全功率风电变流器并联运行关键技术研究

全功率风电变流器并联运行关键技术研究

岳健

（北京天源科创风电技术有限责任公司100081）

摘要：提出了一种低压、大容量、高功率密度以及高可靠性全功率风电变流器设计方案。它采用功率模块并联扩大单台变流器的容量，利用电抗器抑制并联模块之间动态环流，并在控制上采用环流抑制控制算法以减少零序电流；同时采用六相永磁同步电机两套三相绕组之间的电气隔离实现变流器并联，解决了两个背靠背PWM变流器并联时的环流问题。仿真及实验结果证明，该变流器能够很好地实现均流和环流抑制。

关键词：风电变流器；功率模块；并联技术；环流抑制

1.系统拓扑结构

大容量的全功率风电变流器，在不改变输出电压情况下，需要承受大电流。通用风电变流器交流侧输出电压为690V，以2.5MW全功率风电变流器为例，风机满发时其额定电流的有效值是2092A，瞬时峰值电流为2958A。若考虑系统运行安全，一般按照两倍裕量来选择IGBT器件，则其IGBT器件额定电流将高达6000A。因此，低压大容量全功率风电变流器必须采用功率模块单元并联方式来均分大电流，从而降低功率器件的电流应力、提高变流器功率密度并降低成本。本文给出一种低压大容量全功率型双PWM背靠背变流器电路拓扑结构，它采用功率模块单元并联和变流器并联拓扑结构方式（图1），其风力发电机采用六相双绕组永磁风力发电机（PSMG），两套绕组分别接两套独立的变流器（变流器I和变流器II）。采用双绕组的永磁电机，在电压不变的情况下相电流减少一半，大大降低了IGBT开关器件的电流等级。每个变流器由两个共直流母线的背靠背PWM功率模块并联组成。该种拓扑结构提高了系统的可靠性和冗余度，且易于大容量、模块化设计。

以变流器I为例，它包括两个并联的共直流母线的背靠背功率模块单元及对应的网侧电抗器LAC1、网侧断路器QF1、机侧电抗器LI1、机侧断路器QFI1。变流器通过机侧电抗器连接到电机侧，并通过网侧电抗器连接交流母线输出侧。每个变流器输出功率1.25MW，每个功率模块单元输出625kW，系统能够实现2.5MW功率输出。变流器I和变流器II接至电机侧的两套绕组后同时运行，其网侧并联到低压电网，再通过主变压器将风电机组发出的功率输送至高压电网。

2并联功率模块单元环流分析

如图2所示，以机侧变流器为例，它由两个共直流母线电压的并联功率模块单元组成，并通过电抗器L1和L2连接到永磁电机PMSG。电抗器L1和L2能够抑制两个功率模块单元中同一相桥臂因IGBT开关速度不一致而引起的直流侧正负电压瞬间短路现象。网侧与机侧变流器的并联功率模块均需要考虑均流与环流抑制的问题。并联功率模块的均流问题可通过优化主电路参数进行改善，如并联的两个功率模块在主电路设计参数上完全一致，同时利用软件进行均流控制。每个并联功率模块都有自己独立的驱动脉冲电路，虽然控制上是同一路驱动脉冲信号同时进入两个并联的功率模块，但是由于各个功率模块实际开关速度仍存在一定差异，因此并联功率模块输出电流仍存在瞬时差异，导致功率模块之间有动态环流。动态环流的存在可能导致功率器件瞬时电流峰值超过额定值，引起功率器件的损坏。通过交流侧接入电抗器，可避免并联的功率模块因开关速度差异引起直流瞬时短路现象的发生，从而抑制由于功率器件开关时刻不一致而导致的环流。

下面对并联功率模块环流的产生机理进行简要分析。令S1x、S2x分别为三相功率模块I、II的开关函数（x=a，b，c），S1x=1表示桥臂上管开通，S1x=-1表示桥臂下管开通。忽略并联模块的线路阻抗，根据基尔霍夫电流定律，可得并联功率模块a，b，c三相环流回路的微分方程：

式中：L1，L2——网侧电抗器电感；i1a，i1b，i1c——变流器I输入电流；i2a，i2b，i2c——变流器II输入电流。

考虑到

式中：S10，S20——开关函数的零序分量；i0——零序环流。对式（1）~式（3）求和，可得到零序环流方程：

式中：Ucir——环路零序电压，且Ucir=（S20-S10）Udc。

零序电压Ucir是一个以开关频率脉动的交流量，回路串联电抗器L1和L2可以一定程度抑制零序环流i0的影响，但是不能从根本上消除零序环流。当两个并联功率模块单元主电路参数和控制脉冲信号存在一定差异时，将在Ucir中引入直流分量，使得零序环流也存在直流分量并不断积累，导致变流器电流畸变并产生过电流保护，直接影响整个系统的正常工作。因此为了实现变流器功率模块单元并联运行，必须解决零序环流问题。

3系统控制策略

文献提出一种基于载波移相并联的直驱风力发电并网变流器控制策略，如图3所示。并联的功率模块采用载波移相控制算法来实现并联的多重化，提高了等效开关频率，减少了输出电抗器的电感值大小及体积；同时每个功率模块都采用环流控制，以抑制低频环流。基于载波移相并联控制策略仅适用于SPWM调制系统，直流电压利用率比采用SVPWM调制的低，同时每个功率模块单元都需要独立的环流控制，运算工作量比较大，对控制要求高。

文献提出过基于零序电压补偿的零序环流控制策略，其并联功率模块采用主从控制，以其中一个功率模块SVPWM调制波的零序电压作为主控制参考，从功率模块SVPWM调制波零序电压跟踪主功率模块的，这样能减小并联功率模块间零序电压差，从而消除零序环流。对功率模块的SVPWM调制波中零序电压进行补偿，可能会略微改变原有SVPWM的谐波性能和直流侧电压利用率，同时控制器设计也较复杂。

文献还介绍了并联三相整流器的环流控制，其并联变流器采用矢量SVPWM控制策略，通过计算并联功率模块输出零序电流值，作为反馈量参与到SVPWM控制算法占空比计算中，抑制并联模块之间环流。该控制策略不改变常用双闭环的控制策略，同时不影响直流电压利用率，算法简单，容易实现，对控制器计算量要求不高。

本文采用具有环流抑制的SVPWM调制控制，控制算法与文献基本一致，如图4所示。并联模块中一个变流单元仍采用常用的矢量SVPWM控制策略，系统控制策略与单个模块控制策略相一致；另一个模块则采集功率模块输出的三相电流，通过计算三相电流矢量和得出零序电流值i0，再通过PI调节器计算后作为SVPWM矢量控制时间，进而使得环流得到了抑制，环流幅值减小，接近于零。如果没有环流且三相对称，则电流和为零，控制上不用做任何改变。

结语

在不提高变流器输出电压的基础上，采用基于功率模块并联和六相永磁电机变流器并联的系统拓扑方案，可以进一步提高风电变流器容量。采用功率模块并联扩大单台变流器容量时，可通过串联电抗器来抑制并联功率模块之间由于IGBT开关时刻的微小差异所引起的动态环流；在功率模块并联基础上，采用六相永磁电机双绕组实现两个变流器并联，能够进一步增大系统容量，同时增加系统冗余性。针对功率模块并联引起的环流，本文给出一种抑制控制策略。变流器并联和功率模块并联的模块化设计，可以增加系统冗余性和效率，降低变流器成本且易于不同等级风机容量的系统配置，灵活性更强，在大容量全功率风电变流器市场上将有广阔的应用前景。

参考文献：

TURNERR，WALTONS，DUKER．Stabilityandbandwidthimplicationsofdigitallycontrolledgrid-connectedparallelinverters［J］．IEEETransactiononIndustryElectronics，2010，57（11）：3685-3694