风电系统中大功率逆变器及其相应调制策略分析

0 引言

在目前的MW级大容量变速恒频风力发电系统中，双馈型是主流机型，与双馈型相比，直驱型减少了齿轮箱，降低了系统成本和维护成本，因为齿轮箱价格昂贵，易于损坏且维修复杂，我国尚不能完全独立生产;发电机采用永磁同步发电机，能量密度大，转速低，可靠性提高;但直驱型所用的逆变器需要传递全部电能，对容量要求比较大，增加了逆变器的制造难度，同时，永磁同步发电机转速很低，发电机体

积大、成本较高。

风力发电机的单机容量越来越大，更多的风力发电拓扑正在被研究和开发中。就目前情况来看，双馈型风力发电机仍占主流，然而直驱型风力发电机组以其固有的优势也逐渐受到关注，例如我国新疆金风科技股份公司已研制成功1.2 MW 直驱型风力发电机组并成功实现并网运行。

直驱型风力发电系统中，电能都要通过逆变器传递到电网上，这就要求功率器件具备较高的功率等级。然而受功率器件耐压极限和制作工艺的限制，单一功率器件的容量是有限的，同时，由于逆变器的功率很大，基于降低开关损耗，器件的开关频率也不可能太高，但开关频率太低又会导致逆变器输出波形的畸变率增加，进而增加后续滤波器的设计难度，并对电网产生污染。因此适合于直驱型风力发电系统的逆变器拓扑须很好地进行研究。

逆变器作为风力电能回馈至电网的唯一通路，对其容量、可靠性、响应速度和并网特性等各方面要求很高。逆变器的设计和制造，是直驱型风力发电系统的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。

1 大功率逆变器拓扑结构

逆变器的作用是完成电能由直流到交流的变换，逆变器的研究和发展现状同变频器的发展状况密切相关，这是因为在变频器主要采用的交-直-交变频方案中，第一部分需要整流来完成，而第二部分便需要逆变来完成。

大功率是指功率等级在数百kW 以上，而高电压是指电压等级为3 kV，6 kV，10 kV或更高，高压变频器采用的方案有交-交变频器和交-直-交变频器等]。交-交变频器由于谐波污染严重，功率因数低等缺点，需要增加滤波装置，无功补偿装置等，从而增加了设备的投资;随着全控电力电子器件的蓬勃发展，变频器领域已逐步出现交-直-交变频器一统天下的局面。可以这样说，大功率变频器的研究现状，在一定程度上也就是大功率逆变器的研究现状，回顾高压大功率逆变器以及大电流大功率逆变器的发展历史及现状，对于研究大功率逆变器具有重要的借鉴意义。

1.1 器件串并联型大功率变频器

美国罗克韦尔(AB)公司18脉冲整流器的Bulletin1557变频器拓扑如图1所示，其电路结构为交-直-交电流源型，采用功率器件GTO串联的两电平逆变器，是利用器件的串联实现高压，从而提高逆变器容量的。

由图1可以看出，Bulletin 1557变频器前端采用18 脉冲晶闸管整流，中间经电抗器后直接与后端GTO串联两电平逆变器相接，拓扑结构简单，故障点少。

成都佳灵电气制造有限公司采用IGBT直接串联方式研发成功了高压变频器，使高压变频器具有和低压变频器一样简单的结构。其拓扑结构如图2所示，可以看出该系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波

电抗器和电容滤波，再经逆变器逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，可供给高压电动机或接变压器耦合入电网。

采用器件串并联方式提高逆变器的功率，具有拓扑结构简单，功率器件个数少等优点。但器件串联会带来器件的均压问题，器件并联会带来器件的均流问题，因而对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串并联器件同时导通和关断，否则由于各器件开断时间不一，承受电压不均或分流不均，会导致器件损坏甚至整个逆变器崩溃。

1.2 多电平大功率变频器

多电平变频器本质依赖于内部多电平逆变器的“多电平逆变”功能，相对于传统的两电平变频器，其主要优点在于单个器件承受的电压应力小，更容易实现高压大功率;在相同开关频率下，输出波形更接近正弦波，谐波含量更低;同时还大大减轻了电磁干扰(EMI)问题。

ABB 公司生产的ACS 1000 系列变频器采用三电平拓扑结构。其内部逆变器部分功率器件采用集成门极换流晶闸管(IGCT)，所用拓扑为二极管箝位型三电平拓扑，输出的电压等级有2.2 kV，3.3 kV和4.16 kV。图3所示为ABB公司ACS 1000系列12脉冲整流三电平电压源变频器的主电路拓扑图。西门子公司采用高压IGBT器件，生产了与之类似的变频

器SIMOVERTMV。

法国阿尔斯通(ALSTOM)公司采用飞跨电容型四电平拓扑，基于功率器件IGBT 生产出ALSPAVDM6000 系列高压变频器，其主电路拓扑如图4所示。

分析图4可知，该拓扑在功率器件串联的基础上，引入了电容进行箝位，保证了电压的安全分配。

其主要特点为：

1)通过整体单元装置的串并联拓扑结构以满足不同的电压等级(如3.3 kV，4.16 kV，6.6 kV，10 kV)的需要;

2)可使系统普遍采用直流母线方案，以实现多台高压变频器之间能量的互相交换;

3)这种结构没有传统结构中的各级功率器件上的众多分压分流装置，消除了系统可靠性低的因素，从而使系统结构非常简单可靠，易于维护;

4)输出波形非常接近正弦波，可适用于普通感应电机和同步电机调速，而无须降低容量，没有dv/dt对电机绝缘等的影响;

5)ALSPAVDM6000系列高压变频器可根据电网对谐波的不同要求采用12脉冲、18脉冲的二极管整流或晶闸管整流。

法国ALSTOM 还基于IGCT 开发出了飞跨电容型五电平变频器。飞跨电容型多电平逆变器的优点是多电平输出、电路结构简单、可满足高压运行要求，缺点是需要的电容多、控制技术复杂、且需要额外的电容预充电电路。

1.3 并联逆变器

并联逆变器运行过程中，两个或多个逆变器单元呈并联形式向负载或电网送出功率。德国BENNING电源电子有限公司的逆变器产品便是采用的并联逆变器拓扑，如图5所示。

其特点为：

1)采用高频开关技术及复杂的生产技术和高质量的电子元器件，结构紧密、重量轻、效率高;

2)多个逆变单元并联，可实现n+1冗余，可靠性高，并可给线性与非线性负载供电;

3)所有的监测与控制单元内在的安全设计确保对连接的负载不间断供电;

4)加装了EUE(静态电子旁路)以提高系统安全性。

逆变器并联提高了电流等级，从而提高了逆变器的功率，且易于实现多级冗余并联，提高整体运行的稳定性。然而，多个逆变器单元并联运行，增加了控制的难度，且还可能引起环流问题，因此应选用一定的调制方案和控制方法加以控制和抑制。

1.4 变频器多重化

多重化技术就是每相由几个低压PWM 变流模块串联而成，各变流模块由一个多绕组隔离变压器供电来实现大功率。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。

美国罗宾康(Robicon)公司利用单元串并联多重化技术，生产出了功率为315 kW~10 MW的完美无谐波(Perfect Harmony)高压变频器，无须输出变压器实现了直接3.3 kV或6 kV高压输出。其中共采用了三项高压变频技术：

1)在输出逆变部分采用了具有独立电源的单相桥式SPWM逆变器直接叠加技术;

2)在输入整流部分采用了多相多重叠加整流技术;

3)在结构上采用了功率单元模块化技术，实现了完美无谐波的输出波形，无须外加滤波器即可满足各国供电部门对谐波的严格要求，其功率因数可达0.95以上，THD1%，总体效率高达97%。

如图6所示，每个变流模块均为三相输入、单相输出的低压PWM电压型变流器，变流模块的拓扑如图7 所示。每个变流模块可以输出-1，0，1 三种电平，每相5 个功率单元叠加，就可以产生11 种不同的电平，分别为±5U，±4U，±3U，±2U，±U，0，其中U 为每个变流单元输出的最大电压。用多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM 电