风力发电系统中的多电平变流器控制技术

杨雯婷

摘 要：文章简要叙述了我国风力发电现状，对比了当前多电平三种基本拓扑结构在直驱式发电系统中的优缺点和技术难点，以及实际应用中存在的问题，为进一步设计研究直驱风力发电系统中的大功率变流器提供了参考基础。

关键词：风电系统；多电平变流器；变频恒速

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

1 引言

近年以来，能源问题已经对全球产生巨大影响，各种可再生能源比如风力发电系统（WPGS）和光伏发电系统（PV）已经得到了广泛的关注和研究[1]。在国家“十二五”规划中，风力发电的目标是在 2015 年全国累计风电装机总容量达100GW，到2020 年，目标是超过50GW[2]。但由于目前大部分可再生能源发电装置所产生的电能具有间歇性和不可预测性等特点，对电网电压和频率产生影响，电能质量难以保证。

2 风力发电系统分类

（1）恒速恒频发电系统。该系统是指发电机在发电过程中，保持其转速不变，来得到和电网频率一样的恒频电能。该系统虽然结构简单，但是存在许多缺点：风速改变时，风力机转速不变，对风能利用率下降；风速突变时，变化的风能对主轴、齿轮箱、发电机等部件产生较大应力；并网时会产生大冲击电流；所用的异步发电机一边发出有功功率，一边消耗着无功功率。因此，变速风机组越来越受重视。

（2）变速恒频发电系统。发电机在该系统内，当风速变化时，其转速也随之变化，得到和电网频率一致的恒频电能。这种系统可以使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值，从而可比恒速运行获取更多的能量。当风速发生特别大的变化时，风轮吸收完产生的风能以动能形式储存起来，在电力电子装置控制下，释放能量，送入电网。其平稳安全受到肯定。

近年来直驱式永磁风电机组逐渐表现出发展潜力。它采用永磁同步发电机和变流装置省去双馈型变速恒频系统的齿轮箱、滑环电刷等薄弱环节。因此，该系统成为了风力发电技术领域的一个重要发展方向。系统中让电能回馈至电网，所用的装置即变流器。因此设计中，对变流器的响应速度、可靠性、并网特性等方面有较高要求。该技术的掌握对于推动我过风电事业发展，可再生能源的自主创新能力提升具有重要意义。

3 风电系统中的多电平变流技术

（1）二极管箝位型多电平技术。图1所示为二极管箝位型三电平变流器，该应用形式已比较成熟。变流器结构为背靠双背PWM，逆变侧和整流侧都是二极管箝位型三电平变流器。直流侧串联两个相同规格的电容器，其中点作为三电平变流器箝位点。

该变流器具有多重化和脉宽调制优点：交流侧不再需要变压器联接，传输带宽好，动态相应好；输出功率大，等效开关频率高等。但是也存在箝位二极管承受电压不均匀的缺点，其开关器件的控制较为复杂，使七电平以上在实际工作中难以控制。

（2） 电容箝位型多电平变流器。图2所示为电容箝位型三电平变流器，该结构与二极管箝位型应用相似，合成的自由度和灵活性提高的同时，因为大电容的引入同样增入了体积庞大成本高等难题，且包括直流分压电容电压不均衡问题。另，该拓扑结构开关频率增高，损耗也随之增大。

（3）级联H桥型多电平变流器。图3所示为级联型五电平变流器结构。该变流器每相由N个H单元级联而成，输出的相电压平数为M=2N+1。该系统有如下优点：1）因各功率结构相同，便于设计的模块化和封装；2）控制方法简单，可分别对每级进行PWM控制后进行波形重组；若有一个单元出现故障问题，其余功率单元可照常可靠运行；3）直流侧不需要箝位器件，全部采用了独立电源供电，电压均衡问题得以解决；4）对于相同电平数，级联型所需器件数目最少，谐波含量更少，更适合高电压使用场合。当然该系统也存在不足之处，每个基本H桥单元均要独立直流电源，成本高，体积庞大，不易实现四象限运行。尽管如此，其优势让该结构在直驱风力发电系统中应用非常普遍。

实际应用中，通常使移相变压器生成多个彼此电气隔离三相电源，再整流为各独立直流电源。因移相变压器的引入，其适用于风力系统的设计是一个待解决的问题。

4 结束语

风力发电技术是一个新兴领域，其系统复杂性和学科交叉性需要理论与实践并重。直驱功率发电系统在目前应用越来越广泛，随着电力电子技术的不断发展，多电平技术日渐成熟，其优良的性能将越来越多应用于新能源领域。

参考文献：

[1]张德丰.MATLAB/Simulink 建模与仿真实例精讲.第一版[M].北京：机械工业出版社，2010：212-271.

[2]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京：机械工业出版社，2006：123-128.