
直驅型風力發電系統需要全功率變流器，傳統二電平拓撲結構在面對變流器電壓等級與容量不斷增大的需求時，不再滿足要求。因此人們往往將現有的功率器件串聯起來提高逆變器容量，目前在直驅型風力發電系統中常用的大功率變流器主要有直接串聯IGBT高壓變頻器、三電平背靠背二極管箝位式變頻器。
直接串聯IGBT高壓變頻器應用在直驅式風電系統中的拓撲電路如圖6所示。
逆變器的功率器件采用2個IGBT串聯構成，由PMSG產生的高壓交流電進入變流器，經過高壓二極管全橋整流以及平波電抗器和電容濾波，再通過逆變器逆變，經過濾波器后實現并網。
采用功率器件串并聯方式提高變流器的功率，雖具有拓撲結構簡單、功率器件個數少等優點，但器件串聯會帶來分壓不均問題，器件并聯會帶來器件的均流問題，因而對驅動電路的要求也大大提高。要求要盡量做到串聯器件同時導通和關斷，否則由于各器件開斷時間不一，承受電壓不均或分流不均，會導致器件損壞甚至整個變流器崩潰。
圖7是三電平背靠背二極管箝位式變頻器的拓撲結構。永磁直驅風電系統中使用的多電平變換器以三電平和五電平為主。三電平拓撲中的開關器件電壓應力僅為兩電平拓撲功率的1/2，濾波電感損耗比兩電平的小，這種形式不僅結構簡單，而且可以克服傳統兩電平變流器交流側波形畸變率高的缺點，還可以在采用同樣耐壓等級開關器件的情況下提高變流器的電壓等級，達到變流器高壓大功率傳輸的目的。
多電平變流器具有抑制諧波、提高功率因數、減小電壓應力、減小電磁擾動和波形畸變等優點。但也存在不足之處，如直流母線電容電壓不均衡，同一橋臂功率器件電流電壓應力不均衡，功率器件多、控制復雜等。因此，目前國內外對多電平變流器的研究主要集中在控制策略的優化上。
直驅式風電系統是全功率傳輸，研究其變流器的結構對提高系統運行效率和系統的穩定性具有重要意義。本文對適合于永磁直驅風電系統的多種變流器的拓撲結構進行了總結、分析和對比，并列出了各自的優缺點，分析和介紹了部分大功率變流器的原理和應用。本文還指出了目前在永磁直驅風電系統當中應用較多的變流器是不控整流后接DC/DC變換再加并網逆變器結構和背靠背雙PWM變流器。隨著風電機組容量的不斷增大，多電平大功率變流器將會在直驅式風電系統中得到廣泛應用和推廣。
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