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

壓型變頻器，拓?fù)渲胁捎?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/功率">功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，因此不存在器件均壓?jiǎn)栴}。每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15 的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術(shù)，由5 對(duì)依次相移12°的三角載波對(duì)基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對(duì)A相基波調(diào)制所得的5個(gè)信號(hào)，分別控制A相5個(gè)功率單元，經(jīng)疊加后可得具有11級(jí)階梯的相電壓波形，線電壓波形具有21 階梯，相當(dāng)于30 脈波變頻，理論上29 次以下的諧波都可以抵消。

其缺點(diǎn)主要有：

1)使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，裝置的體積大，重量大;

2)無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)制動(dòng);

3)當(dāng)電網(wǎng)電壓與電機(jī)電壓不同時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)旁路切換控制。

1.5 多電平結(jié)合多重化型變頻器

圖8所示為日本富士公司采用高壓IGBT 開發(fā)的中壓變頻器FRENIC 4600 FM4 系列拓?fù)鋱D[9]，該拓?fù)鋮R集了多電平和多重化變頻器的許多優(yōu)點(diǎn)，以多個(gè)中壓三電平PWM 變流模塊多重化串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，因此構(gòu)成了一個(gè)雙完美無(wú)諧波系統(tǒng)，即對(duì)電網(wǎng)為多重疊加整流，達(dá)到和超過了國(guó)際諧波標(biāo)準(zhǔn)(IEEE519-1992)的要求;對(duì)電動(dòng)機(jī)為完美無(wú)諧波正弦波輸出，可以直接接任何品牌的交流籠型電動(dòng)機(jī)。

由于該類型變頻器采用了高壓整流二極管和高壓IGBT，因此系統(tǒng)主回路使用的器件大為減少，提高了可靠性，降低了損耗，變頻器的綜合效率可達(dá)98%，功率因數(shù)可達(dá)0.95。然而，如圖9所示，其變流

模塊采用的是12 脈沖整流結(jié)合二極管箝位三電平拓?fù)?，所用器件個(gè)數(shù)多，導(dǎo)致整體性價(jià)比較低，因此價(jià)格優(yōu)勢(shì)并不大。

1.6 級(jí)聯(lián)H橋型逆變器

級(jí)聯(lián)H 橋多電平逆變器是目前工業(yè)應(yīng)用較為成熟的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖10。國(guó)內(nèi)外有多家公司的變頻器逆變部分都是基于H 橋級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)涞?，例如美?guó)羅賓康(Robicon)公司的HARMONY 系列變頻器。電網(wǎng)電壓經(jīng)變壓器降低到所允許的電壓，在逆變器各相中，串入單相逆變器，實(shí)現(xiàn)高壓輸出，直接供給高壓電動(dòng)機(jī)。這種方式不需要輸出變壓器，電

流波形接近正弦，其輸出電壓的高低范圍由串入的單相逆變器數(shù)量決定。由于采用直接高壓輸出，內(nèi)部省去了升壓變壓器，故有體積小、效率高、輸出頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛，但是需要有多組獨(dú)立的直流母線。

2 調(diào)制策略

調(diào)制策略的選擇對(duì)于逆變器是至關(guān)重要的，不同的調(diào)制策略，在可靠性、諧波含量、成本等方面對(duì)逆變器都有重要影響。目前常用的調(diào)制策略有如下幾種：優(yōu)化PWM 策略、基于載波及載波組的PWM策略、空間矢量調(diào)制(Space Vector PWM, 簡(jiǎn)稱SVPWM)、載波相移正弦波脈寬調(diào)制(Carrier phaseshifted SPWM，簡(jiǎn)稱CPS-SPWM)、錯(cuò)時(shí)采樣空間矢量

調(diào)制(Sample Time Staggered SVM，簡(jiǎn)稱STS-SVM)等。

2.1 優(yōu)化PWM策略

優(yōu)化PWM 策略是基于輸出電壓波形的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式，以消除低次諧波、總諧波畸變率最小和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小等要求為目標(biāo)函數(shù)，求解PWM 脈沖波形的一種方法。其中特定諧波消除調(diào)制方法(Selected Harmonic Eliminated Modulation，簡(jiǎn)稱

SHEM)是最常用的優(yōu)化PWM 方法。但由于優(yōu)化PWM方法需要采用數(shù)值方法計(jì)算大量的開關(guān)角度，實(shí)時(shí)在線計(jì)算較為困難。另外由于開關(guān)模式已被預(yù)先設(shè)定，這種方法在控制上的靈活性較差，主要應(yīng)用在一些對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)要求不高的場(chǎng)合，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器等。

2.2 基于載波及載波組的PWM技術(shù)

基于載波的PWM 技術(shù)是基于采樣控制理論中“沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同”的結(jié)論。通常選擇載波為三角波，根據(jù)載波與調(diào)制波的相交點(diǎn)作為開關(guān)狀態(tài)切換的依據(jù)，原理簡(jiǎn)單，算法也比較成熟。

基于載波組的PWM 技術(shù)是單一載波PWM 的延伸和推廣，可廣泛應(yīng)用于具有多組開關(guān)的拓?fù)渲?，根?jù)載波組中各載波的相位關(guān)系，還可以進(jìn)一步細(xì)分為如圖11所示的A、B、C 三種。

2.3 空間矢量調(diào)制

空間矢量調(diào)制以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)三相對(duì)稱電動(dòng)機(jī)定子的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，由三相逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶咳ケ平鶞?zhǔn)磁鏈圓，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)。與載波調(diào)制相比，SVM方法具有直流電壓利用率高、諧波性能好、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

因此在二電平逆變器和三電平NPC 逆變器中得到了廣泛的研究和應(yīng)用，在二電平逆變器中的應(yīng)用較為成熟。但隨著電平數(shù)的增加，逆變器空間電壓矢量數(shù)目急劇增加，增加了SVM方法選擇空間電壓矢量的難度，使得多電平SVM 方法大多都十分復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來需要較多的計(jì)算時(shí)間。

2.4 載波相移正弦波脈寬調(diào)制

CPS-SPWM 技術(shù)由于能在大功率場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)SPWM 技術(shù)，可以極大地改善輸出波形，減小輸出諧波，從而相應(yīng)減小了濾波器的容量，降低了成本，并可以提高系統(tǒng)等效開關(guān)頻率和傳輸帶寬，但需要增加相應(yīng)的控制電路和脈沖產(chǎn)生電路。

2.5 錯(cuò)時(shí)采樣空間矢量調(diào)制

STS-SVM是受CPS-SPWM技術(shù)啟發(fā)，融合SVM調(diào)制方法而得到一種適合多電平變流器的空間矢量調(diào)制方法。簡(jiǎn)而言之就是將各變流器單元的采樣時(shí)間錯(cuò)開。具體地講，在組合變流器中，n個(gè)變流器單元在相同頻率調(diào)制比KC、幅度調(diào)制比m下，進(jìn)行SVM調(diào)制;各變流器單元采樣時(shí)間依次相位差為2π/nKC。

STS-SVM技術(shù)比較于載波CPS-SPWM技術(shù)，有電壓利用率高，開關(guān)頻率小，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

美國(guó)Robicon 公司開發(fā)成功功率單元串聯(lián)的高壓變頻器，由于它諧波含量低、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，被稱為“完美無(wú)諧波”變頻器，在我國(guó)的市場(chǎng)上占據(jù)了一定的優(yōu)勢(shì)。在多電平逆變器領(lǐng)域，Siemens、ABB、GE等公司相繼開發(fā)成功中點(diǎn)箝位的三電平高壓逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，但所用的功率器件不同，如Siemens 采用IGBT，ABB 采用IGCT。我國(guó)成都佳靈電氣制造有限公司自主研制開發(fā)、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直接串聯(lián)IGBT高壓逆變器，申請(qǐng)了多項(xiàng)專利。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似于低壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是功率器件由單個(gè)IGBT改換為幾只IGBT的串聯(lián)所取代。風(fēng)電系統(tǒng)中所需的大功率逆變器無(wú)論從拓?fù)溥x型上還是從調(diào)制策略上正在日趨成熟，預(yù)計(jì)在近幾年會(huì)有大規(guī)模的發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介：

李建林(1976-)，男，博士，中科院電工所助理研究員，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

胡書舉(1978-)，男，中科院電工所博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)。

許洪華(1967-)，男，中科院電工所可再生能源研究部主任，研究員，博導(dǎo)，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)光伏發(fā)電以及電力電子技術(shù)。