一種提高風力發電系統穩定的方法研究

祝若男，廖家平，賀 誠

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢430068）

變速恒頻（VSCF）直驅風力發電機系統去除了變速箱，提高了轉速和效率，并增強了可靠性，同時減少了維護費用和直接成本［1］。隨著直驅風力渦輪機功率容量的增加，多電平逆變技術可用于大功率、高電壓場合去提高電壓波形，并減少EMI，其在直驅風力發電系統中的應用前景也將會更加廣泛。載波移相SPWM技術在多電平逆變技術中成為首選，本文將著重討論CPS-SPWM的應用［2］。

1 直驅風力發電系統拓撲分析

直驅風力發電系統包含永磁同步發電機（PMSG）和 AC-DC-AC 電 力 電 子 轉 換 器，并 由PWM控制。直驅風力發電機系統原理如圖1所示，風力渦輪跟永磁同步發電機直接連接，發電機輸出的交流電壓通過二極管整流器轉變成直流電，然后再逆變成交流電供給電網。

圖1 直驅風力發電系統原理圖

本文提出了兩種改進的級聯逆變器。一種稱為混合級聯逆變器，它是由基于級聯的二極管鉗位型逆變器模型和H橋模型構成，且兩種模型的前段直流電壓要設為不同。三相混合級聯逆變器拓撲模型見圖2，每一相都有相同的結構。另外一種稱為二極管鉗位型的級聯逆變器，它是由兩個二極管鉗位型的級聯逆變器模型串聯組成，兩個串聯部分直流總線電壓一致。三相二極管鉗位級聯逆變器拓撲模型見圖3，它是由兩個二極管鉗位型逆變器串聯組成，并有相同的直流總線電壓［3］。

以上兩種拓撲結構都廣泛應用于直驅風力發電系統中，并且適合應用于大功率場合。這兩種拓撲模型的可行性通過CPS-SPWM技術得到了仿真驗證。

2 混合級聯逆變器拓撲

普通H橋逆變器采用SPWM調制并且擁有較高的開關頻率，雖然輸出只有兩種電平，但輸出波形的諧波失真較低。隨著等效開關頻率的提出，混合級聯多電平逆變器應運而生。

圖4為混合級聯逆變器拓撲結構，它是由5電平二極管鉗位型逆變器和一個3電平H橋逆變器串聯組成，二者的前端直流電壓不一致。

二極管鉗位型逆變器可以選擇高開關頻率低電壓設備，例如IGBT。在混合調制技術的基礎上，提高開關頻率可以進一步減少輸出諧波［4］。

圖2 三相混合級聯逆變器拓撲

圖3 三相二極管鉗位級聯逆變器拓撲

圖4 混合級聯逆變器拓撲

2.1 CPS-SPWM的實現以及方波調制方法

CPS-SPWM調制策略適合大功率電力電子設備，例如多電平逆變器。通過抵消低次諧波的技術，實現在低的開關頻率基礎上產生高的等效開關頻率。CPS-SPWM調制策略具有很好的諧波性能［5］，這里分析和討論CPS-SPWM在兩種級聯多電平逆變器拓撲中的應用。

CPS-SPWM的原理（圖5）描述如下:4個振幅相同的三角波分別為r1，r2，r3，r4。r1，r3同相位；r2，r4同相位；r1，r2反相位。每一個三角波都分別與調制波S1相比較。在這個控制過程中，驅動信號g1、載波r1，S1驅動開關管Q1，如果r1大于S1，g1將是高電平。g3驅動開關管Q3；驅動信號g2、載波r3，S1驅動開關管Q2，g4驅動開關管Q4；驅動信號g8、載波r2，S1驅動開關管Q8，g6驅動開關管Q6；驅動信號g7、載波r4，S1驅動開關管Q7，g5驅動開關管Q［6］。5

圖5 CPS-SPWM原理圖

方波調制應用在CELL 2中。CELL 2的輸出方波見圖6。當Vref＞E時，CELL 2將輸出幅值為E的方波；當Vref＜－E時，CELL 2將輸出幅值為－E的方波［7］。

圖6 CELL 2方波調制原理圖

2.2 仿真實現

用MATLAB/SIMULINK來仿真混合級聯逆變器拓撲，采用CPS-SPWM調制方法。主要參數是:載波比Kc＝40，調制比m＝0.8，DC電壓u＝1 000V。輸出電壓頻率f＝50Hz，開關頻率fs＝2 000Hz，其輸出電壓波形見圖7。

圖7 混合級聯逆變器輸出電壓波形

圖7 a為H橋輸出電壓波形，輸出電壓為3電平的電壓。圖7b為二極管鉗位結構輸出電壓波形，輸出電壓為5電平的電壓。圖7c為混合級聯逆變結構輸出電壓波形，輸出電壓為7電平的合成電壓，分別為3 000V，2 000V，1 000V，0，－1 000V，－2 000V，－3 000V。

圖8為A相輸出電壓波形，輸出的相電壓為7電平電壓，周期為20ms。主要諧波的頻率集中在4 000Hz，而三角波頻率是2 000Hz。由于使用CPS-SPWM技術抵消了低次諧波，因此等效開關頻率得到了進一步提高。

圖8 A相輸出電壓波形

3 二極管鉗位的級聯拓撲

本系統建立在幾個5電平二極管逆變器的模型之上，它們的輸出合成了多電平波形。為了清楚地闡述提出的逆變器模型，圖9給出了關于該逆變器的例子。它由兩個二極管鉗位型的多電平逆變器串聯，而且可以選擇高頻率的開關管，例如IGBT。因為每個二極管鉗位逆變器的直流母線電壓都是2E，所以逆變器最終輸出的電壓波形是9電平（＋4E，＋3E，＋2E，＋E，0，－E，－2E，－3E，－4E）［8］。

圖9 二極管鉗位級聯多電平逆變器

3.1 CPS-SPWM 調制技術

圖10 為二極管鉗位的級聯逆變器的調制技術。CELL 2的載波信號每Ts/4變化一次，Ts是載波信號周期，調制方法不再贅述。

圖10 二級管鉗位的級聯逆變器的調制技術

3.2 仿真實現

通過 MATLAB/SIMULINK對二極管鉗位型的逆變器進行仿真驗證。主要參數是:載波比Kc＝40，調制比m＝0.8，DC 為E ＝1 000V，輸出電壓頻率50Hz，開關管頻率fs＝2 000Hz。輸出電壓波形見圖11，它包括三種不同電壓波形。圖11a為CELL 1輸出電壓波形，輸出電壓是5電平的電壓（2 000V，1 000V，0，－1 000V，－2 000V）。圖11b為CELL 2輸出電壓波形，也是5電平的電壓（2 000V，1 000V，0，－1 000V，－2 000V）。圖11c為該逆變器最終輸出波形，輸出電壓是9電平的電壓（4 000V，3 000V，2 000V，1 000V，0，－1 000V，－2 000V，－3 000V，－4 000V）。

圖11 二極管鉗位級聯逆變器輸出電壓波形

頻譜特性見圖12，其頻譜集中在8 000Hz，開關頻率增加4倍。從圖中可知低次諧波電壓較低，由此可以充分提高該逆變器系統的開關管頻率。

圖12 輸出電壓頻譜圖

4 結論

本文提出了兩種級聯多電平逆變器的拓撲結構，混合級聯逆變器以及二極管鉗位型的級聯逆變器，并且通過仿真實驗驗證它們各自的優點。結果表明:混合級聯逆變器和二極管鉗位型的級聯逆變器在輸入較低的du/dt和較高的等效開關頻率時，都可以輸出高電壓低THD的波形，在風力發電系統中有很好的應用前景。

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［2］ Shen Hong，Wang Weisheng，Dai Huizhu.Reactive power limit of variable speed constant-frequency wind turbine［J］.Power system technology，2003，27（11）:60-63.

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