一种提高风力发电系统稳定的方法研究

祝若男，廖家平，贺 诚

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉430068）

变速恒频（VSCF）直驱风力发电机系统去除了变速箱，提高了转速和效率，并增强了可靠性，同时减少了维护费用和直接成本［1］。随着直驱风力涡轮机功率容量的增加，多电平逆变技术可用于大功率、高电压场合去提高电压波形，并减少EMI，其在直驱风力发电系统中的应用前景也将会更加广泛。载波移相SPWM技术在多电平逆变技术中成为首选，本文将着重讨论CPS-SPWM的应用［2］。

1 直驱风力发电系统拓扑分析

直驱风力发电系统包含永磁同步发电机（PMSG）和 AC-DC-AC 电 力 电 子 转 换 器，并 由PWM控制。直驱风力发电机系统原理如图1所示，风力涡轮跟永磁同步发电机直接连接，发电机输出的交流电压通过二极管整流器转变成直流电，然后再逆变成交流电供给电网。

图1 直驱风力发电系统原理图

本文提出了两种改进的级联逆变器。一种称为混合级联逆变器，它是由基于级联的二极管钳位型逆变器模型和H桥模型构成，且两种模型的前段直流电压要设为不同。三相混合级联逆变器拓扑模型见图2，每一相都有相同的结构。另外一种称为二极管钳位型的级联逆变器，它是由两个二极管钳位型的级联逆变器模型串联组成，两个串联部分直流总线电压一致。三相二极管钳位级联逆变器拓扑模型见图3，它是由两个二极管钳位型逆变器串联组成，并有相同的直流总线电压［3］。

以上两种拓扑结构都广泛应用于直驱风力发电系统中，并且适合应用于大功率场合。这两种拓扑模型的可行性通过CPS-SPWM技术得到了仿真验证。

2 混合级联逆变器拓扑

普通H桥逆变器采用SPWM调制并且拥有较高的开关频率，虽然输出只有两种电平，但输出波形的谐波失真较低。随着等效开关频率的提出，混合级联多电平逆变器应运而生。

图4为混合级联逆变器拓扑结构，它是由5电平二极管钳位型逆变器和一个3电平H桥逆变器串联组成，二者的前端直流电压不一致。

二极管钳位型逆变器可以选择高开关频率低电压设备，例如IGBT。在混合调制技术的基础上，提高开关频率可以进一步减少输出谐波［4］。

图2 三相混合级联逆变器拓扑

图3 三相二极管钳位级联逆变器拓扑

图4 混合级联逆变器拓扑

2.1 CPS-SPWM的实现以及方波调制方法

CPS-SPWM调制策略适合大功率电力电子设备，例如多电平逆变器。通过抵消低次谐波的技术，实现在低的开关频率基础上产生高的等效开关频率。CPS-SPWM调制策略具有很好的谐波性能［5］，这里分析和讨论CPS-SPWM在两种级联多电平逆变器拓扑中的应用。

CPS-SPWM的原理（图5）描述如下:4个振幅相同的三角波分别为r1，r2，r3，r4。r1，r3同相位；r2，r4同相位；r1，r2反相位。每一个三角波都分别与调制波S1相比较。在这个控制过程中，驱动信号g1、载波r1，S1驱动开关管Q1，如果r1大于S1，g1将是高电平。g3驱动开关管Q3；驱动信号g2、载波r3，S1驱动开关管Q2，g4驱动开关管Q4；驱动信号g8、载波r2，S1驱动开关管Q8，g6驱动开关管Q6；驱动信号g7、载波r4，S1驱动开关管Q7，g5驱动开关管Q［6］。5

图5 CPS-SPWM原理图

方波调制应用在CELL 2中。CELL 2的输出方波见图6。当Vref＞E时，CELL 2将输出幅值为E的方波；当Vref＜－E时，CELL 2将输出幅值为－E的方波［7］。

图6 CELL 2方波调制原理图

2.2 仿真实现

用MATLAB/SIMULINK来仿真混合级联逆变器拓扑，采用CPS-SPWM调制方法。主要参数是:载波比Kc＝40，调制比m＝0.8，DC电压u＝1 000V。输出电压频率f＝50Hz，开关频率fs＝2 000Hz，其输出电压波形见图7。

图7 混合级联逆变器输出电压波形

图7 a为H桥输出电压波形，输出电压为3电平的电压。图7b为二极管钳位结构输出电压波形，输出电压为5电平的电压。图7c为混合级联逆变结构输出电压波形，输出电压为7电平的合成电压，分别为3 000V，2 000V，1 000V，0，－1 000V，－2 000V，－3 000V。

图8为A相输出电压波形，输出的相电压为7电平电压，周期为20ms。主要谐波的频率集中在4 000Hz，而三角波频率是2 000Hz。由于使用CPS-SPWM技术抵消了低次谐波，因此等效开关频率得到了进一步提高。

图8 A相输出电压波形

3 二极管钳位的级联拓扑

本系统建立在几个5电平二极管逆变器的模型之上，它们的输出合成了多电平波形。为了清楚地阐述提出的逆变器模型，图9给出了关于该逆变器的例子。它由两个二极管钳位型的多电平逆变器串联，而且可以选择高频率的开关管，例如IGBT。因为每个二极管钳位逆变器的直流母线电压都是2E，所以逆变器最终输出的电压波形是9电平（＋4E，＋3E，＋2E，＋E，0，－E，－2E，－3E，－4E）［8］。

图9 二极管钳位级联多电平逆变器

3.1 CPS-SPWM 调制技术

图10 为二极管钳位的级联逆变器的调制技术。CELL 2的载波信号每Ts/4变化一次，Ts是载波信号周期，调制方法不再赘述。

图10 二级管钳位的级联逆变器的调制技术

3.2 仿真实现

通过 MATLAB/SIMULINK对二极管钳位型的逆变器进行仿真验证。主要参数是:载波比Kc＝40，调制比m＝0.8，DC 为E ＝1 000V，输出电压频率50Hz，开关管频率fs＝2 000Hz。输出电压波形见图11，它包括三种不同电压波形。图11a为CELL 1输出电压波形，输出电压是5电平的电压（2 000V，1 000V，0，－1 000V，－2 000V）。图11b为CELL 2输出电压波形，也是5电平的电压（2 000V，1 000V，0，－1 000V，－2 000V）。图11c为该逆变器最终输出波形，输出电压是9电平的电压（4 000V，3 000V，2 000V，1 000V，0，－1 000V，－2 000V，－3 000V，－4 000V）。

图11 二极管钳位级联逆变器输出电压波形

频谱特性见图12，其频谱集中在8 000Hz，开关频率增加4倍。从图中可知低次谐波电压较低，由此可以充分提高该逆变器系统的开关管频率。

图12 输出电压频谱图

4 结论

本文提出了两种级联多电平逆变器的拓扑结构，混合级联逆变器以及二极管钳位型的级联逆变器，并且通过仿真实验验证它们各自的优点。结果表明:混合级联逆变器和二极管钳位型的级联逆变器在输入较低的du/dt和较高的等效开关频率时，都可以输出高电压低THD的波形，在风力发电系统中有很好的应用前景。

［1］ Jianlin Li，Chunsheng Hu.Research on high power converters based on variable speed constant frequency direct-driven wind power system［C］.Beijing:David Publishing Company，2009.

［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.

［3］ Yun Xu，Yunping Zou，Xiong Liu，et al.A novel composite cascade multilevel converter［J］.The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society（IECON），2007，23（09）:33-41.

［4］Xianglian XU，Yunping Zou，Kai Ding，et al.“A statcom based on cascade multilevel inverter with phase-shift SPWM［C］.Singapore:IEEE Press，2004.

［5］ UK Richard Williams，Dave Stone，Martin Foster，Stephen Minshull.航空航天起动发电机用的背对背式连接的多级逆变器 ［J］.电力电子，2012（02）:50-63.

［6］ Xianglian Xu.Research on cascaded multilevel inverter based statcom and its control［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2006.

［7］ Vazquez S，Leon J I，Franquelo L G，et al.DC-voltageratio control strategy for multilevel cascaded converters fed with a single DC source［C］.Canada:IEEE Press，2009.

［8］ Kai Ding.Topology and modulation method for hybrid multilevel inverter［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2005.