1.4.3 变换器

传统的变换器（变频器），也称可调速驱动，在风力发电系统中称为功率变换器，它由以下几部分组成。

（1）将交流电转换成直流电的整流器（交流-直流转换单元），使能量流向直流侧；

（2）能量储存器（电容器）；

（3）将直流电变换成交流电的逆变器（直流-交流转换单元），使能量流向交流侧。

二极管只工作在整流模式，而电子开关既可以工作在整流模式，也可以工作在逆变模式。最常用的整流器是二极管整流器，因为它结构简单、成本低，损耗也低。由于它是非线性器件，因此会产生谐波电流。另外，它只允许功率单向流动，不能控制发电机的电压和电流。

基于晶闸管的逆变器方案是使用一种便宜、低损耗的逆变器，它需要连接到电网上才能运行。遗憾的是，它消耗无功并产生大量谐波。对电能质量要求的不断提高使晶闸管逆变器不如自换向逆变器（如GTO逆变器和IGBT逆变器）有吸引力。GTO逆变器的优点是比IGBT处理的功率更大，但由于IGBT的发展很快，GTO的这个特点已经变得不那么重要了。GTO逆变器的缺点是GTO阀门的电流控制比较复杂。

发电机和整流器必须作为一个整体来选择，而逆变器的选择几乎与发电机和整流器的选择无关。二极管整流器或晶闸管整流器只能和同步发电机一起使用，因为它不需要无功励磁电流。与此相反，GTO和IGBT整流器必须和调速感应发电机一起使用，因为它们能够对无功功率进行控制。虽然IGBT是一个很有吸引力的选择，但它有价格高、损耗大的缺点。例如，同步发电机和二极管整流器的组合与对应的感应发电机和IGBT逆变器或整流器的组合相比，总成本要低得多。

功率变换器在风轮中的应用使电网操作人员能够更好地控制大型现代风轮和风电场。这表现在：①有功功率和无功功率可控（频率和电压控制）；②对电力系统动态变化有快速响应；③影响电网稳定性；④提高电能质量（减少闪烁、低次谐波过滤，以及限制涌入电流和短路电流）。

将一个整流器和一个逆变器组合成一个变换器的方法有许多。最近几年，人们对不同的变换器拓扑结构是否能应用在风力发电系统中进行了许多研究，提出了背靠背式、多电平（Multilevel）式、一前一后式、矩阵式和谐振式变换器。

目前，可供选择的变换器有两电平电压型双PWM变换器，交-直-交电压源、电流源并联混合型变换器，晶闸管相控交-交变换器，矩阵式变换器，多电平变换器，普通钳位谐振软开关变换器（Natural Clamped Converter，NCC）。

很显然，背靠背式变换器最适合于目前的风力发电系统应用。它代表了目前风力发电的科技水平，因此被用作衡量其他变换器拓扑的标准。L.H.Hansen等人的分析表明，矩阵和多级变换器是背靠背式变换器最强有力的竞争者。

背靠背式变换器是一个双向功率变换器，它由两个传统的脉冲调制（PWM）电压源变换器（VSC）组成。为了对网侧电流进行很好的控制，将直流环节电压升高到大于网侧线-线电压的幅值。升压感抗的存在降低了对输入端谐波滤波器的要求，为变换器提供了一些电网非正常情况下的保护。

逆变器和整流器之间的电容器可以对两个变换器的控制进行解耦，以补偿发电机侧和网侧的不对称，而变换器之间没有相互影响。对网侧变换器功率进行控制，可确保直流环电压恒定；对发电机侧变换器进行控制，可满足励磁要求和所需的转子转速。

背靠背式变换器有直流环电容器，这与没有直流环电容器的变换器（如矩阵式变换器）相比，使系统寿命缩短、效率降低。然而，矩阵式变换器在故障状态下的保护不及背靠背式变换器。另外，背靠背式变换器的开关损耗比矩阵式变换器的开关损耗大。与背靠背式变换器相比，矩阵式变换器的缺点是导通损耗较大。与有恒定直流环电压和两个输出级的变换器相比，矩阵式变换器的输出谐波含量要低些，因为矩阵式变换器的输出电压由三个电压等级组成。考虑谐波性能时，多级变换器优于对输入滤波器要求低的变换器。

综上所述，背靠背式、多电平（multilevel）式、矩阵式变换器是值得在不同的风力发电机组拓扑中进一步研究的变换器。