風(fēng)電系統中大功率逆變器及其相應調制策略分析

0 引言

在目前的MW級大容量變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統中，雙饋型是主流機型，與雙饋型相比，直驅型減少了齒輪箱，降低了系統成本和維護成本，因為齒輪箱價(jià)格昂貴，易于損壞且維修復雜，我國尚不能完全獨立生產(chǎn);發(fā)電機采用永磁同步發(fā)電機，能量密度大，轉速低，可靠性提高;但直驅型所用的逆變器需要傳遞全部電能，對容量要求比較大，增加了逆變器的制造難度，同時(shí)，永磁同步發(fā)電機轉速很低，發(fā)電機體

積大、成本較高。

風(fēng)力發(fā)電機的單機容量越來(lái)越大，更多的風(fēng)力發(fā)電拓撲正在被研究和開(kāi)發(fā)中。就目前情況來(lái)看，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機仍占主流，然而直驅型風(fēng)力發(fā)電機組以其固有的優(yōu)勢也逐漸受到關(guān)注，例如我國新疆金風(fēng)科技股份公司已研制成功1.2 MW 直驅型風(fēng)力發(fā)電機組并成功實(shí)現并網(wǎng)運行。

直驅型風(fēng)力發(fā)電系統中，電能都要通過(guò)逆變器傳遞到電網(wǎng)上，這就要求功率器件具備較高的功率等級。然而受功率器件耐壓極限和制作工藝的限制，單一功率器件的容量是有限的，同時(shí)，由于逆變器的功率很大，基于降低開(kāi)關(guān)損耗，器件的開(kāi)關(guān)頻率也不可能太高，但開(kāi)關(guān)頻率太低又會(huì )導致逆變器輸出波形的畸變率增加，進(jìn)而增加后續濾波器的設計難度，并對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。因此適合于直驅型風(fēng)力發(fā)電系統的逆變器拓撲須很好地進(jìn)行研究。

逆變器作為風(fēng)力電能回饋至電網(wǎng)的唯一通路，對其容量、可靠性、響應速度和并網(wǎng)特性等各方面要求很高。逆變器的設計和制造，是直驅型風(fēng)力發(fā)電系統的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，它對于整個(gè)系統的穩定、高效運行很重要，掌握這項技術(shù)，對于推動(dòng)我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，增強風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的自主創(chuàng )新能力，具有十分重要的意義。

1 大功率逆變器拓撲結構

逆變器的作用是完成電能由直流到交流的變換，逆變器的研究和發(fā)展現狀同變頻器的發(fā)展狀況密切相關(guān)，這是因為在變頻器主要采用的交-直-交變頻方案中，第一部分需要整流來(lái)完成，而第二部分便需要逆變來(lái)完成。

大功率是指功率等級在數百kW 以上，而高電壓是指電壓等級為3 kV，6 kV，10 kV或更高，高壓變頻器采用的方案有交-交變頻器和交-直-交變頻器等]。交-交變頻器由于諧波污染嚴重，功率因數低等缺點(diǎn)，需要增加濾波裝置，無(wú)功補償裝置等，從而增加了設備的投資;隨著(zhù)全控電力電子器件的蓬勃發(fā)展，變頻器領(lǐng)域已逐步出現交-直-交變頻器一統天下的局面?？梢赃@樣說(shuō)，大功率變頻器的研究現狀，在一定程度上也就是大功率逆變器的研究現狀，回顧高壓大功率逆變器以及大電流大功率逆變器的發(fā)展歷史及現狀，對于研究大功率逆變器具有重要的借鑒意義。

1.1 器件串并聯(lián)型大功率變頻器

美國羅克韋爾(AB)公司18脈沖整流器的Bulletin1557變頻器拓撲如圖1所示，其電路結構為交-直-交電流源型，采用功率器件GTO串聯(lián)的兩電平逆變器，是利用器件的串聯(lián)實(shí)現高壓，從而提高逆變器容量的。

由圖1可以看出，Bulletin 1557變頻器前端采用18 脈沖晶閘管整流，中間經(jīng)電抗器后直接與后端GTO串聯(lián)兩電平逆變器相接，拓撲結構簡(jiǎn)單，故障點(diǎn)少。

成都佳靈電氣制造有限公司采用IGBT直接串聯(lián)方式研發(fā)成功了高壓變頻器，使高壓變頻器具有和低壓變頻器一樣簡(jiǎn)單的結構。其拓撲結構如圖2所示，可以看出該系統由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器，經(jīng)過(guò)高壓二極管全橋整流、直流平波

電抗器和電容濾波，再經(jīng)逆變器逆變，加上正弦波濾波器，簡(jiǎn)單易行地實(shí)現高壓變頻輸出，可供給高壓電動(dòng)機或接變壓器耦合入電網(wǎng)。

采用器件串并聯(lián)方式提高逆變器的功率，具有拓撲結構簡(jiǎn)單，功率器件個(gè)數少等優(yōu)點(diǎn)。但器件串聯(lián)會(huì )帶來(lái)器件的均壓?jiǎn)?wèn)題，器件并聯(lián)會(huì )帶來(lái)器件的均流問(wèn)題，因而對驅動(dòng)電路的要求也大大提高，要盡量做到串并聯(lián)器件同時(shí)導通和關(guān)斷，否則由于各器件開(kāi)斷時(shí)間不一，承受電壓不均或分流不均，會(huì )導致器件損壞甚至整個(gè)逆變器崩潰。

1.2 多電平大功率變頻器

多電平變頻器本質(zhì)依賴(lài)于內部多電平逆變器的“多電平逆變”功能，相對于傳統的兩電平變頻器，其主要優(yōu)點(diǎn)在于單個(gè)器件承受的電壓應力小，更容易實(shí)現高壓大功率;在相同開(kāi)關(guān)頻率下，輸出波形更接近正弦波，諧波含量更低;同時(shí)還大大減輕了電磁干擾(EMI)問(wèn)題。

ABB 公司生產(chǎn)的ACS 1000 系列變頻器采用三電平拓撲結構。其內部逆變器部分功率器件采用集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)，所用拓撲為二極管箝位型三電平拓撲，輸出的電壓等級有2.2 kV，3.3 kV和4.16 kV。圖3所示為ABB公司ACS 1000系列12脈沖整流三電平電壓源變頻器的主電路拓撲圖。西門(mén)子公司采用高壓IGBT器件，生產(chǎn)了與之類(lèi)似的變頻

器SIMOVERTMV。

法國阿爾斯通(ALSTOM)公司采用飛跨電容型四電平拓撲，基于功率器件IGBT 生產(chǎn)出ALSPAVDM6000 系列高壓變頻器，其主電路拓撲如圖4所示。

分析圖4可知，該拓撲在功率器件串聯(lián)的基礎上，引入了電容進(jìn)行箝位，保證了電壓的安全分配。

其主要特點(diǎn)為：

1)通過(guò)整體單元裝置的串并聯(lián)拓撲結構以滿(mǎn)足不同的電壓等級(如3.3 kV，4.16 kV，6.6 kV，10 kV)的需要;

2)可使系統普遍采用直流母線(xiàn)方案，以實(shí)現多臺高壓變頻器之間能量的互相交換;

3)這種結構沒(méi)有傳統結構中的各級功率器件上的眾多分壓分流裝置，消除了系統可靠性低的因素，從而使系統結構非常簡(jiǎn)單可靠，易于維護;

4)輸出波形非常接近正弦波，可適用于普通感應電機和同步電機調速，而無(wú)須降低容量，沒(méi)有dv/dt對電機絕緣等的影響;

5)ALSPAVDM6000系列高壓變頻器可根據電網(wǎng)對諧波的不同要求采用12脈沖、18脈沖的二極管整流或晶閘管整流。

法國ALSTOM 還基于IGCT 開(kāi)發(fā)出了飛跨電容型五電平變頻器。飛跨電容型多電平逆變器的優(yōu)點(diǎn)是多電平輸出、電路結構簡(jiǎn)單、可滿(mǎn)足高壓運行要求，缺點(diǎn)是需要的電容多、控制技術(shù)復雜、且需要額外的電容預充電電路。

1.3 并聯(lián)逆變器

并聯(lián)逆變器運行過(guò)程中，兩個(gè)或多個(gè)逆變器單元呈并聯(lián)形式向負載或電網(wǎng)送出功率。德國B(niǎo)ENNING電源電子有限公司的逆變器產(chǎn)品便是采用的并聯(lián)逆變器拓撲，如圖5所示。

其特點(diǎn)為：

1)采用高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)及復雜的生產(chǎn)技術(shù)和高質(zhì)量的電子元器件，結構緊密、重量輕、效率高;

2)多個(gè)逆變單元并聯(lián)，可實(shí)現n+1冗余，可靠性高，并可給線(xiàn)性與非線(xiàn)性負載供電;

3)所有的監測與控制單元內在的安全設計確保對連接的負載不間斷供電;

4)加裝了EUE(靜態(tài)電子旁路)以提高系統安全性。

逆變器并聯(lián)提高了電流等級，從而提高了逆變器的功率，且易于實(shí)現多級冗余并聯(lián)，提高整體運行的穩定性。然而，多個(gè)逆變器單元并聯(lián)運行，增加了控制的難度，且還可能引起環(huán)流問(wèn)題，因此應選用一定的調制方案和控制方法加以控制和抑制。

1.4 變頻器多重化

多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM 變流模塊串聯(lián)而成，各變流模塊由一個(gè)多繞組隔離變壓器供電來(lái)實(shí)現大功率。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問(wèn)題，可實(shí)現完美無(wú)諧波變頻。

美國羅賓康(Robicon)公司利用單元串并聯(lián)多重化技術(shù)，生產(chǎn)出了功率為315 kW~10 MW的完美無(wú)諧波(Perfect Harmony)高壓變頻器，無(wú)須輸出變壓器實(shí)現了直接3.3 kV或6 kV高壓輸出。其中共采用了三項高壓變頻技術(shù)：

1)在輸出逆變部分采用了具有獨立電源的單相橋式SPWM逆變器直接疊加技術(shù);

2)在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術(shù);

3)在結構上采用了功率單元模塊化技術(shù)，實(shí)現了完美無(wú)諧波的輸出波形，無(wú)須外加濾波器即可滿(mǎn)足各國供電部門(mén)對諧波的嚴格要求，其功率因數可達0.95以上，THD1%，總體效率高達97%。

如圖6所示，每個(gè)變流模塊均為三相輸入、單相輸出的低壓PWM電壓型變流器，變流模塊的拓撲如圖7 所示。每個(gè)變流模塊可以輸出-1，0，1 三種電平，每相5 個(gè)功率單元疊加，就可以產(chǎn)生11 種不同的電平，分別為±5U，±4U，±3U，±2U，±U，0，其中U 為每個(gè)變流單元輸出的最大電壓。用多重化技術(shù)構成的高壓變頻器，也稱(chēng)為單元串聯(lián)多電平PWM 電