风力发电机组控制
第七章 变流系统
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变流系统
随着风力发电机组单机容量的不断增大，其核心部件——变流器的功
率等级也在不断增大。目前，风电场两大主流机型：双馈异步风力发电机
组配备的是部分功率变流器，直驱永磁同步风力发电机组配备的是全功率
变流器。变流系统的出现为风力发电提供了新的契机，一方面提高了风能
的利用率，另一方面也明显改善了并网电能的质量。
变流器是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化
的电气设备。变流器一般是电力电子元件实现的，作用是实现功率的传递。
电力电子器件就是实现电源变换与控制的基础器件。
正弦脉宽调制技术
正弦脉宽调制的基本原理是将参考波形与输出调制波形进行比较，
并根据两者比较结果确定逆变桥臂的开关状态。采用SPWM整流器作
为AC-DC变换的SPWM逆变器，就是所谓的双SPWM变流器。它具有
输入电压、电流频率固定，波形均为正弦波，功率因数接近1，输出
电压、电流频率可变，电流波形也为正弦波的特点。这种变流器可
实现四象限运行，从而达到能力双向流动。
变流系统
DFIG转子励磁电源的要求
工作状态可逆，能量可以双向流动
输入、输出特性优良，对电网的造成的谐波污染小
在不降低电网功率因数条件下，具备一定的产生无功功率的能力
DFIG转子励磁电源的要求
双PWM变换器原理
双PWM型变流器由网侧和机侧两个PWM变流器组成，各自功能
相对独立。
网侧变流器的主要功能是实现交流侧输入单位功率因数控制和在
各种状态下保持直流环节电压稳定，确保机侧变流器乃至整个DFIG
励磁系统可靠工作。
机侧变流器的主要功能是在转子侧实现DFIG的矢量变换控制，确
保DFIG输出解耦的有功功率和无功功率。
两个变流器通过相对独立的控制系统完成各自的功能，值得提
出的是，机侧变流器是通过DFIG定子磁链定向进行控制的，网侧变
流器则是通过电网电压定向进行控制的。
双PWM变换器原理
双PWM变流器的结构和特点
采用高频全控器件IGBT、SVPWM调制方式，消除了低次谐波
直流环节具有电容，具备产生一定无功功率的能力
双PWM变换器原理
由两个结构和功能相对独立的PWM变换器组成
双PWM变换器原理
两个PWM变换器运行状态可控，可实现可逆运行，能量可双向流
双PWM变换器原理
部分功率变流器
变流系统
网侧滤波电容组1C1和1C2
过压保护单元4U1控制器
过压保护4U1功率单元
电控系统供电总开关1F8
网侧断路器1Q1
网侧保护熔断器组1F1
电网接入铜排
接线端排
预充电变压器3T1
直流电源2G1
网侧1U1功率单元
网侧滤波电抗器1L1
变流器直流母线排
控制用中间继电器
预充电整流块3H1
水冷散热管路
风扇3M1和3M2
散热器
网侧1U1功率单元控制器
温度调节开关3S3
湿度调节开关3S2
变流器水冷温度传感器3B11
变流器湿度传感器3S5
变流器主水冷管路
网侧1U1功率单元控制面板
电机侧2U1功率单元控制面板
断路器2F1—2F3
电机侧3U1功率单元控制面板
断路器1F11—1F17
维护插座
变流器维护开关
2U1电机侧接线铜排 3U1电机侧接线铜排
电机侧2U1功率单元控制器
电机侧保护熔断器组2F1
变流器直流母线排
电机侧2U1功率单元
水冷散热管路
电机侧防雷保护2F11
3U1电机侧接线铜排
电机侧2U1功率单元
电机侧保护熔断器组2F2
功率单元控制线
当前工业上应用的直驱式永磁同步发电机组主要采
用全功率变流器，归纳起来主要有以下四种形式。
•机侧采用不可控整流，网侧采用PWM逆变；
•机侧采用不可控整流+boost升压，网侧采用PWM逆变；
•机侧采用相控整流，网侧采用PWM逆变；
•采用具备四象限运行能力的背靠背双PWM变流器控制的功
率变流器。
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变流系统
16机侧采用不可控整流，网侧采用PWM逆变
这种方式只有当发电机线电压的峰值高于直流母线电压时发电机
才能馈出电能，因此发电机运行电压需设计较高的输出电压，这对变
流器所使用的电力电子器件耐压提出很高的要求，导致系统成本大大
增加，降低了整机效率。由于采用二极管不可控整流，能量不能双向
流动；同步发电机不可控，最大功率跟踪不易实现。而且发电机定子
电流存在很大的低次谐波成分，发电机的铜耗和铁耗较大，降低了发
电机的效率。
变流系统
机侧采用不可控整流+boost升压，网侧采用PWM逆变
风速的变化导致直流侧电压的波动，这种电路结构的成本较低，
但是它不具备四象限运行的能力，且发电机侧由于不可控整流导致
谐波增大，影响电机运行和效率，因而在运行中受到很大的限制。
并且当系统功率较大时，大功率的boost升压电路设计困难。但是，
这种拓扑结构因为成本相对较低，在当前直驱式风力发电工程中应
用较多。
变流系统
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机侧采用相控整流，网侧采用PWM逆变
机侧采用相控整流的永磁直驱变流器如图所示，这种方式与前两种
方式相比，由于晶闸管的导通时间可以通过触发角控制，一定程度上
抑制了电流，防止直流母线过压，实现机侧可控，成本较低。但是机
侧低次谐波较大的缺点依然没有改善。因此实际系统中这种拓扑结构
也很少采用。
变流系统
采用具备四象限运行能力的背靠背双PWM变流器控制的功率变流器
背靠背双PWM变流器结构是目前直驱式风力发电机组中较为常见
的一种拓扑结构，定子绕组经过四象限变流器和电网相连。背靠背双
PWM变流器由机侧变流器和网侧变流器组成，可实现能量的双向流动，
机侧变流器可实现对永磁同步发电机的转速/转矩进行控制，网侧变流
器实现对直流母线进行稳压控制。
变流系统
全功率变流器
变流器水冷系统 水冷系统的散热风扇
变流系统
变流器风冷系统
变流系统
