2.3.1全功率变流器拓扑结构

　　在全功率变流控制系统中，风电系统变流器常用电机侧不控整流(被动整流)、网侧变流器为PWM控制整流(主动整流)及电机侧和网侧均为PWM控制整流的两种拓扑结构。这二者网侧变流器拓扑结构相同，电机侧变流器拓扑结构不同。在不控整流电路中，为了满足网侧变流器输入电压的要求，需要加入升压斩波;为提高机组容量，变流器采用多重并联结构。两种拓扑在控制性能、系统可靠性等方面各有长短，目前二者在直驱式风电机组中均有应用。两种拓扑的网侧和电机侧变流器国内外研究现状如下。

　　2.3.2网侧变流器研究

　　三相电压型PWM整流器允许能量双向流动、网侧电流谐波小、并网功率因数可控，近年来已经被广泛应用于电机驱动和并网发电等场合，它的设计方法、数学模型和控制策略是该领域的研究热点。

　　网侧变流器控制策略有间接电流控制和直接电流控制两种。间接电流控制实际控制交流侧输出电压幅值和相位，不做电流反馈，电流动态响应慢、对系统参数敏感，已逐步被直接电流控制取代。

　　直接电流控制具有电流响应快，系统鲁棒性高，研究和应用广泛。直接电流控制方式有线性控制和非线性控制两类。线性控制包括PI调节控制、状态反馈控制、预测电流控制等。非线性控制包括滞环电流控制、模糊控制、神经网络控制等。其中，基于坐标变换的PI调节控制应用最为广泛。

　　三相电压型PWM整流器网侧电流谐波小，并网功率因数可控。该特性与网侧滤波电感密切相关，因此，网侧电感的设计与优化也是其研究重点。随着变流器功率等级的提高，一阶电感滤波有开关频率低、滤波电感值大、网侧电流变化率下降、系统动态响应性能低、系统体积大、成本高等问题。采用LCL滤波取代L滤波，能够使滤波电感量小于L滤波器，起到降低装置成本的效果，还可提高网侧电流谐波的抑制效果。

　　风电机组中还需要研究变流器的并联运行问题。并联运行能够增大机组容量，提高系统工作的可靠性。并联运行的方法多样，可采用如交流侧隔离或直流侧隔离并联运行控制、基于均流电抗并联运行控制等。在研究并联变流器的同步控制时，通过对并联单元采用相同开关信号避免环流产生。或采用环流闭环控制策略，能够有效抑制环流，改善系统的运行性能。

　　此外，网侧变流器控制还需要考虑在电网电压不平衡情况下的运行控制策略。电网电压不平衡时，电网电压中负序分量将引起变流器的运行性能下降。为此，需要研究不平衡工况下的控制策略以改进变流器的运行性能，如双电流闭环控制、非线性控制、输入输出谐波消除控制和最小拍控制等。

　　2.3.3电机侧变流器技术

　　针对电机侧变流器采用被动式整流拓扑时，研究工作主要集中在升压斩波器的设计与控制上。因网侧变流器能够控制中间直流电压，升压斩波器一般采用电流控制模式，基本控制策略包括峰值电流控制和平均电流控制两类。在兆瓦级风电机组中，为增加机组输出功率，减小输出电流纹波，升压斩波器常采用多重交错并联结构。

　　对主动整流拓扑，研究工作集中在永磁同步电机建模与控制。研究永磁同步电机矢量控制(VC)和直接转矩控制 (DTC)，关注电机运行性能的改善。为提高风电机组的可靠性，风电机组倾向于采用无速度传感方案，因此，无速度传感控制是其研究热点。

　　为提高风能利用率，广泛研究风能最大功率的跟踪控制策略。基本控制原理可分为叶尖速比法、功率信号反馈法和爬山法。其中，叶尖速比法需要同时检测风速和发电机转速，通过控制，使叶尖速比维持最优值。功率信号反馈法基于风机最大功率曲线控制，使机组在不同转速下输出功率跟随指令值。爬山法通过不断改变功率指令使机组输出功率逐步逼近最大值。

　　3、结语

　　纵观风力发电系统的研究状况，变速风力发电方式中，双馈型异步风电机组具有结构简单、变换器功率小的特点，但它依赖于电网的无功励磁运行，发电机的效率不高，电机控制较复杂，需要配置升速齿轮箱，噪音大，效率低，对环境的要求高，维护工作量大，适应风速范围窄，目前主要因为其变换器的功率小，在特大型风电机组中仍有采用。永磁同步风电机组的拓扑结构简单，风力机和永磁同步电机直接耦合，没有电刷和升速齿轮箱，系统的可靠性高，无需励磁控制，运行速度范围宽，电机的功率密度高，配以适当的变浆距方式，可以实现宽风速范围内追踪最大风能的控制，高效利用风能。因此，随着时间的推移和技术的更新，中大功率风力发电系统将逐步被直驱式风力发电机组所取代。

　　对于直驱式风力发电系统，由于风力机与多级永磁同步电机直接相连，机械传动效率及系统可靠性高，其变流机组为电机侧被动整流、网侧主动整流及电机侧和网侧均为主动整流的两种拓扑结构，随着技术的进步及电力电子器件成本的降低，双主动整流凭借其优越的动态性能将会得到广泛应用。

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