風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的多電平變流器控制技術(shù)

楊雯婷

摘 要：文章簡要敘述了我國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀，對比了當(dāng)前多電平三種基本拓撲結(jié)構(gòu)在直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)中的優(yōu)缺點和技術(shù)難點，以及實際應(yīng)用中存在的問題，為進一步設(shè)計研究直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的大功率變流器提供了參考基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)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(jīng)對全球產(chǎn)生巨大影響，各種可再生能源比如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（WPGS）和光伏發(fā)電系統(tǒng)（PV）已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和研究[1]。在國家“十二五”規(guī)劃中，風(fēng)力發(fā)電的目標(biāo)是在 2015 年全國累計風(fēng)電裝機總?cè)萘窟_100GW，到2020 年，目標(biāo)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(chǎn)生的電能具有間歇性和不可預(yù)測性等特點，對電網(wǎng)電壓和頻率產(chǎn)生影響，電能質(zhì)量難以保證。

2 風(fēng)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(zhuǎn)速不變，來得到和電網(wǎng)頻率一樣的恒頻電能。該系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是存在許多缺點：風(fēng)速改變時，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不變，對風(fēng)能利用率下降；風(fēng)速突變時，變化的風(fēng)能對主軸、齒輪箱、發(fā)電機等部件產(chǎn)生較大應(yīng)力；并網(wǎng)時會產(chǎn)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(fēng)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(nèi)，當(dāng)風(fēng)速變化時，其轉(zhuǎn)速也隨之變化，得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。這種系統(tǒng)可以使風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)在額定風(fēng)速以下的整個運行范圍內(nèi)都處于最大值，從而可比恒速運行獲取更多的能量。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生特別大的變化時，風(fēng)輪吸收完產(chǎn)生的風(fēng)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(wǎng)。其平穩(wěn)安全受到肯定。

近年來直驅(qū)式永磁風(fēng)電機組逐漸表現(xiàn)出發(fā)展?jié)摿ΑＫ捎糜来磐桨l(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(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。系統(tǒng)中讓電能回饋至電網(wǎng)，所用的裝置即變流器。因此設(shè)計中，對變流器的響應(yīng)速度、可靠性、并網(wǎng)特性等方面有較高要求。該技術(shù)的掌握對于推動我過風(fēng)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(fēng)電系統(tǒng)中的多電平變流技術(shù)

（1）二極管箝位型多電平技術(shù)。圖1所示為二極管箝位型三電平變流器，該應(yīng)用形式已比較成熟。變流器結(jié)構(gòu)為背靠雙背PWM，逆變側(cè)和整流側(cè)都是二極管箝位型三電平變流器。直流側(cè)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(diào)制優(yōu)點：交流側(cè)不再需要變壓器聯(lián)接，傳輸帶寬好，動態(tài)相應(yīng)好；輸出功率大，等效開關(guān)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(guān)器件的控制較為復(fù)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(jié)構(gòu)與二極管箝位型應(yīng)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(jié)構(gòu)開關(guān)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(jié)構(gòu)。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(shù)為M=2N+1。該系統(tǒng)有如下優(yōu)點：1）因各功率結(jié)構(gòu)相同，便于設(shè)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(xiàn)故障問題，其余功率單元可照常可靠運行；3）直流側(cè)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(shù)，級聯(lián)型所需器件數(shù)目最少，諧波含量更少，更適合高電壓使用場合。當(dāng)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(xiàn)四象限運行。盡管如此，其優(yōu)勢讓該結(jié)構(gòu)在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。

實際應(yīng)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(fēng)力系統(tǒng)的設(shè)計是一個待解決的問題。

4 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一個新興領(lǐng)域，其系統(tǒng)復(fù)雜性和學(xué)科交叉性需要理論與實踐并重。直驅(qū)功率發(fā)電系統(tǒng)在目前應(yīng)用越來越廣泛，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，多電平技術(shù)日漸成熟，其優(yōu)良的性能將越來越多應(yīng)用于新能源領(lǐng)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.