基于模块化多电平逆变器的新型风电系统设计

武 静，卢 果，张坤平

（1 许昌电气职业学院 河南 许昌 461000）

（2 许继电气股份有限公司 河南 许昌 461000）

0 引言

风电作为一种可再生能源形式，在全球电力生产结构中的占比正在逐年上升。 风电系统的设计和优化越来越受到工程师和研究人员的关注。 风机作为将风能转化为电能的关键设备，其电气系统的性能直接影响整个风电场的输出质量和经济效益。 而逆变器，特别是多电平逆变器，已经被证明是提高风电系统性能的关键技术。 模块化设计方法进一步推动了多电平逆变器技术的发展，使其更加灵活、高效和可靠。 本文提出的设计方法不仅提高了风电系统的性能，还降低了其成本和复杂性。

1 风电系统的重要性和应用背景

风电作为当今世界的绿色能源之一，日益受到全球关注。 在过去的几十年中，风能技术得到了快速的发展，风电系统从小规模的离网系统发展到了大型的电网连接系统，为全球电网供应了大量的清洁能源。

风电系统的重要性主要体现在其对环境的友好性。随着全球气候变化的日益加剧，温室效应和化石燃料消耗带来的环境污染问题成为人们关注的焦点。 与化石燃料相比，风电是一种无污染的能源，不会排放有害的二氧化碳和其他温室气体。 这意味着风电系统可以有效地帮助缓解全球气候变化带来的压力。

风电系统也在经济层面上显示出其重要性。 与化石燃料不同，风能是一种无尽的自然资源，不会枯竭。 随着技术的进步，风电系统的成本逐渐降低，使得风电成为一种在许多地区都具有竞争力的能源［1］。 这为许多国家提供了一个经济有效的方式来满足其日益增长的能源需求。

风电系统已经在全球范围内得到了广泛的应用。 许多国家已经将风电系统纳入其能源政策的核心部分，提供了大量的政策和经济支持来推广风电技术。 这些国家已经认识到，风电不仅可以提供清洁的能源，还可以创造就业机会，促进经济发展。

2 模块化多电平逆变器技术的概述

2.1 模块化多电平逆变器技术的基础原理与特点

传统的两电平逆变器使用两个电压级（通常是0V 和某一直流电源电压）来产生交流输出。 而多电平逆变器则使用三个或更多的不同电压级来产生交流输出。 电压级通常由多个直流电源或电容器提供。 通过自适应地控制电压级之间的转换，可以得到更加接近正弦波的交流输出波形。 模块化多电平逆变器的一个关键特点是其模块化的设计。 每个模块都是一个独立的逆变器单元，可以产生一定数量的电压级。 通过将这些模块串联或并联，可以得到更多的电压级，从而产生更高质量的交流输出。 这种模块化设计不仅简化了系统的设计和制造，还提高了系统的可扩展性和灵活性。 当需要更高功率或更多电压级时，只需增加更多的模块即可。 模块化多电平逆变器还具有许多其他优点。 由于其输出波形更加接近正弦波，所以谐波含量较低，电磁干扰也较小。 这意味着可以减少甚至消除输出滤波器，从而简化系统设计和降低成本。 同时，由于使用了多个电压级，所以逆变器的开关压降和开关损耗都减少了，从而提高了系统的效率［2］。

2.2 模块化多电平逆变器的主要类型及其工作机制

模块化多电平逆变器是当代电力电子转换技术的关键组成部分，特别是在中高压输电过程中有较为广泛的应用。 与传统的两电平逆变器相比，模块化多电平逆变器提供了更多的电压级，从而改善了输出波形的质量。

下面将详细介绍模块化多电平逆变器的主要类型及其工作机制。

首先，常用的中性点钳位（neutral point clamped，NPC）多电平逆变器的基本结构包括两个主电容器，它们共享一个中央点。 NPC 逆变器的主要优点是结构简单，但由于其电容器电压平衡的挑战，可能需要更复杂的控制策略。 其次是飞轮式多电平逆变器。 这种逆变器使用一系列的电容器，通过控制开关的状态，可以产生多个电压级［3］。

模块化多电平逆变器采用模块化的设计，每个模块都是一个完整的逆变器单元。 通过将这些模块并联或串联，可以得到所需的电压级和功率输出。 模块化设计不仅提高了系统的灵活性和可扩展性，还简化了维护和修复。 模块化多电平逆变器技术包括多种不同的结构和工作机制。

3 风电系统的基本组成与工作原理

3.1 风机电气系统的工作原理及其组成

风机，作为风电系统的核心部分，负责将风能转化为机械能，进而转化为电能。 风机的电气系统是实现这一转化过程的关键部分，包括了各种传感器、控制器、发电机和其他相关电气设备。 风机的工作原理是空气的流动带动风叶的旋转。 当风吹过风叶时，由于风叶的特殊形状和角度，会产生升力，使风叶旋转。 这种旋转运动通过主轴传递到发电机，驱动发电机转动，从而产生电能。 发电机是风机电气系统的核心部分。 根据其工作原理和结构，风机通常使用两种类型的发电机：同步发电机和异步发电机。同步发电机的优点是其输出电压和频率与转速同步，但需要额外的励磁系统。 异步发电机则不需要励磁，但其输出电压和频率与转速有关［4］。 风机的发电机通常与齿轮箱连接，齿轮箱的作用是将风叶的低速旋转转化为发电机所需的高速旋转。 齿轮箱的传动比是其关键参数，定义为风叶转速与发电机转速之比。

风机的控制系统是另一个关键部分，负责监控和控制风机的运行。 控制系统通常包括风速传感器、转速传感器、温度传感器和其他相关传感器。 这些传感器实时监测风机的工作状态，并将数据传输到中央控制器。 中央控制器根据这些数据调整风机的工作参数，如调整风叶的角度或改变发电机的励磁电流，以确保风机的安全和高效运行。 风机的电气系统还包括变流器和电网接入设备。 变流器的作用是将发电机产生的交流电转化为电网所需的标准电压和频率。 电网接入设备则确保风机的输出电能可以安全、稳定地接入电网。

3.2 风电系统的电网接入与调度的工作原理概述

风电系统的电网接入与调度是确保风电能够有效、稳定地供应给电网的关键环节。 这涉及风电与电网的相互作用、电能的传输和分配以及风电系统与电网的协同运行。 电网接入是指风电系统将其产生的电能传输到电网的过程。 为了实现这一目标，风电系统通常配备有变流器和变压器。 变流器的作用是将风电机产生的交流电转化为与电网匹配的电压和频率。 而变压器则负责将电能从风电场的低电压级升压到电网所需的高电压级。

风电系统的输出电压和频率可能会随风速的变化而变化，为了确保风电可以稳定地接入电网，需要一个复杂的控制系统来实时监控和调整风电系统的输出。 这通常通过无功功率控制和电压控制来实现。 无功功率控制是指调整风电系统的无功输出来维持电网的电压稳定，而电压控制则是通过调整风电机的励磁电流来改变其输出电压。 电网调度是指根据电网的实时需求和风电系统的输出能力，制定和执行电能的分配和传输计划。 由于风速的不确定性和随机性，风电的输出可能会时刻变化。 为了确保电网的稳定运行，电网调度中心需要实时监控风电系统的输出和电网的负荷情况，根据预测和实际数据来调整风电系统的运行计划［5］。

在风电系统与电网的协同运行中，风电的优先级通常较高。 这意味着当风电系统有足够的输出时，会优先供应给电网，而其他类型的电源，如火力发电或核电，可能会被调整或减少。 这是因为风电是一种清洁、可再生的能源，其运行成本低且无污染。 风电系统的电网接入与调度还涉及与其他电源和负荷的协同控制。 当风电输出不足时，可能需要启动储能设备，如蓄电池或蓄能水库，来补充电网的供电。 通过需求侧管理，调整部分负荷的运行时间，以匹配风电的输出。 风电系统的电网接入与调度的目标是确保风电能够稳定、高效地供应给电网，同时满足电网的运行和安全要求。 为了实现这一目标，需要一个先进的控制和调度系统，结合风速预测、电网状态监控和风电系统的实时数据，制定和执行合理的运行计划。

4 基于模块化多电平逆变器的风电系统设计

4.1 主要组成模块及其功能描述

基于模块化多电平逆变器的风电系统设计强调高效、稳定和可扩展性的重要性。 这种设计采用模块化的方式，将风电系统的不同功能部分分解为独立的模块，从而简化设计和优化性能。

风能捕获模块负责将风能转化为机械能。 这一模块主要由风轮、主轴和齿轮箱组成。 风轮的设计和形状决定了其在特定风速下的性能和效率。 主轴将风轮的旋转运动传递到齿轮箱，齿轮箱则将这一低速旋转转化为适合发电机的高速旋转。

发电机模块则负责将机械能转化为电能。 根据其工作原理和结构，可以选择不同类型的发电机，如永磁同步发电机或双馈异步发电机。 发电机的设计和选择直接影响风电系统的效率和性能。

模块化多电平逆变器模块是这种风电系统设计的核心部分，它接收来自发电机的交流电，并将其转化为与电网匹配的电压和频率的交流电。 由于采用了模块化设计，这种逆变器可以根据需要轻松扩展，增加更多的电压级或功率输出。

基于模块化多电平逆变器的风电系统由风力发电机、机侧模块化多电平变流器、直流滤波电容、网侧模块化多电平变流器、并网变压器和电网构成。 相对于现有的风力发电系统，本文设计的模块化多电平逆变器方案，采用低耐压值的电力电子器件构成，可以做到输出更高的电压与更大的功率。 模块化多电平逆变器采用载波移相脉冲宽度调制，降低了交流侧输出电压的变化率（dv／dt），可以使用较简单的交流滤波器，或无需使用交流滤波器。 图1 展示了基于模块化多电平逆变器的风电系统发电与并网结构的主要设计架构。

图1 风电系统发电与并网结构的主要架构

4.2 风电系统模块化的优化与集成

模块化设计在风电系统中的应用，旨在通过系统的优化与集成提高性能，降低成本并增强可维护性。 基于模块化多电平逆变器的风电系统，通过灵活地组合不同的模块，可以实现对各种应用和环境的适应。 模块化设计使得风电系统的优化更为灵活，每个模块都可以独立地进行优化，以满足特定的性能、效率或成本要求。 逆变器模块可以根据输出电压和频率的需求进行优化，而发电机模块则可以根据转速和输出功率进行优化。 这种独立的优化方式，不仅简化了设计过程，还使得系统的性能更加出色。

在模块化风电系统的设计中，还需要考虑到模块的可扩展性。 由于风电场的规模和需求可能会随时间变化，因此，风电系统需要具有很好的可扩展性，以适应这些变化。模块化设计使得这种扩展变得更为简单，只需增加或替换特定的模块，而无需对整个系统进行大规模的改造。 为了实现风电系统的模块化优化与集成，需要采用先进的设计工具和方法。 这些工具和方法可以帮助工程师评估不同模块的性能和成本，确定最优的组合方式，并确保系统的稳定和可靠运行。 图2 展示了模块化多电平逆变器的具体架构。

图2 模块化多电平逆变器的结构

系统采用多个子模块的并联结构，每个子模块都可以视为一个电力处理单元。 每个子模块在功能、结构上基本相同，这种设计方案使得系统的冗余性得到提高，即使某个子模块出现故障，整个系统仍可以继续运行。 子模块之间通过一系列的连接线相互连接，这些线路不仅用于电力传输，还涉及数据和控制信号的交换。 为了确保所有子模块正常工作，需要一个集中的控制单元，当风电场的功率需求变化时，可以灵活地启动或关闭特定的子模块，使得风电系统达到最优的运行状态。

基于模块化多电平逆变器的风电系统设计，通过系统的优化与集成，实现了更高的性能、更低的成本和更好的可维护性。 这种设计方法为风电技术的进一步发展和应用提供了一个强大的工具，使得风电能够更好地满足未来的能源需求。 图3 展示了所设计的基于模块化多电平逆变器的风电系统在常规扰动存在下的伯德（Bode）图，证明了所提出设计方案的稳定性。

图3 基于模块化多电平逆变器的风电系统在常规扰动下的伯德图

5 结语

综上所述，风电作为一种可再生能源技术，已经成为电力产业的关键组成部分，其核心在于将风能高效、稳定地转化为电能。 这种转化涉及多个步骤，包括风能的捕获、机械能到电能的转换、电能的调制和优化以及电能的传输和分配。 模块化多电平逆变器技术为这一转化过程提供了一个高效、灵活和可靠的解决方案。 通过模块化设计，风电系统可以灵活地适应各种应用和环境，实现更高的性能和更低的成本。 模块化设计还简化了系统的维护和扩展，提高了其可靠性和可维护性。 基于模块化多电平逆变器的风电系统设计为风电技术的进一步发展和应用提供了一个强大的工具，使得风电能够更好地满足未来的能源需求。