一種二極管箝位級聯(lián)拓撲在直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研
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為滿足風(fēng)力發(fā)電對高壓、大功率和高品質(zhì)變流器的需求，多電平變流器拓撲得到了廣泛關(guān)注。變流器采用多電平方式后，可以在常規(guī)功率器件耐壓基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高電壓等級，獲得更多級(臺階)的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。多電平變流器具體電路拓撲可分為5類：二極管箝位型、雙向開關(guān)互聯(lián)型、飛跨電容型、兩電平變流器組合型、單相H橋級聯(lián)型等。其中單相級聯(lián)H橋型和二極管中點箝位型多電平拓撲結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，近年來在大功率變頻調(diào)速、無功補償、大功率穩(wěn)壓電源等方面均有較多的應(yīng)用；在PWM控制方法中，研究較多的是特定諧波消除PWM調(diào)制、多載波SPWM調(diào)制、載波相移SPWM調(diào)制和空間矢量調(diào)制等。
雖然級聯(lián)H橋型多電平拓撲和二極管中點箝位三電平拓撲的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但是當需要的電平數(shù)進一步增加時，前者需要更多的獨立直流電源，后者則需要更多的箝位器件并存在電容電壓平衡的問題，所以，目前二極管箝位多電平以三電平和五電平為主。因此，將級聯(lián)H橋和二極管箝位三電平拓撲相結(jié)合，則可以利用兩者的優(yōu)勢，針對這種結(jié)構(gòu)有不同的控制方法，如消諧波SPWM控制、SVPWM控制等。
本文針對二極管箝位五電平級聯(lián)H橋拓撲，提出了一種消諧波SPWM和載波相移SPWM相結(jié)合的控制方法，通過采用不同相位的三角載波，使二極管箝位五電平H橋能夠方便地產(chǎn)生多電平輸出，同時使五電平功率單元可以方便地級聯(lián)在一起。對這種拓撲在永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了初步探索，采用18相永磁同步發(fā)電機+移相變壓器+12脈波整流器+二極管箝位五電平級聯(lián)H橋，能夠進一步提高輸出電壓和功率等級，為風(fēng)力發(fā)電輸出不用升壓變壓器即可直接并入中壓電網(wǎng)提供了進一步的可能性。
1 拓撲結(jié)構(gòu)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(qū)型變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用原理圖，其中圖1(a)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖，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，每組繞組分別進入二極管箝位功率單元，共有6個功率單元構(gòu)成三相逆變器，每2個功率單元進行級聯(lián)構(gòu)成一相輸出，三相輸出通過濾波電感并入電網(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)過三繞組移相變壓器，移相變壓器為DDY結(jié)構(gòu)，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(cè)電容由兩個電解電容串聯(lián)構(gòu)成，電容的中點作為二極管箝位功率電路的中點，并且和兩個6脈波二極管整流器的中點連接，直流電經(jīng)過二極管箝位五電平H橋進行逆變，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(gòu)成三相輸出。
，直流側(cè)電容為兩個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(shù)與仿真相同，L=3mH，C=50μF，R=50Ω；輸出電壓頻率為50Hz，開關(guān)頻率為3kHz。由于受實驗條件限制，實驗中直流側(cè)電壓相對較低，將在隨后的研究中進一步提高電壓等級。
以下是部分實驗結(jié)果。圖6是輸入側(cè)電壓電流和直流側(cè)電壓波形，其中uia(Ch1)和iia(Ch3)分別是移相變壓器輸入側(cè)a相電壓和電流波形，udc是直流側(cè)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，可見通過移相變壓器和12脈波整流器，能夠明顯改善輸入側(cè)的電流波形質(zhì)量，提高輸入功率因數(shù)，降低發(fā)電機的諧波損耗，通過12脈波整流器得到的直流側(cè)電壓較為平穩(wěn)，能夠滿足逆變器的需要。
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)過電感濾波后，波形質(zhì)量也比較高，對應(yīng)的諧波成份也比較少。
5 結(jié)語
本文采用的二極管箝位五電平H橋級聯(lián)拓撲，結(jié)合了兩種多電平拓撲的優(yōu)勢，使輸出電壓在常規(guī)二極管箝位三電平電路的基礎(chǔ)上有了較大提高，相對于常用的單相級聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)，需要較少的獨立直流源，結(jié)合12脈波整流電路，對其在直接驅(qū)動型風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了初步探索，而多相永磁同步發(fā)電機目前的應(yīng)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(jié)合的載波調(diào)制方法，通過多路相位不同的三角載波與調(diào)制波比較，產(chǎn)生功率器件需要的驅(qū)動脈沖，控制簡單，實現(xiàn)方便，基于DSP+FPGA的脈沖發(fā)生電路，使多路驅(qū)動的產(chǎn)生變得簡單。仿真和實驗結(jié)果表明，把消諧波SPWM和載波相移SPWM相結(jié)合的控制方法應(yīng)用于二極管箝位五電平級聯(lián)H橋拓撲中，能夠進一步提高輸出功率和電壓等級，提高等效載波頻率，降低器件的開關(guān)損耗和輸出濾波器的體積，為直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)在輸出沒有變壓器的情況下直接并入中壓電網(wǎng)提供了可能。
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