第二节 电源变换基本拓扑结构

在风力发电系统中，所涉及的变流技术主要有整流技术、斩波技术和逆变技术。本节将分别加以介绍。

一、AC-DC变换电路

将交流电变换成直流电的过程称为AC-DC变换或整流。传统的整流电路是利用二极管或晶闸管的单向导电性，将交流电变换成直流电的电路，是电力电子技术最早推广应用的电路类型。实现整流的电力半导体器件，连同辅助元器件及控制系统称之为整流器或AC-DC变换器。现代整流器出现了采用PWM控制技术与全控型器件相结合的拓扑结构，具有AC-DC／DC-AC双向变换功能，整流电路通常是指实现电能转换的主电路拓扑，它的类型很多，按使用的器件类型可分为不控整流、相控整流和PWM斩波整流三类。

1.二极管整流器——不控整流

由于二极管是不可控器件，因此，整流电路的输出电压也是不可控的，其大小取决于输入电压和电路的形式，主要为需求固定直流电压的负载供电。图3-10所示为三相桥式二极管整流器。

图3-10 三相桥式二极管整流器

a）输出电压型 b）输出电流型

根据负载的不同性质，输出端采用的滤波电路不尽相同。要求电流稳定的负载一般只加电感滤波；要求电压稳定的负载，一般只加电容滤波；既要电压稳定，又要电流稳定的负载，需要同时用电感、电容组成的LC滤波电路。加电感滤波还可提高输入交流电源的功率因数，减小谐波。

2.晶闸管整流器——相控整流

由于晶闸管是半控器件，通过控制门极的触发角，就能控制晶闸管的导通时刻。达到控制（移相调节）输出直流电压的目的，同时将输入的交流电整流成可控的直流电，提供给要求电压连续可变的负载。图3-11所示为三相桥式晶闸管整流器。晶闸管整流器的拓扑与二极管整流器基本类似，只要将二极管整流器件用晶闸管代替，保留原电路二极管续流器件即可。但由于晶闸管的可控性，构成的桥式整流电路又可以分为半控桥和全控桥两类。此外，完整的晶闸管整流器还需要移相触发电路、控制电路、检测和保护电路。比二极管整流器具有更多的选择性和复杂性。工作于相位控制模式的晶闸管，产生的谐波对电网会造成二次污染，深度调压时功率因数低也是这种电路的主要缺点。

3.PWM整流器—斩波整流

随着电力电子设备的大量应用，谐波、低功率因数对公共电网的危害日益严重，为改善电网质量、提高电能利用效率，一种新的脉宽调制（PWM）型高频开关模式整流器（SMR）于20世纪90年代投入实际应用。PWM-SMR整流器网侧功率因数高、谐波分量低，可AC-DC／DC-AC双向变换，可利用一套电源进行正、反向整流、逆变的四象限运行；与传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流器相比，具有网侧电流畸变小，功率因数任意可控等优点。此外，SMR和传统相控整流器相比，体积、质量可以成倍减小，且动态响应快，是取代传统整流器的理想电源。

PWM-SMR整流器一般采用全控型电力电子开关器件（电力MOSFET、IGBT），用高频脉宽调制（PWM）信号驱动其导通或关断，所以从本质上讲属于PWM斩波整流器。PWM整流器的类型繁多，根据电路拓扑结构和外特性，PWM整流器可以分为电压型（升压型或Boost型）和电流型（降压型或Buck型）。升压电路的特点是输出的直流电压高于交流输入电源线电压峰值，这是其升压拓扑结构决定的，升压型整流器输出一般呈电压源特性。电流型或降压型整流器输出的直流电压总是低于交流输入电源的峰值电压，这也是由其电路拓扑结构决定的，降压型整流器输出一般呈电流源特性。按是否具有能量回馈功能，可将PWM整流器分为无能量回馈的整流器（PFC）和具有能量回馈的开关模式整流器（Reversible SMR）。无论哪一种PWM整流器，都基本上能达到功率因数为1，但不同的结构在谐波含量、控制的复杂性、动态性能、电路体积、质量、成本等方面有较大差别。

图3-11 三相桥式晶闸管整流器

a）输出电压型半控 b）输出电流型半控 c）输出电压型全控 d）输出电流型全控

能量可回馈型的PWM整流器均采用全控型半导体开关器件，它比PFC电路具有更快的动态响应速度和更好的输入电流波形。另外，它还可以把交流输入端的功率因数控制为任意值，实现交流直流侧的双向能量流动。在实际应用中，特别是中小功率领域，将二极管与自关断器件反并联，可组成一个双向导电的开关器件，在直流侧并联一个大电容构成电压型的PWM整流器，是能量可双向流动的高频PWM整流器的主流。

图3-12和图3-13分别是单相半桥和单相全桥［电压型（升压型）PWM］整流器，图3-14是三相电压型PWM整流器。除必须有网侧电感L外，PWM整流器的主电路拓扑结构和逆变器一样。稳态工作时，整流器输出直流电压不变，开关管按正弦规律做脉宽调制，整流器交流侧（网侧）的输入电压U_i从直流侧观察与逆变器的工作原理相同，可看作DC-AC逆变工作。由于电感的滤波作用，忽略整流器交流侧输出交流电压的谐波，变换器可以看作三相平衡的可控正弦波电压源。它与电网的正弦电压U_S共同作用于电感L，产生正弦输入电流（i_a、i_b、i_c）。适当控制整流器交流端电压U_i的幅值和相位，就可以获得所需大小和相位的输入电流i。

图3-12 单相半桥整流器

图3-13 单相全桥整流器

图3-14 三相电压型PWM整流器

图3-15所示为三相电流型（降压型）PWM整流器，由于网侧电感L很大，电流型整流器一般不用于单相。因为直流输出平波电抗器L_d的储能和滤波作用，其输出呈直流电流源特性。从交流侧看，电流型整流器可以看成是一个可控电流源。与电压型相比，电流型整流器具有独特的优点。首先，由于输出电感的存在，它没有桥臂直通和输出短路现象；其次，开关器件直接对直流电流做脉宽调制，所以其输入电流控制简单，理论上，即使电流开环也能得到比较好的输入电流波形和快速的电流响应。不过，电流型整流器通常要经LC滤波后，再与电网相接，且由于直流侧的平波电感和交流侧LC滤波器的存在，使电源的体积和质量显著增大。

图3-15 三相电流型PWM整流器

电流型PWM整流器应用不广泛的原因有两个：一是电流型整流器输出电感的体积、质量和损耗都比较大；二是常用的现代全控开关器件，如IGBT、MOSFET存在集成在器件内部的反并联二极管，使其成为反向自然导电的逆导型开关器件。在电流型变流器电路中，为防止电流反向流动，必须在外部串联一个反向隔离二极管，造成主电路结构复杂，且通态损耗加大，电流型PWM整流器通常只在大功率、采用GTO器件的应用场合使用，因为GTO本身具有单向导电特性，不必再串接隔离二极管，而电流型PWM整流器具有较高的可靠性，在大容量电源中采用有利电路的过电流保护。

从更广的角度看，无论是电流型还是电压型的PWM整流器，都属于能量可双向流动的AC-DC／DC-AC变换器，既可运行于整流状态，也可运行于逆变状态，整流器只是其功能之一。上述的主电路结构还可用于无功补偿器，有源电力滤波器，风力、太阳能并网发电，电力储能系统，有源电子负载等应用领域。

二、DC-DC变换电路

DC-DC变换器的功能是将一种直流电变换成另外一种固定或可调电压的直流电，又称为直流斩波器。按输入输出间是否有电气隔离，可分为不隔离式和隔离式直流变换器两种。不隔离式直流变换器按开关器件个数又可分为单管、双管和四管三类。常用的单开关器件直流变换器主要有六种：降压型变换器、升压型变换器、降升压型变换器和三种升降／降升压型变换器。双开关器件DC-DC变换器有两级串接升压型和半桥式（Busk－Boost）变换器。四管开关器件的变换器主要是全桥式DC-DC变换器。隔离式变换器也分为单开关管和双开关管两种，单开关管有单端正激式变换器和单端反激式变换器两种，双管有的双端正激、双端反激、推挽和半桥等四种。利用隔离变压器，有隔离的变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，采用变压器实现变压和隔离，有利于扩大变换器的电压应用范围，还可以实现多路输出。

表3-1列出了六种单管不隔离式DC-DC变换器的电路形式及电路特点。

表3-1 单管不隔离式DC-DC变换器的电路形式及电路特点

（续）

三、DC-AC变换电路

1.常用的DC-AC逆变器

将直流电变换为交流电的过程称为逆变换或DC-AC变换，实现逆变的主电路称为DC-AC变换电路。通常将DC-AC变换电路、控制电路、驱动及保护电路组成的DC-AC逆变电源称为逆变器。表3-2列出四种常用的DC-AC逆变器主电路的基本类型。

表3-2 常用DC-AC逆变器主电路的基本类型

2.DC-AC逆变器的分类

逆变器可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。

（1）电压型逆变器 电压型逆变器的直流输入端并接有大电容储能元件，逆变桥输出到负载两端的电压为方波，其幅值为电容电压。逆变桥的输出电流的大小和相位由负载决定，电流波形取决于负载的性质，电阻性负载的电流波形和电压波形是方波，电阻电感性负载的电流波形根据其阻抗角的大小在方波和三角波之间；纯电感负载的电流波形是三角波，且功率因数为零。对于电阻电感性负载，为了提高逆变器输出的功率因数，可外加补偿电容，形成RLC谐振负载，当逆变器的开关频率和谐振负载频率一致时，谐振负载等效为电阻R，而负载R上的电流和电压都是正弦波，相位差为零，这时，开关器件工作在零电流关断（ZCS）的软开关状态，逆变器输出的有功功率最大。RLC谐振负载有串联型和并联型，将R-L-C串联，可组成串联谐振逆变器，串联谐振逆变器采用电压型逆变器，由恒压源供电。

（2）电流型逆变器 电流型逆变器直流输入串接大电感储能元件，逆变器由电感稳流提供恒电流，逆变桥输出到负载的电流为方波，其幅值为电感电流。逆变桥输出的电压值由负载决定，电压波形取决于负载的性质，电阻性负载的电压波形和电流波形是方波，电阻电感性负载的电压波形根据其阻抗角的大小在方波和三角波之间；纯电感负载的电压波形是三角波，且功率因数为零。对于电阻电感性负载，为了提高逆变器输出的功率因数，可外加补偿电容，组成RLC并联谐振负载，这时，开关器件工作在零电压导通（ZVS）的软开关状态，当逆变器的开关频率和谐振负载频率一致时，谐振负载等效为电阻R₀＝L／RC，这时，逆变器输出的有功功率最大。并联谐振逆变器采用电流型逆变器，有恒流源供电。

逆变器还可以分为单相半桥逆变器、单相全桥逆变器和三相桥式逆变器等。

（1）单相半桥逆变器 单相半桥逆变器有两个桥臂，其中一个桥臂是由开关器件和反并联二极管组成的，另一个桥臂由两个参数相同的大容量电容组成，负载连接在两个桥臂的中点。单相半桥逆变器只能组成电压型逆变器，负载两端的电压和幅值是外加电源电压的一半，因此，负载上的最大功率只是全桥逆变器的1／4。

（2）单相全桥逆变器 单相全桥逆变器有两个桥臂，每个桥臂是由开关器件和反并联二极管组成的，负载连接在两个桥臂的中点。单相全桥逆变器既可以组成电压型逆变器，又可以组成电流型逆变器，组成电流型逆变器时，开关管上不能加反并联二极管，如果开关器件自身带有反并联二极管，则必须在每个开关管上串接二极管，防止在桥臂换流时引起内部环流。

（3）三相桥式逆变器 在三相逆变电路中，应用最广泛的是三相桥式逆变器，常用180°换流导电型。六个开关管的换相顺序为V₁-V₂-V₃-V₄-V₅-V₆，每个开关管的导通角度为180°。为防止同一桥臂上、下两个开关管同时导通造成的电源短路（又称直通），同桥臂上的两个开关管要先关后开，并留有安全裕量，称为死区时间。死区时间的长短根据开关器件的速度决定，单相桥逆变器也有死区时间。另外，还常有脉宽调制（PWM）和移相调功控制方式。

顺便指出，在电源变换中除了以上介绍的三种基本电源变换拓扑结构外，还有交流—交流（AC-AC）变换。但是，这种变换器功率因数较低，输出电压中低次谐波含量较大，结构和控制复杂。在风力发电机组中尚未应用，故这里不作介绍。