4.1 双PWM变换器的性能要求及特点

1．双PWM变换器的性能要求

在交流励磁变速恒频风力发电系统中，发电机对励磁变换器的要求如下。

（1）作为风力发电机转子励磁电源的变换器，必须具有能量双向流动的能力。

（2）风力发电系统在无功功率方面对变换器有一定要求。一是不希望变换器从电网吸收无功功率；二是为建立额定气隙磁通，绕线电机转子需要吸收一定的无功功率，尤其当绕线电机向负载输出感性无功功率时，转子需要的无功功率更大。这都需要变换器具备提供一定容量无功功率的能力。

（3）从绕线电机的运行原理可知，由于采用了电力电子装置励磁，器件开关动作所形成的发电机侧谐波可以通过定、转子的耦合在定子侧放大，影响绕线电机输出电能的质量。为改善风力发电系统输出电能质量，主要途径就是优化变换器输出性能，消除励磁电压中的谐波成分。

交流励磁用双PWM变频器主电路如图4-1所示，图中ua、ub、uc为三相电网电压，e2a、e2b、e2c为转子三相绕组的反电势；L、R分别为交流进线电感和等效电阻，L2σ、R2分别为转子一相绕组的漏感和电阻；C为滤波稳压电容；udc、idc分别为电容电压和电容电流；id和iload分别是流经网侧变换器和发电机侧变换器直流母线的电流。

图4-1 双PWM变频器主电路结构图

由图4-1可见，变换器的两个PWM主电路结构完全相同，在转子不同的能量流向状态下，交替实现整流和逆变的功能，因而在分析中分网侧变换器和发电机侧变换器两个控制部分。双PWM变频器是利用滤波稳压电容电压udc作为控制信号。对于交流励磁发电机，当其运行于亚同步时，转子绕组吸收滑差功率，此时转子侧电压有低于给定电压的趋势，网侧变换器工作于整流状态；当发电机运行于超同步状态时，滑差功率由转子绕组流向电网，该能量有使转子侧电压高于给定电压的趋势，发电机侧变换器变工作于逆变状态。

2．双PWM型变换器的特点

由于双PWM型变换器具有以下特点，故能较好地满足交流励磁变速恒频风力发电系统对励磁电源的要求。

（1）双PWM型变换器由网侧和发电机侧两个PWM变换器组成，各自功能相对独立。网侧变换器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，确保发电机侧乃至整个系统可靠工作。发电机侧变换器的主要功能是在转子侧实现绕线电机的矢量控制，确保发电机输出解耦的有功功率和无功功率。两个变换器通过相对独立的控制系统完成各自的功能，如图4-2所示。

图4-2 双PWM型变换器的控制方法

（2）双PWM型变换器的两个变换器的运行状态可控，均可以在整流/逆变（或逆变/整流）状态间实现可逆运行，以实现变换器能量的双向流动。当发电机处于亚同步运行时，网侧变换器运行在整流状态，发电机侧变换器运行在逆变状态，能量从电网侧流向电机转子；当发电机处于超同步运行时，网侧变换器运行在逆变状态，发电机侧变换器运行在整流状态，能量从电机转子侧流向电网。

（3）双PWM型变换器具有较强的无功功率控制能力。

（4）双PWM型变换器采用高频自关断器件和空间矢量（SVPWM）调制方法，消除了低次谐波，输入输出特性好。