风力发电系统常用拓扑与方案

    由发电机和电力电子器件构成的广泛应用的七种风力发电系统结构如图7-1所示。表7-1中列出对应这七种结构图应用的功率控制思想。下面对图7-1中的风力发电系统结构加以说明。    图7-1(a)是20世纪80年代到90年代被很多风机制造商应用的比较传统的结构。如常用的笼型转子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80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启动器。
    图7-1    广泛应用的风力发电系统结构图    图7-1(b)是用运行于“全程范围”或“低风速区域”的变换器代替了图7-1 (a)中的电容器组和电机软启动器。运行于“低风速区域”的变换器的功率仅为发电机额定功率的20%～30%，而运行于“全程范围”的变换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7-1(c)是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，从而使转差率有10%的变化范围，通过控制转差率控制系统的输出功率。    图7-1(d)结构使用了双馈型异步发电机，用变频器控制转子绕组的电流。变频器功率仅为发电机额定功率的20%～30%就可控制发电机的全功率输出。这种结构比图(c)的结构有更宽的调速范围，变换器所需功率较小，经济性好。    图7-1(e)为全功率控制结构，其典型应用是作为船舶电源。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(一般小于1kW)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。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人电网。    图7-1(f)结构的风力机应用不广，它通过整流器从电机外部励磁。与前几种结构相比，这种结构缺乏吸引力是因为：①需要励磁电路；②需要滑环；③风力机需要更加复杂的保护策略。    图7-1(g)结构风力机也不被看好。与前几种结构相比，如果接于电网的电力变换器是四象限变频器，那么这种结构就可以实现变速恒频。    图7-1(h)与图(g)结构相同，也使用多极的绕线式异步发电机。但由于它使用的是多极发电机，所以它不需要齿轮箱。    表7-1    对应图7-1中结构在风力发电中普遍应用的功率控制思想
图号  功率变换器  多极或齿轮箱     功率控制特点  自动失速或失速     注释  单速或双速  (a)  软启动器  齿轮箱 调节 电机 (b) 变频器 齿轮箱 自动失速或失速 调节  变速  (c)  电力电子变换 器或无源器件  齿轮箱  变桨距  有限的变速  双馈发电机  (d)  变频器  齿轮箱  变桨距 变速     (e)     变频器     多极     自动失速、失速调节 或变桨距  变速  (f)  整流器  齿轮箱  自动失速或变桨距  变速  (g)  整流器和变 频器  齿轮箱  变桨距  带齿轮箱变速  (h)  整流器和变 频器  多极  变桨距  无齿轮箱变速     目前，由整流器和逆变器组成变换器的控制方法有很多。表7-2列出应用于风力机速度调节的五种典型电气拓扑的发展现状。    表7-2    变频器的五种典型电气拓扑结构及技术现状 变换器类型     特征类型  控制技术  应用结构标号     （见图7-1）     注释 背靠背式  电压源逆变器     PWM     (b)，(d)，(e)， (f)，(g)，(h)  成熟技术 串联式  电流源变换器+ 电压源逆变器 六阶梯+PWM     (b)，(d)，(e)， (g)，(h)  未验证技术 矩阵式  电压源逆变器     PWM     (b)，(d)，(e)， (f)，(g)，(h)  未验证技术 多电平式  电压源逆变器     PWM     (b)，(d)，(e)， (f)，(g)，(h)  成熟技术 谐振式  电压源逆变器     PWM     (b)，(c)，(d)， (e)，(f)，(g)，(h) 未验证技术