風(fēng)電系統(tǒng)中大功率逆變器及其相應(yīng)調(diào)制策略分析

0 引言

在目前的MW級(jí)大容量變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋型是主流機(jī)型，與雙饋型相比，直驅(qū)型減少了齒輪箱，降低了系統(tǒng)成本和維護(hù)成本，因?yàn)辇X輪箱價(jià)格昂貴，易于損壞且維修復(fù)雜，我國(guó)尚不能完全獨(dú)立生產(chǎn);發(fā)電機(jī)采用永磁同步發(fā)電機(jī)，能量密度大，轉(zhuǎn)速低，可靠性提高;但直驅(qū)型所用的逆變器需要傳遞全部電能，對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)速很低，發(fā)電機(jī)體

積大、成本較高。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量越來(lái)越大，更多的風(fēng)力發(fā)電拓?fù)湔诒谎芯亢烷_(kāi)發(fā)中。就目前情況來(lái)看，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍占主流，然而直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以其固有的優(yōu)勢(shì)也逐漸受到關(guān)注，例如我國(guó)新疆金風(fēng)科技股份公司已研制成功1.2 MW 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(jí)。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(dǎo)致逆變器輸出波形的畸變率增加，進(jìn)而增加后續(xù)濾波器的設(shè)計(jì)難度，并對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。因此適合于直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的逆變器拓?fù)漤毢芎玫剡M(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(duì)其容量、可靠性、響應(yīng)速度和并網(wǎng)特性等各方面要求很高。逆變器的設(shè)計(jì)和制造，是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，它對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行很重要，掌握這項(xiàng)技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(xiàn)狀同變頻器的發(fā)展?fàn)顩r密切相關(guān)，這是因?yàn)樵谧冾l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(jí)在數(shù)百kW 以上，而高電壓是指電壓等級(jí)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(yán)重，功率因數(shù)低等缺點(diǎn)，需要增加濾波裝置，無(wú)功補(bǔ)償裝置等，從而增加了設(shè)備的投資;隨著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(xiàn)交-直-交變頻器一統(tǒng)天下的局面?？梢赃@樣說(shuō)，大功率變頻器的研究現(xiàn)狀，在一定程度上也就是大功率逆變器的研究現(xiàn)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(xiàn)狀，對(duì)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(guó)羅克韋爾(AB)公司18脈沖整流器的Bulletin1557變頻器拓?fù)淙鐖D1所示，其電路結(jié)構(gòu)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(xiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，可以看出該系統(tǒng)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(xiàn)高壓變頻輸出，可供給高壓電動(dòng)機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率器件個(gè)數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。但器件串聯(lián)會(huì)帶來(lái)器件的均壓?jiǎn)栴}，器件并聯(lián)會(huì)帶來(lái)器件的均流問(wèn)題，因而對(duì)驅(qū)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(dǎo)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(dǎo)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)依賴于內(nèi)部多電平逆變器的“多電平逆變”功能，相對(duì)于傳統(tǒng)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(yīng)力小，更容易實(shí)現(xiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其內(nèi)部逆變器部分功率器件采用集成門極換流晶閘管(IGCT)，所用拓?fù)錇槎O管箝位型三電平拓?fù)?，輸出的電壓等?jí)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?fù)鋱D。西門子公司采用高壓IGBT器件，生產(chǎn)了與之類似的變頻

器SIMOVERTMV。

法國(guó)阿爾斯通(ALSTOM)公司采用飛跨電容型四電平拓?fù)?，基于功率器件IGBT 生產(chǎn)出ALSPAVDM6000 系列高壓變頻器，其主電路拓?fù)淙鐖D4所示。

分析圖4可知，該拓?fù)湓诠β势骷?lián)的基礎(chǔ)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿足不同的電壓等級(jí)(如3.3 kV，4.16 kV，6.6 kV，10 kV)的需要;

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

3)這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各級(jí)功率器件上的眾多分壓分流裝置，消除了系統(tǒng)可靠性低的因素，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單可靠，易于維護(hù);

4)輸出波形非常接近正弦波，可適用于普通感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)調(diào)速，而無(wú)須降低容量，沒(méi)有dv/dt對(duì)電機(jī)絕緣等的影響;

5)ALSPAVDM6000系列高壓變頻器可根據(jù)電網(wǎng)對(duì)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(guó)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可滿足高壓運(yùn)行要求，缺點(diǎn)是需要的電容多、控制技術(shù)復(fù)雜、且需要額外的電容預(yù)充電電路。

1.3 并聯(lián)逆變器

并聯(lián)逆變器運(yùn)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(fù)載或電網(wǎng)送出功率。德國(guó)BENNING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?fù)?，如圖5所示。

其特點(diǎn)為：

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

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

3)所有的監(jiān)測(cè)與控制單元內(nèi)在的安全設(shè)計(jì)確保對(duì)連接的負(fù)載不間斷供電;

4)加裝了EUE(靜態(tài)電子旁路)以提高系統(tǒng)安全性。

逆變器并聯(lián)提高了電流等級(jí)，從而提高了逆變器的功率，且易于實(shí)現(xiàn)多級(jí)冗余并聯(lián)，提高整體運(yùn)行的穩(wěn)定性。然而，多個(gè)逆變器單元并聯(lián)運(yùn)行，增加了控制的難度，且還可能引起環(huán)流問(wèn)題，因此應(yīng)選用一定的調(diào)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(xiàn)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(xiàn)完美無(wú)諧波變頻。

美國(guó)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(xiàn)了直接3.3 kV或6 kV高壓輸出。其中共采用了三項(xiàng)高壓變頻技術(shù)：

1)在輸出逆變部分采用了具有獨(dú)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(jié)構(gòu)上采用了功率單元模塊化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了完美無(wú)諧波的輸出波形，無(wú)須外加濾波器即可滿足各國(guó)供電部門對(duì)諧波的嚴(yán)格要求，其功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，THD1%，總體效率高達(dá)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?fù)淙鐖D7 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(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM 電