風力發(fā)電系統(tǒng)中的多電平變流器控制技術

楊雯婷

摘 要：文章簡要敘述了我國風力發(fā)電現狀，對比了當前多電平三種基本拓撲結構在直驅式發(fā)電系統(tǒng)中的優(yōu)缺點和技術難點，以及實際應用中存在的問題，為進一步設計研究直驅風力發(fā)電系統(tǒng)中的大功率變流器提供了參考基礎。

關鍵詞：風電系統(tǒng)；多電平變流器；變頻恒速

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.151

1 引言

近年以來，能源問題已經對全球產生巨大影響，各種可再生能源比如風力發(fā)電系統(tǒng)（WPGS）和光伏發(fā)電系統(tǒng)（PV）已經得到了廣泛的關注和研究[1]。在國家“十二五”規(guī)劃中，風力發(fā)電的目標是在 2015 年全國累計風電裝機總容量達100GW，到2020 年，目標是超過50GW[2]。但由于目前大部分可再生能源發(fā)電裝置所產生的電能具有間歇性和不可預測性等特點，對電網電壓和頻率產生影響，電能質量難以保證。

2 風力發(fā)電系統(tǒng)分類

（1）恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指發(fā)電機在發(fā)電過程中，保持其轉速不變，來得到和電網頻率一樣的恒頻電能。該系統(tǒng)雖然結構簡單，但是存在許多缺點：風速改變時，風力機轉速不變，對風能利用率下降；風速突變時，變化的風能對主軸、齒輪箱、發(fā)電機等部件產生較大應力；并網時會產生大沖擊電流；所用的異步發(fā)電機一邊發(fā)出有功功率，一邊消耗著無功功率。因此，變速風機組越來越受重視。

（2）變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電機在該系統(tǒng)內，當風速變化時，其轉速也隨之變化，得到和電網頻率一致的恒頻電能。這種系統(tǒng)可以使風力機的風能利用系數在額定風速以下的整個運行范圍內都處于最大值，從而可比恒速運行獲取更多的能量。當風速發(fā)生特別大的變化時，風輪吸收完產生的風能以動能形式儲存起來，在電力電子裝置控制下，釋放能量，送入電網。其平穩(wěn)安全受到肯定。

近年來直驅式永磁風電機組逐漸表現出發(fā)展?jié)摿?。它采用永磁同步發(fā)電機和變流裝置省去雙饋型變速恒頻系統(tǒng)的齒輪箱、滑環(huán)電刷等薄弱環(huán)節(jié)。因此，該系統(tǒng)成為了風力發(fā)電技術領域的一個重要發(fā)展方向。系統(tǒng)中讓電能回饋至電網，所用的裝置即變流器。因此設計中，對變流器的響應速度、可靠性、并網特性等方面有較高要求。該技術的掌握對于推動我過風電事業(yè)發(fā)展，可再生能源的自主創(chuàng)新能力提升具有重要意義。

3 風電系統(tǒng)中的多電平變流技術

（1）二極管箝位型多電平技術。圖1所示為二極管箝位型三電平變流器，該應用形式已比較成熟。變流器結構為背靠雙背PWM，逆變側和整流側都是二極管箝位型三電平變流器。直流側串聯(lián)兩個相同規(guī)格的電容器，其中點作為三電平變流器箝位點。

該變流器具有多重化和脈寬調制優(yōu)點：交流側不再需要變壓器聯(lián)接，傳輸帶寬好，動態(tài)相應好；輸出功率大，等效開關頻率高等。但是也存在箝位二極管承受電壓不均勻的缺點，其開關器件的控制較為復雜，使七電平以上在實際工作中難以控制。

（2） 電容箝位型多電平變流器。圖2所示為電容箝位型三電平變流器，該結構與二極管箝位型應用相似，合成的自由度和靈活性提高的同時，因為大電容的引入同樣增入了體積龐大成本高等難題，且包括直流分壓電容電壓不均衡問題。另，該拓撲結構開關頻率增高，損耗也隨之增大。

（3）級聯(lián)H橋型多電平變流器。圖3所示為級聯(lián)型五電平變流器結構。該變流器每相由N個H單元級聯(lián)而成，輸出的相電壓平數為M=2N+1。該系統(tǒng)有如下優(yōu)點：1）因各功率結構相同，便于設計的模塊化和封裝；2）控制方法簡單，可分別對每級進行PWM控制后進行波形重組；若有一個單元出現故障問題，其余功率單元可照常可靠運行；3）直流側不需要箝位器件，全部采用了獨立電源供電，電壓均衡問題得以解決；4）對于相同電平數，級聯(lián)型所需器件數目最少，諧波含量更少，更適合高電壓使用場合。當然該系統(tǒng)也存在不足之處，每個基本H橋單元均要獨立直流電源，成本高，體積龐大，不易實現四象限運行。盡管如此，其優(yōu)勢讓該結構在直驅風力發(fā)電系統(tǒng)中應用非常普遍。

實際應用中，通常使移相變壓器生成多個彼此電氣隔離三相電源，再整流為各獨立直流電源。因移相變壓器的引入，其適用于風力系統(tǒng)的設計是一個待解決的問題。

4 結束語

風力發(fā)電技術是一個新興領域，其系統(tǒng)復雜性和學科交叉性需要理論與實踐并重。直驅功率發(fā)電系統(tǒng)在目前應用越來越廣泛，隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，多電平技術日漸成熟，其優(yōu)良的性能將越來越多應用于新能源領域。

參考文獻：

[1]張德豐.MATLAB/Simulink 建模與仿真實例精講.第一版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：212-271.

[2]洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：123-128.