转子励磁变换器主电路拓扑结构分析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：双馈发电机转子交流励磁变换器主电路拓扑结构必须保证双馈发电机在转速运行范围内，转差功率可双向流动。目前广泛应用的DFIG转子励磁变换器有如下几种：1.交-交变换器这是一种由反并联的晶闸管相控整流电路构成的交-交直接变换式的变换器。图中靠近DFIG转子的变换器称为转子侧变换器，靠近电网的变换器称为网侧变换器。

双馈发电机转子交流励磁变换器主电路拓扑结构必须保证双馈发电机在转速运行范围内，转差功率可双向流动。同时交流励磁变速恒频风力发电系统要求励磁变换器应是一种“绿色”变换器：谐波污染小，输入、输出特性好，甚至还要具备在不吸收电网无功功率的情况下产生无功功率的能力。

目前广泛应用的DFIG转子励磁变换器有如下几种：

1.交-交变换器

这是一种由反并联的晶闸管相控整流电路构成的交-交直接变换式的变换器。改变两组整流器的切换频率，就可以改变输出频率，改变晶闸管的触发延迟角，就可以改变输出交流电压的幅值。这种变换器的输出电压是由若干段电网电压拼接而成，因而含有大量的低次谐波，其输入、输出特性一般不理想，但功率可双向流动。通常由36管6脉波三相桥式电路构成的交-交变换器输入功率因数低，输出电压中低次谐波含量大，对发电机和电网均造成严重的谐波污染和负面效应；采用72管结构的12脉波变换器虽然降低了谐波含量，但结构和控制复杂，不适合用作DFIG的励磁电源，因此不宜在双馈式风力发电系统中作转子励磁变换器应用。

2.矩阵式交-交变换器

矩阵式变换器自1976年被提出以来，欧美和日本的许多大学和公司对其进行了大量深入的研究。矩阵式交-交变换器是一种交-交直接变换电路，所用的开关器件为全控型，主电路拓扑结构简单，可在功率因数接近于1的工况下运行，能量也可以双向流动，但目前无商品化大功率双向开关器件。日本富士电机公司在2003年开发出了适用于矩阵式变换器的逆阻式IGBT（Reverse Blocking IGBT，RB-IGBT）模块；日本安川电机公司于2004年研制成功22kW矩阵式变换器产品样机；英国Nottingham大学也于2004年成功开发了一台用于军用装甲车传动的150kW矩阵式变换器-异步电机调速系统。理论上讲，采用矢量控制的矩阵式交-交变换器是一种输入、输出特性好，无电力谐波，无需电容等无源器件，用作风力发电系统励磁电源时，功率可双向流动，是一种绿色变换器，是兆瓦级变速恒频风力发电未来的最优化选择之一，但这方面还缺乏深入的理论研究和大功率工程应用，其故障保护也存在问题，离兆瓦级大功率实用化尚有一定距离。

3.双PWM变换器

通用变频器采用二极管整流-IGBT逆变的电路拓扑方案，可以使输出电压正弦化，改善了输出特性，但这种变流方式不具备能量双向流动的能力，不能用作风力发电系统中DFIG的励磁电源。

随着PWM技术和高速自关断型功率器件的发展，PWM变换器已不是一般传统意义上的AC/DC变换器，当PWM变换器从电网吸收电能时，它运行于整流工作状态；当PWM变换器向电网输出电能时，它运行于有源逆变工作状态。PWM变换器实际上是一个交、直流侧均可控的四象限运行变换器，既可工作于整流状态，又可工作于逆变状态，其网侧电流和功率因数都是可控的，其更科学的称谓为PWM变换器。采用两个背靠背（Back-to-Back）的PWM变换器组成的双PWM型变换器可作为DFIG转子交流励磁变换器，在变速恒频风力发电系统中的应用原理如图1-6所示。图中靠近DFIG转子的变换器称为转子侧变换器，靠近电网的变换器称为网侧变换器。

图1-6 双PWM变换器主电路结构图

通过调节网侧变换器输出交流电压的幅值和相位，就能控制电感电流与电网电压的相位角，从而使该变换器运行于几个不同的工作状态：

1）单位功率因数整流运行：此时电源电流的基波具有完全正弦的波形并与电源电压保持同相位，能量完全由电源侧流入变换器，从电网吸收的无功功率为零。

2）单位功率因数逆变运行：此时电源电流的基波保持正弦并与电源电压反相，能量完全由直流侧流向电源，且电网和变换器之间没有无功功率的流动。

3）非单位功率因数运行状态：此时电源电流的基波与电源电压具有一定的相位关系。当控制电源电流为正弦波形，且与电源电压具有90°的相位差时，变换器可作为静止同步补偿器（STATCOM）运行。另外，在变换器非单位功率因数运行时，也可控制其电源电流为所需的波形和相位，即可作并联型电能质量控制器（SPQC）运行，可实现电能质量和功率因数控制，使传统的网侧变换器同时实现风电并网、谐波抑制和无功功率补偿的功能，即实现柔性并网运行和无功补偿一体化功能。

其中单位功率因数整流和逆变运行是变速恒频发电系统中网侧变换器的两个典型运行状态，由于功率因数为1，所以减小了谐波以及谐波对电网的危害，这一点正是双PWM变换器较其他变换器所具有的独特的优点，使得它目前成为变速恒换发电系统中的主流励磁变换器。

4.多电平PWM变换器

随着风电机组装机容量的进一步增大，对大容量、高品质励磁电源有了新的需求，两电平双PWM变换器由于容量和输出电平数的限制作为交流励磁电源将显露出一定不足之处。在当前的电力电子器件制造水平条件下，变换器采用多电平方式可以获得更多级输出电压，波形更接近正弦，谐波含量更少，电压变化率更小，可获得更大的输出容量。采用飞跨电容型拓扑结构的多电平变换器由于电容实际数值的容差，使上、下桥臂元器件的死区时间不准确，再加上负载不平衡等诸多因素，该变换器普遍存在电容电压不均衡问题；采用二极管钳位型拓扑结构时，其分压电容也存在电压均衡问题；级联式多电平拓扑结构不存在电容电压均衡问题，不需要钳位二极管和电容，适合于调速控制，但是需要多套独立直流电源，直流电源电路复杂。这些缺点都制约了多电平变换器目前在大型风力发电领域的广泛应用。尽管如此，ABB公司已开发出采用中点钳位（NPC）三电平变频结构、器件采用IGCT的三电平全功率变换器产品，随着海上风力发电的迅猛发展，多电平变换器在风力发电中的商业化应用必将获得进一步推广。

转子励磁变换器主电路拓扑结构分析

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