浅议直驱式风力发电机的电能逆变装置

神华国华能源投资有限公司河北分公司 赵 冬

浅议直驱式风力发电机的电能逆变装置

神华国华能源投资有限公司河北分公司 赵 冬

本文对直驱式变频恒速发电机采用的电能变化装置进行了细致的研究，分析了电能变化装置主电路关键元件参数选择，通过对电能变化装置的研究能够提高系统运行的可靠性，克服功率变化大、电压调节范围窄的缺点，同时实现了系统功率因数的提高。

风力发电；逆变器；主电路；关键参数

0 引言

在风力发电系统中，恒定的直流环节电流要比恒定的直流环节电压难于获得，一方面电流源型逆变器的直流侧需要串联大电感，但该电感往往会导致系统动态响应差，直流环节电流的脉动也更为显著；另一方面应采用可控整流器以提供较稳定的直流电流输入，相应增加了系统成本。

本文主要研究对象为直驱式风力发电机的电能逆变装置。风力发电机发出的电能要想满足电力系统要求，实现为用户可靠供电的目标就必须提高所发出电能的电压、频率指标，采用直驱式风力发电机最大的缺点就是发出的电能电压值变化幅度大、功率变化范围大同时频率不稳定，这就必须在发电机的电能出口部位合理的设计一套电能转换装置，提高风力发电机发出电能的质量，增强电能的适应性同时解决低风速风能的利用问题。

1 风力发电电能变换系统介绍

在风力发电电能变换系统中，风力发电机发出的电能作为系统的输入，交流电通过三相不控整流器后转换成直流电；后续的Boost电路主要负责对直流电的输出电压进行调节，将电压调节到逆变电路输入规定范围以内，同时校正功率因数，实现功率因数的提高，Boost电路还能够抑制电压中的谐波分量。采用这种结构的电能转换系统，风机与发电机之间不通过增速齿轮箱而采取直接耦合的结构，当外部风速较低时，风机处于低转速运行状态，此时发电机输出电压较低，如果没有升压电路，则此时的电压值不能满足逆变电路对于输入电压的要求，从而影响到输出；加入直流升压电路之后，低风速运行时候发电机发出的交流电在经过整流电路后变为电压幅值较低的直流电，之后通过直流升压电路的升压从而得到满足逆变器输入端要求的高幅值直流电，从而有效克服风力发电机在外部低风速状态下运行时产生的电压和频率抖动问题，使得系统在低风速状态下输出的电能仍能满足质量要求。

2 逆变器主电路关键参数的选择方法

2.1 不可控整流模块的选择

2.1.1 整流二极管的选择

选择整流二极管需要校核的参数包括：(1)正向平均电流IF(AV)，它表示了二极管能够长期流过的最大工频半波电流的平均值，也可以称为额定电流参数，在进行正向平均电流参数选择时应根据有效值相同的原则，并留有一定的裕度； (2)正向导通电压降UF，它表明了流过正向稳态电流时，二极管自身产生的电压降低值；(3)反向重复峰值电压URRM，该参数表明了整流二极管能够承受重复施加的反向电压值的大小，通常选择此参数需按照整流二极管承受反向电压峰值的二倍；(4)浪涌电流IFSM，它表明了整流二极管可以承受的过电流能力。如果通过整流二级管的峰值电流为IM，则电流有效值可以通过以下公式计算，首先计算正向平均电流：

则通过二极管的电流有效值为：

按照上面计算公式，如果将Boost电路控制波形的占空比变化范围控制在50%～80%，则风力发电机输出的电压范围在40～150V，逆变器输入电压的最大值UIMAX=150V，整流二极管所耐受的反向电压最大值 ，整流二极管的额定电压可选择2URM,按照一定裕度的原则选取，可以选择URAM=500V。系统最大功率为2.5kW，则整流电路输出的直流电压为93.6V，电流为：

整流二极管中通过的电流有效值：

根据有效值计算额定电流：

按照两倍再保留裕度的原则选择二极管额定电流。最终两相指标可以确定整流二极管参数应选择额定电压为500V～600V,同时额定电流为20A的二极管。

2.1.2 整流输出电路中滤波电感、电容的选择

为了提高整流器输出电压质量，就需要再整流器之后增加LC滤波电路，在计算LC滤波器参数的之前，首先需要确定整理器输出电压的相关参数，包括谐波电压值，最低次谐波频率值以及负载允许承受的谐波电压值，最终推导出滤波器衰减参数，公式4-3给出了滤波器谐振频率的计算方法，在确定滤波器谐振频率之后，可以再计算出LC的乘积，然后对L和C的值进行平均分配，容抗值C选择过会导致整流二极管电流增加，而感抗值L过大会造成较大的系统压降，因此，应该避免以上两种情况发生。

2.2 Boost升压电路模块的选择

2.2.1 输入电感参数计算

Boost升压电路中输入电感的作用的储存和传递电能，同时限制高频纹波电流，因此，应该根据输入的高频纹波电流值来选择匹配输入电感值。Boost电路运行在临界状态时，负载电流：

当系统输出的功率为最大值时，可以计算Boost电路最大的输出电流：

可以使计算可知，处于临界状态时的电感值：

2.2.2 输出电容参数计算

进行输出电容参数选择的应该主要考虑的因素包括，开关频率的纹波电流、二次谐波电流、主流输出电压值、直流输出纹波电压和持续时间等因素，计算起来比较复杂，在工程实际中通过经验简化一般可以按照电压的纹波或者持续时间来进行电容值计算，具体由何种参数来确定主要根据电路运行的实际情况来确定，在本例中，主要考虑的电路的持续时间，因此，选择根据持续时间计算的方法，逆变器额定功率设计为2KW，持续时间 设为50ms，输出电压纹波通常按照直流输出电压的10%来计算。电容值的计算公式为：

2.2.3 开关管和输出二极管的选择

主电路开关管的选择主要是根据关断中承受的电压值和导通状态下承受的电流值选择；主电路开关管导通，二极管反向截止，此时流过开关管的电流就是电感电流，二极管承受的反向电压就是输出电压；主电路开关管关断，二极管正向导通，此时流过开关管的电流就是电感电流，但是开关管承受的电压为输入电压。

3 结论

本文主要研究小型直驱式风力发电系统逆变系统的相关知识，分析了电能逆变装置主电路中三相不控整流电路和Boost升压电路电路结构设计以及相关原件参数的选择方法，实现了对实际工作中风力发电组采用的电能变化装置相关理论知识的深入了解。

[1]刘明.直驱风力发电系统逆变装置的研究[D].大连理工大学,2006.

[2]李惟卫.永磁直驱式风力发电系统并网逆变器研究[D].哈尔滨工业大学,2010.

[3]黄建新.2兆瓦直驱型风力发电变流技术的研究[D].湖南大学,2008.

[4]陈志伟.直驱型风力发电系统电能逆变器的研究[D].哈尔滨工程大学,2011.