1.4.3 變換器

傳統的變換器（變頻器），也稱可調速驅動，在風力發電系統中稱為功率變換器，它由以下幾部分組成。

（1）將交流電轉換成直流電的整流器（交流-直流轉換單元），使能量流向直流側；

（2）能量儲存器（電容器）；

（3）將直流電變換成交流電的逆變器（直流-交流轉換單元），使能量流向交流側。

二極管只工作在整流模式，而電子開關既可以工作在整流模式，也可以工作在逆變模式。最常用的整流器是二極管整流器，因為它結構簡單、成本低，損耗也低。由于它是非線性器件，因此會產生諧波電流。另外，它只允許功率單向流動，不能控制發電機的電壓和電流。

基于晶閘管的逆變器方案是使用一種便宜、低損耗的逆變器，它需要連接到電網上才能運行。遺憾的是，它消耗無功并產生大量諧波。對電能質量要求的不斷提高使晶閘管逆變器不如自換向逆變器（如GTO逆變器和IGBT逆變器）有吸引力。GTO逆變器的優點是比IGBT處理的功率更大，但由于IGBT的發展很快，GTO的這個特點已經變得不那么重要了。GTO逆變器的缺點是GTO閥門的電流控制比較復雜。

發電機和整流器必須作為一個整體來選擇，而逆變器的選擇幾乎與發電機和整流器的選擇無關。二極管整流器或晶閘管整流器只能和同步發電機一起使用，因為它不需要無功勵磁電流。與此相反，GTO和IGBT整流器必須和調速感應發電機一起使用，因為它們能夠對無功功率進行控制。雖然IGBT是一個很有吸引力的選擇，但它有價格高、損耗大的缺點。例如，同步發電機和二極管整流器的組合與對應的感應發電機和IGBT逆變器或整流器的組合相比，總成本要低得多。

功率變換器在風輪中的應用使電網操作人員能夠更好地控制大型現代風輪和風電場。這表現在：①有功功率和無功功率可控（頻率和電壓控制）；②對電力系統動態變化有快速響應；③影響電網穩定性；④提高電能質量（減少閃爍、低次諧波過濾，以及限制涌入電流和短路電流）。

將一個整流器和一個逆變器組合成一個變換器的方法有許多。最近幾年，人們對不同的變換器拓撲結構是否能應用在風力發電系統中進行了許多研究，提出了背靠背式、多電平（Multilevel）式、一前一后式、矩陣式和諧振式變換器。

目前，可供選擇的變換器有兩電平電壓型雙PWM變換器，交-直-交電壓源、電流源并聯混合型變換器，晶閘管相控交-交變換器，矩陣式變換器，多電平變換器，普通鉗位諧振軟開關變換器（Natural Clamped Converter，NCC）。

很顯然，背靠背式變換器最適合于目前的風力發電系統應用。它代表了目前風力發電的科技水平，因此被用作衡量其他變換器拓撲的標準。L.H.Hansen等人的分析表明，矩陣和多級變換器是背靠背式變換器最強有力的競爭者。

背靠背式變換器是一個雙向功率變換器，它由兩個傳統的脈沖調制（PWM）電壓源變換器（VSC）組成。為了對網側電流進行很好的控制，將直流環節電壓升高到大于網側線-線電壓的幅值。升壓感抗的存在降低了對輸入端諧波濾波器的要求，為變換器提供了一些電網非正常情況下的保護。

逆變器和整流器之間的電容器可以對兩個變換器的控制進行解耦，以補償發電機側和網側的不對稱，而變換器之間沒有相互影響。對網側變換器功率進行控制，可確保直流環電壓恒定；對發電機側變換器進行控制，可滿足勵磁要求和所需的轉子轉速。

背靠背式變換器有直流環電容器，這與沒有直流環電容器的變換器（如矩陣式變換器）相比，使系統壽命縮短、效率降低。然而，矩陣式變換器在故障狀態下的保護不及背靠背式變換器。另外，背靠背式變換器的開關損耗比矩陣式變換器的開關損耗大。與背靠背式變換器相比，矩陣式變換器的缺點是導通損耗較大。與有恒定直流環電壓和兩個輸出級的變換器相比，矩陣式變換器的輸出諧波含量要低些，因為矩陣式變換器的輸出電壓由三個電壓等級組成。考慮諧波性能時，多級變換器優于對輸入濾波器要求低的變換器。

綜上所述，背靠背式、多電平（multilevel）式、矩陣式變換器是值得在不同的風力發電機組拓撲中進一步研究的變換器。