大功率直驱风电系统高效率变流器设计
一种永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器及控制方法[发明专利]
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专利名称：一种永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器及控制方法
专利类型：发明专利
发明人：原熙博,彭新,张永磊
申请号：CN202210348295.6
申请日：20220401
公开号：CN114614501A
公开日：
20220610
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种永磁直驱型中高压大功率风力发电变流器及控制方法，属于电力电子技术领域。
该风力发电变流器采用H桥中点钳位型五电平变换器拓扑，其中风力发电机侧为五电平中点钳位型H桥变换器，电网侧为三个三相三电平中点钳位型并网变换器，其直流侧接入风力发电机侧变流器，电网侧经隔离型四绕组工频升压变压器接入66kV或更高等级电压电网。
该拓扑结构能够提高风力发电机电压至8.5kV,可用于20MW及以上功率等级的风力发电系统。
与传统风电变流器相比，具有额定电压高、功率器件数量少、无需器件或变流器并联、单机容量大、扭缆简单、电缆损耗小、谐波特性好、容错性高、结构简单，易于控制等优点，在中高压大功率海上系统中具有重要应用前景。
申请人：中国矿业大学
地址：221116 江苏省徐州市大学路1号中国矿业大学
国籍：CN
代理机构：南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)
代理人：张联群
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大功率直驱风力发电机组并网变流器的研究
ａ ： ＋ ＝
＝ ／ Ｃ 则从网 １ｗ ｍ
图 １ 网侧 变 流器 Ｌ Ｌ结 构 图 Ｃ
当 Ｖ Ｒ工 作 在 单 位功 率 因数 时 ， 矢 量 三 Ｓ 由“
角形 ” 知 可
＋（ Ｌ ＝ ∞１ ） ， （） １
［ ２（ ＋ｚ ）一ｊ Ｚ 】 一ｊ ＋ｚ ） ｊ １ 一ｊ ｂ 。 ｂ （ Ｘ ｂ （ ＋Ｚ ） ｊ 。＋Ｚ ） 一ｊ ｂ （Ｘ ｂ
（ ｈ ｎ ａ ｇＩｓｔｔ ｏ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｓ ｅｇａ ｇ１０ ３ ，Ｃ ｉａ Ｓ ｅｙｎ ｎｔｕｅ ｆ ｇｎｅ ｎ ， ｈ ｎ ｙｎ １ ６ ｈｎ ） ｉ Ｅ ｉ １
Ａｂ ｔａ ｔ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｓ ｄ ｅ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｈ ｉ ｉ ｕ ｔｏ ｅ ｆ ｌ ｓ ａ ｅ ｐ ｗｅ ｏ ｖ ｒｅ ， ｉｈ ｉｃ ｕ ｅ ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｉ ａ ｅ ｔ ｉ ｄ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅ ｍａｎ ｃｒ ｉ ｆｔ ｕｌ ｃ ｌ ｏ ｒｃ ｎ ｅ ｔｒ ｗｈ ｃ ｎ ｌ ｄ ｓ ｕ ｃ ｈ －
且 电感 还 应该 满足
一
２ 一 ４
・
分布式电源 ・
低 压 电器 （０ ２ ｏ ６ ２１Ｎ ． ）
发 电机端 线 电 压 峰值 为２０ ０Ｖ。 由上 述 计 算 可 ６
Ｎ １００ ０
三
一
０
１００ ０
知 ， 侧 变 流 器 输 出 脉 冲 的 上 升 时 间 需 大 于 机
低压电器 （０ ２ ． ） ２ １ Ｎｏ６
・ 分布 式电源 ・
单， 因而得 到 了 广 泛应 用 。但 随着 功 率 等级 的提
ｔ ｔ
≥ ｍａ￡ ） ＝ｍａ ｘ（ ｘ
， ＝２ ３， ｎ ， … （） ２
用于直驱型风力发电系统的变流器
用于直驱型风力发电系统的变流器Introduction：现在的能源越来越受到人们的关注，各种新的能源板块不断涌现。
在这其中，风能便是一种十分有前景的新能源，因此风力发电也是目前非常热门的产业之一，风力发电系统的核心组成部分就是变流器，本篇文章将围绕直驱型风力发电系统的变流器展开讨论。
直驱型风力发电系统的变流器变流器是能够将非直流电源转化成直流电源的电子设备，其作用在于将交流电能转化成可用直流电能。
风力发电系统的核心组成部分之一即为变流器，变流器可以将风起的旋转运动转换成直流电能，从而保证整个系统的正常运转。
因此直驱型风力发电系统的变流器是一个至关重要的部分。
直驱型风力发电系统的优点直驱型风力发电系统，顾名思义，即是指直接驱动风能发电机，适用于风速较大的场合。
相对于其它类型的风力发电系统，直驱型风力发电系统具有以下优点：1. 比传统型低速轴噪音小。
2. 没有减速箱，磨损小，寿命长。
3. 不需要润滑油，环保无污染。
4. 在风速越大时功率输出越高，效率相对较高。
直驱型风力发电系统的缺点然而，直驱型风力发电系统同样存在着缺点：1. 直驱式发电机，大功率和大尺寸难以实现高效、低成本和高可靠性。
2. 接口限制：没有旋转的传动部分，要直接接到风轮，因此不能使用具有偏心量的风刀片减小振动和抗风力突变的能力。
3. 运行稳定性有待提高。
直驱型风力发电系统中变流器的作用直驱型风力发电系统中的变流器具有将可变频率的风能产生的电能转换为稳定频率的电能输出的功能，从而满足系统对电能的要求。
直驱式变流器的核心是一个PWM逆变器，负责将直驱式风机的三相电能转换成电网电能，调节电压、电流、功率等参数，保证电网的稳定性和安全性。
直驱型风力发电系统中变流器的原理直驱型风力发电系统采用电子变频技术，因此变流器是其核心部件。
变流器能够将风力发电机转化所得的交流电转化为稳定的直流电，以保证系统的正常运转。
其中一个非常重要的环节就是控制变流器的换向工作。
直驱式风力发电系统变流器拓扑及控制策略研究
直驱式风力发电系统变流器拓扑及控制策略研究本文旨在研究直驱式风力发电系统变流器拓扑及控制策略。
首先，简要介绍了变流器的基本原理，并研究了其可行的拓扑结构；其次，分析了直流控制器在变流器中的重要作用，研究了基于典型算法的控制策略；最后，根据系统实时特性，研究提出了改进的控制策略，提出了相应的验证方法，以求出更有效的控制方法。
Ⅰ.变流器的基本原理变流器是风力发电机为输出交流电能而必需的元件，它主要由换流变压器和逆变器组成。
变流器的任务是将风力发电机输出的直流电能转换为公网需要的交流电能，其传输原理是在换流变压器中兑换直流和交流，并在逆变器中完成转换和控制；该系统将满足电网对输出功率、输出电压、输出频率等参数的要求，实现负荷的可靠连接和稳定的供电。
Ⅱ.可行的拓扑结构可用于直驱式风力发电系统的变流器拓扑主要有单相、三相Y型和三相V型三种，当然，它们也可以结合在一起使用。
比如，单相可用于内部动力源，三相V型变流器用于输出系统，三相Y型多用于中间动力传输，以实现动态控制；此外，直驱式风力发电系统也可以使用可充电式电池作为负载，以实现系统的最优化操控。
Ⅲ.直流控制器的重要性直流控制器的作用是从直流源获取电能，将其传输转换为全桥逆变器可处理的直流，调节电压并给全桥逆变器驱动。
直流控制器的重要性体现在可以实现高效的转换和调节，streaming可实现开关回路，以减免变换器性能的降低，并实现更准确和有效的控制。
Ⅳ.基于典型算法的控制策略变流器调节策略可以满足电网特性和运行要求，实现可靠供电，同时也可以保护发电机线路和维护无功。
基于典型算法的变流器调节策略通常包括比例阀和积分（PI）控制策略，该策略具有轻松实行，容易运行的特点。
比例阀策略以输入和输出的变化率作为参数调节变流器，以此实现目标功率的衔接；PI控制策略则以输出功率和目标功率之间的误差作为参数调节，以优化系统输出功率。
Ⅴ.改进的控制策略基于实时性，可提出改进的调节策略，以提升直驱式风力发电系统的运行性能。
直驱风电机组并网变流器预充电电路设计方法优化
充电电压的最大值U 为网侧线电压的峰值， m ax
也是 直流 母线 电容电 压能 够充 到的 最大 电压 。为 了
简化计算，将充电过程看作电压值为U 的直流电 m ax
源对直流母线电容进行充电。对于初始电压为 0 的
电阻电 容充 电公式 为
t
U U (1 e 2RC )
c
ma x
（ 1）
式中， U 为电容两端电压；R 为两个预充电电阻的 c
母线 电容 充电 ，规定 预充 电电 阻必 须在 规定 的时 问
内将 中间 直流 环节电 容上 的电 压充 到交 流输 入电 压
最大值的 80%。这样仍然可以用公式（1）进行计算。
2 预充电电路设计方法改进
2.1 三相全桥预充电电路 实 际上 对于 三 相全 桥整 流 [4]波 形， 直流 侧 平均
U2 t U2t
max 1
dc 2
（2）
所以 有
U2
t
t max 1.10t
U 2
21
1
dc
（3）
计算实例：我公司 1.5MW 变流器并网电压为三
相 620V AC，直流母线电容容量为 68mF，预充电电
阻为 3 个 30 。控制系统判断预充电完成标志为直
流母线电压达到 840V DC。
这时U 876V ，按照公式（1）可以计算得 m ax
关键词 ：直 驱风力 发电 机组； 全功 率变流 器； 预充电 电路 ；低功 耗
The Optimizing Methods to Design the Pr echar ging Cir cuit of Gr id Connected Conver tor for Dir ect-dr ive Wind Tur bine
大功率直驱风力发电并网变流器主电路的研究
三 相 电压 型 Ｐ ＷＭ 整 流器 输 出 的 电 压 为 Ｐ ＷＭ
波 ， 实现 并 网必 须 要 求 滤波 。 统 的 网侧 滤 波 器 要 传
电机的定子侧直接与变流器相连 ，通过机侧变流
器 把 发 电机 发 出 的功 率 传 到 直 流 侧 ．然 后 再 通 过 网 侧变 流 器 把 功 率 直 接 并 入 电网 。 直 驱 电机 侧 变 流器 与 永 磁 同 步 发 电 机 的 定 子
关 键词 ： 网变流 器 ；直 驱 ；滤波 器 并 中图分类号 ：Ｍ ６ Ｔ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编 号：０ ０ １０ ２ １ ）１ ０ ０ — ３ １０ － ０ Ｘ（０ ２ Ｏ — ０ ４ ０
Ｄｅｅｏ ｍｅ ｔｏ ｅＧｒ －ｏ ｖｒｅ ｏ ｇ ｏ ｅ ｅｍａ ｅ ｔ ｇ ｅ ｖｌｐ ｎ ｆｔ ｉ ｃｎ ｅｔｒｆｒＨｊｈＰ ｗ ｒＰ ｒ ｎ ｎ ｈ ｄ Ｍａ ｎ ｔ
Ｄｉ ｅ ｔ ｄ ｉ ｅ ｉ ｄ ｒ ｎｅ ｒ ｃ ． ｒ ｖ ｎ Ｗ ｎ Ｔｕ ｂｉ
Ｗ ＡＮＧ ｏ ｓ ｉ Ｂａ ．ｈ ．ＧＵ Ｃａ — ａ ｉｌ ｎ ｉ
（ ｈｎ ａｇＩｓ ｔ ｅｏ ｎ ｉ ｅｉｇ ｈ ｎｙ ｎ １ １６ ｈ ａ Ｓｅ ｙｎ ｎｔｕ ｆＥ ｇｎ ｒ ，Ｓｅ ｇａｇ １０ ３ ，Ｃ ｉ ） ｉｔ ｅ ｎ ｎ
ｖ ｒｅ ｏ ． ｅ ｔ ｒｆ ｒ １ ５ ＭＷ ｅ ｍａ ｅ ｔ ｍａ ｎ ｔ ｄｒ ｃ — ｒ ｅ ｉ ｄ ｔ ｒ ｉ ｅ．ｔｄ ｍｏ ｓｒ ｔｓ ｔ ａ ｈ ｅ ｉｎ ｍｅｈ ｄ ｉ ｆ ａ ｉ ｌ ． ｐ ｒ ｎ ｎ ｇ ｅ ｉ ｔｄ ｖ ｎ ｗ ｎ ｕ ｂ ｎ ｉ ｅ ｎ ｔ ｅ ｈ ｔ ｔｅ ｄ ｓ ｔ ｏ ｓ ｅ ｓｂｅ ｅ ｉ ａ ｇ
第４ ６卷 第 １期
风力发电系统中大功率变流器的应用
风力发电系统中大功率变流器的应用摘要：在当前风力发电系统中融入大功率变流器，有效的提高了整体的工作效果，具备运行效率较高和维护成本降低的特点，在风力发电领域中有着良好的应用前景。
在实际工作中需要根据风力发电系统的运行特征，选择正确的大功率变流器，融入先进的技术方案，进一步的提高输出电压的等级，满足日常的使用要求，促进行业的不断进步以及发展。
关键词：风力发电系统；大功率变流器；应用研究在近几年来，风力发电机的单机容量逐渐朝着增加的趋势而不断的发展，在直驱型风力发电机中，需要通过变流器来实现信息的上传，相关功率器件要符合高功率的要求以及标准，但是由于材料的限制性导致功率器件由于自身容量的有限增加了后续运行的难度，所以在使用工作中需要取得正确的大功率变流器来满足实际的工作要求，避免对后续电力系统的传输产生一定的影响，促进风力发电行业的不断发展。
一、大功率变流器的运行原理在1976年设计出第一台大功率的变流器，在实际应用的过程中，能够根据开关阵列的排列特点来优化整体的电网结构，通过变流器能够完成能量之间的转换，和自然型换流器相比两者之间的相似度是非常突出的，在波形输出方面能够按照一定的顺序进行采样，在能量使用模式中对于变流器的采样周期来说，变化周期和电源有着密切的关系，电压输出波形要根据样板中电压采样周期的切开进行有效的排列。
为了和样板更加接近，在实际工作中需要确定好输出电压，在采样率方面的标准高于输入和输出的功率，在采样控制时还需要使各个输入电压周期的平均值和参考值是相近的，这样一来合成的波形频率才可以进行适当的调整和优化。
并且和低次频率保持相同的状态下，大功率变流器的电子开关是以双向四相线开关为主的，能够在两个方向中进行得通电流的阻断[1]。
在实际工作中需要根据实际的要求以及标准，利用标准半导体器件进行组合性的建设，从而使换流工作能够具备正确性的特征。
另外在开关中要实现两个方向电流的独立性控制，更加贴合日常的使用，需要避免对后续的运行产生一定的影响。
高原型风力发电用变流器的高可用性设计与实现
高原型风力发电用变流器的高可用性设计与实现在如今强调可再生能源的时代，风力发电备受关注。
然而，在高原地区布置风力发电机组的一项重要工作是设计和实现高可用性的变流器。
高原地区的复杂环境和特殊气候条件对变流器的性能和可靠性提出了更高的要求。
在本文中，我们将讨论如何设计和实现适用于高原型风力发电的变流器，以提高其可用性。
首先，为了应对高原地区的气候条件，变流器需要具备良好的冷却系统。
由于高原地区的气温波动大，变流器的运行温度可能会升高。
因此，设计一个有效的散热系统非常重要。
可以使用风冷或液冷系统来降低变流器的温度。
此外，还可以考虑使用热管技术来提高散热效果。
这些措施将有助于保持变流器的正常运行温度，从而提高其可用性。
其次，高原地区的海拔对变流器的性能也产生了重要影响。
由于高原地区的大气压力较低，变流器的输出功率可能会降低。
为了应对这一问题，可以使用调压器来提高变流器的效率和输出功率。
此外，在设计过程中还应充分考虑高原地区的特殊环境因素，例如干燥和沙尘。
应采用防尘、防潮的设计措施，以确保变流器的稳定性和可用性。
另外，高原地区的高寒气候条件也对变流器的运行产生一定的挑战。
低温可能会降低变流器的性能，甚至导致故障。
因此，必须采取保护措施来应对低温问题。
其中一个解决方案是使用适应低温的器件和材料，在设计上考虑低温环境下的性能。
此外，通过合理的绝热措施，可以提高变流器的温度稳定性和可用性。
此外，由于高原地区的电网稳定性较差，变流器需要具备良好的抗干扰和故障自恢复能力。
为此，可以在设计中采用先进的故障检测和隔离机制，以便迅速发现和隔离可能的故障。
同时，应该设计具备自动重启和故障自恢复功能的变流器，以提高其可用性并减少人工干预。
最后，为了提高高原型风力发电用变流器的可用性，必须进行定期的检修和维护工作。
这包括定期检查散热系统、检测电机、电缆和连接器的状态等。
通过定期维护和维修可以保持变流器的正常运行状态，避免不必要的故障和损失。
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中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.30 No.30 Oct.25, 2010 ©2010 Chin.Soc.for Elec.Eng. 15
文章编号：0258-8013 (2010) 30-0015-07 中图分类号：TM 46 文献标志码：A 学科分类号：470·40
180° 3
Y
0°
图 1 多相 PMSG 和三电平混合式全功率变流器 风电技术方案
Fig. 1 Proposal of multiphase PMSG with hybrid three-level full-size converters for wind turbine
S1 D1
S1 D1
D1 S1 D1 Dn1 Dn3 Dn1 S2 D2
KEY WORDS: direct-drive wind turbine; full-size converter; three-level converter
摘要：在兆瓦级直驱风电系统中，发电机定子电压等级通常 采用较低的 690 V，而定子电流等级则很高，给全功率变流 器的设计和制造造成了的困难，特别是效率问题比较突出。 提出一种基于直驱多相永磁同步发电机和三电平混合式变 流器的技术方案，用以替代传统的三相发电机和两电平变流 器并联方案，具有更好的谐波性能和效率。讨论不同变流器 拓扑在方案中的应用及其参数设计方法，并在谐波、效率和 成本方面进行了比较。
(School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China)
ABSTRACT: The stator voltage of generator is usually 690 V for large MW direct-drive wind turbine so that the current rating is very high. As a result, the full-size converters are difficult to be designed and manufactured, moreover, the efficiency problem is considerable. This paper proposed a solution based on the multiphase permanent magnet synchronous generator (MPPMSG) with hybrid three-level full-size converters, which is thought as an alternative for the traditional three-phase PMSG with the shunted two-level converters and expected to offer better harmonic properties and efficiency. The paper discussed the parameter design of the different converters used in the proposed system. And the harmonics, efficiency and costs were compared with the traditional two-level system.
1 基于多相永磁同步发电机和 3L 混合式全 功率变流器的风电系统结构
本文提出的基于 MPPMSG 和 3L 混合式背靠背 变流器的系统结构示意图如图 1 所示。图示系统具 有以下几个特点：1）直接通过永磁同步发电机的 多相绕组设计产生多组隔离三相电源，不仅可以简 化变流器的并联，克服零序环流，也能够实现变流 器的串联[3-5]。2）发电机为六相电机，但是每相都
S1
D2
S2 D2 Dn2 Dn4
Dn2 S3 D3
S2 D2 S3 D3
S4 D4
S4 D4
2L
Vienna 整流器 3L-NPC VSC 3L-FLC VSC
图 2 2L 和 3L 变流器一个支路的拓扑原理
Fig. 2 Topologies of one leg of 2L and 3L VSC
(multiphase permanent magnet synchronous generator，MPPMSG)和三电平(three level，3L)混合 式全功率变流器的直驱风电系统方案。这种方案通 过 3L 变流器串联和并联组合替代常规的 2L 变流器 并联方案。串联组合可以提高直流母线电压等级， 使 3L 逆变器工作于中压范围；并联组合则能够克 服 3L 变流器电容中点电压脉动。更重要的是该方 案可以实现较高的变换效率和谐波性能。本文将详 细讨论不同拓扑结构的 3L 变流器在所提方案中的 应用及参数设计方法，并在此基础上对其谐波、损 耗特性及成本与传统的三相发电机和 2L 变流器并 联方案进行比较。
表 1 各种拓扑结构 IGBT 和 diode 的选择
Tab. 1 Selection of IGBT and diode for different converters
拓扑结构 变流器 拓扑类型 变流器组数 直流母线电压/V 实际承压/V IGBT 模块数量
整流器 2L 并联 逆变器
2L 2L
4 4
的拓扑结构原理图，其中包括 Vienna 整流器、电容 中 点 二 极 管 钳 位 变 流 器 (three-level neutral-pointclamped voltage source converter，3L-NPC VSC)和飞 跨 电 容 三 电 平 变 流 器 (three-level flying-capacitor voltage source converter，3L-FLC VSC)[6]。
3L-FLC VSC 的飞跨电容平衡控制采用 on-off 控制策略，其思想是通过检测飞跨电容电压偏离 Udc/2 (Udc 为直流母线电压)的方向，在标准 SVM 调 制器的 7 段开关矢量序列中动态选择冗余矢量来抑 制电容电压的偏离。采用 on-off 策略控制飞跨电容 的电压平衡没有稳定性的问题，而且对于 3L- FLC VSC 也不影响生成的 PWM 波的谐波性能[18]。
的 Boost 电感。4）直流母线电压通过 Vienna 整流
器串联被提高到中压范围，并网逆变器采用 2 组 3L
变流器并联。提高母线电压可以充分利用 3L 变流
器在中压范围的应用优势，一方面降低输出变流器
的电流等级，另一方面减少滤波器的数量。从输出
容量上考虑，一组中压 3L 变流器相当于 2 组低压
16
中国电机工程学报
第 30 卷
包括一对空间相差为 180° 的反向绕组(图 1 中分别
标注为 0° 和 180°，30° 和 210°)。4 个隔离的三相
绕组分别连接 Vienna 整流器，其中反向绕组被用于
2 个 Vienna 整流器并联，以消除电容中点电压脉动。
3）发电机的定子漏抗可直接被用作 Vienna 整流器
在低压大功率风电变换系统中使用 3L-NPC VSC，需要解决大电流条件下变流器电容电压平衡 的问题。造成不平衡的因素包括风能波动和变流器
的关系，空间矢量调制(space vector modulation， SVM)能够实现较高的直流母线电压利用率和优良 的谐波性能。文献[7-11]对 Vienna 和 3L-NPC 变流 器的标准 SVM 调制方式进行了阐述，Vienna 变流
3 变流器的调制方式及电容电压平衡控制
变流器的性能与其采用的调制方式具有很大
器本质上是单极性的二极管中点钳位 3L VSC，因 此两种变流器调制方法非常相似。3L-FLC VSC 的 SVM 调制方式与 3L-NPC 完全相同，区别在于其控 制飞跨电容电压平衡的方式与 3L-NPC 控制直流母 线电容中点电压平衡的方式不同。
2 不同变流器拓扑半导体功率器件的选择
为了将图 1 的技术方案与传统三相发电机和多 组 2L 变流器并联的方案进行比较，本文针对一个 2.5 MW 的风电系统展开研究。根据传统的技术方 案，一个 2.5 MW/690 V 的直驱风电系统可以采用 4 组 2L 整流器和 4 组 2L 逆变器并联来实现，它们公 用中间的直流环节，因此每组变流器的额定相电流 为 523 A。如果采用图 1 的技术方案，每组 Vienna 整流器和 3L-NPC VSC(或者 3L-FLC VSC)逆变器 的相电流也是 523 A。表 1 给出了 2 种技术方案下 功率半导体器件的等级。
关键词：直驱风力机；全功率变流器；三电平变流器
0 引言
兆瓦级以上的风电机组是当前风力发电技术 的主流，目前单机功率已经达到 5 MW 以上，并进 一步向更高的等级发展，以适应未来海上风电的要
基金项目：台达电力电子科教发展计划资助。 Supported by Power Electronics Science and Education Development Program of Delta Environmental & Educational Foundation．
大功率直驱风电系统高效率变流器设计
曾翔君，张宏韬，李迎，房鲁光，杨旭
(西安交通大学电气工程学院，陕西省 西安市 710049)
Design of High-efficiency Converters for Large Direct-drive Wind Turbines
ZENG Xiangjun, ZHANG Hongtao, LI Ying, FANG Luguang, YANG Xu