一種二極管箝位級聯(lián)拓撲在直驅風(fēng)電系統中的應用研

1 拓撲結構分析
圖1是本文采用的二極管箝位五電平級聯(lián)H橋拓撲在直驅型變速恒頻風(fēng)電系統中的應用原理圖，其中圖1(a)為系統結構簡(jiǎn)圖，圖1(b)為二極管箝位五電平H橋功率單元原理圖。圖1(a)中風(fēng)電機組拖動(dòng)多相永磁同步發(fā)電機，永磁同步發(fā)電機為18相電機，共有6組輸出繞組，每組繞組間相位差20，每組繞組分別進(jìn)入二極管箝位功率單元，共有6個(gè)功率單元構成三相逆變器，每2個(gè)功率單元進(jìn)行級聯(lián)構成一相輸出，三相輸出通過(guò)濾波電感并入電網(wǎng)。圖1(b)中，輸入為永磁同步發(fā)電機的一組三相繞組，經(jīng)過(guò)三繞組移相變壓器，移相變壓器為DDY結構，匝比為1:1:，副邊兩路輸出的相位差30，由12脈波二極管整流器整流得到獨立的直流電源，其中直流側電容由兩個(gè)電解電容串聯(lián)構成，電容的中點(diǎn)作為二極管箝位功率電路的中點(diǎn)，并且和兩個(gè)6脈波二極管整流器的中點(diǎn)連接，直流電經(jīng)過(guò)二極管箝位五電平H橋進(jìn)行逆變，輸出單相交流電。由功率單元1、2、3分別和4、5、6級聯(lián)構成三相輸出。

，直流側電容為兩個(gè)6800μF電解電容串聯(lián)，逆變器功率模塊采用三菱公司IPM模塊，控制器采用TMS320F2407+FPGA，負載參數與仿真相同，L=3mH，C=50μF，R=50Ω；輸出電壓頻率為50Hz，開(kāi)關(guān)頻率為3kHz。由于受實(shí)驗條件限制，實(shí)驗中直流側電壓相對較低，將在隨后的研究中進(jìn)一步提高電壓等級。
以下是部分實(shí)驗結果。圖6是輸入側電壓電流和直流側電壓波形，其中uia(Ch1)和iia(Ch3)分別是移相變壓器輸入側a相電壓和電流波形，udc是直流側電壓(Ch2)波形。從圖中可以看到，電流波形接近正弦波，和輸入電壓的相位基本一致，可見(jiàn)通過(guò)移相變壓器和12脈波整流器，能夠明顯改善輸入側的電流波形質(zhì)量，提高輸入功率因數，降低發(fā)電機的諧波損耗，通過(guò)12脈波整流器得到的直流側電壓較為平穩，能夠滿(mǎn)足逆變器的需要。

圖7是a相輸出電壓和電流波形，其中uoam是相電壓波形(Ch1)，ioa是電流波形(Ch2)。從圖中可以看到，輸出相電壓波形為9電平，電流波形經(jīng)過(guò)電感濾波后，波形質(zhì)量也比較高，對應的諧波成份也比較少。

5 結語(yǔ)
本文采用的二極管箝位五電平H橋級聯(lián)拓撲，結合了兩種多電平拓撲的優(yōu)勢，使輸出電壓在常規二極管箝位三電平電路的基礎上有了較大提高，相對于常用的單相級聯(lián)H橋結構，需要較少的獨立直流源，結合12脈波整流電路，對其在直接驅動(dòng)型風(fēng)電系統中的應用進(jìn)行了初步探索，而多相永磁同步發(fā)電機目前的應用也逐漸增多，可以提供所需的多路獨立直流電源。采用消諧波
SPWM和載波相移SPWM相結合的載波調制方法，通過(guò)多路相位不同的三角載波與調制波比較，產(chǎn)生功率器件需要的驅動(dòng)脈沖，控制簡(jiǎn)單，實(shí)現方便，基于DSP+FPGA的脈沖發(fā)生電路，使多路驅動(dòng)的產(chǎn)生變得簡(jiǎn)單。仿真和實(shí)驗結果表明，把消諧波SPWM和載波相移SPWM相結合的控制方法應用于二極管箝位五電平級聯(lián)H橋拓撲中，能夠進(jìn)一步提高輸出功率和電壓等級，提高等效載波頻率，降低器件的開(kāi)關(guān)損耗和輸出濾波器的體積，為直驅風(fēng)電系統在輸出沒(méi)有變壓器的情況下直接并入中壓電網(wǎng)提供了可能。