4.1 雙PWM變換器的性能要求及特點

1．雙PWM變換器的性能要求

在交流勵磁變速恒頻風力發電系統中，發電機對勵磁變換器的要求如下。

（1）作為風力發電機轉子勵磁電源的變換器，必須具有能量雙向流動的能力。

（2）風力發電系統在無功功率方面對變換器有一定要求。一是不希望變換器從電網吸收無功功率；二是為建立額定氣隙磁通，繞線電機轉子需要吸收一定的無功功率，尤其當繞線電機向負載輸出感性無功功率時，轉子需要的無功功率更大。這都需要變換器具備提供一定容量無功功率的能力。

（3）從繞線電機的運行原理可知，由于采用了電力電子裝置勵磁，器件開關動作所形成的發電機側諧波可以通過定、轉子的耦合在定子側放大，影響繞線電機輸出電能的質量。為改善風力發電系統輸出電能質量，主要途徑就是優化變換器輸出性能，消除勵磁電壓中的諧波成分。

交流勵磁用雙PWM變頻器主電路如圖4-1所示，圖中ua、ub、uc為三相電網電壓，e2a、e2b、e2c為轉子三相繞組的反電勢；L、R分別為交流進線電感和等效電阻，L2σ、R2分別為轉子一相繞組的漏感和電阻；C為濾波穩壓電容；udc、idc分別為電容電壓和電容電流；id和iload分別是流經網側變換器和發電機側變換器直流母線的電流。

由圖4-1可見，變換器的兩個PWM主電路結構完全相同，在轉子不同的能量流向狀態下，交替實現整流和逆變的功能，因而在分析中分網側變換器和發電機側變換器兩個控制部分。雙PWM變頻器是利用濾波穩壓電容電壓udc作為控制信號。對于交流勵磁發電機，當其運行于亞同步時，轉子繞組吸收滑差功率，此時轉子側電壓有低于給定電壓的趨勢，網側變換器工作于整流狀態；當發電機運行于超同步狀態時，滑差功率由轉子繞組流向電網，該能量有使轉子側電壓高于給定電壓的趨勢，發電機側變換器變工作于逆變狀態。

2．雙PWM型變換器的特點

由于雙PWM型變換器具有以下特點，故能較好地滿足交流勵磁變速恒頻風力發電系統對勵磁電源的要求。

（1）雙PWM型變換器由網側和發電機側兩個PWM變換器組成，各自功能相對獨立。網側變換器主要功能是實現交流側輸入單位功率因數控制和在各種狀態下保持直流環節電壓穩定，確保發電機側乃至整個系統可靠工作。發電機側變換器的主要功能是在轉子側實現繞線電機的矢量控制，確保發電機輸出解耦的有功功率和無功功率。兩個變換器通過相對獨立的控制系統完成各自的功能，如圖4-2所示。

（2）雙PWM型變換器的兩個變換器的運行狀態可控，均可以在整流/逆變（或逆變/整流）狀態間實現可逆運行，以實現變換器能量的雙向流動。當發電機處于亞同步運行時，網側變換器運行在整流狀態，發電機側變換器運行在逆變狀態，能量從電網側流向電機轉子；當發電機處于超同步運行時，網側變換器運行在逆變狀態，發電機側變換器運行在整流狀態，能量從電機轉子側流向電網。

（3）雙PWM型變換器具有較強的無功功率控制能力。

（4）雙PWM型變換器采用高頻自關斷器件和空間矢量（SVPWM）調制方法，消除了低次諧波，輸入輸出特性好。