风电系统中大功率逆变器及其相应调制策略分析

0 引言

在目前的MW级大容量变速恒频风力发电系统中，双馈型是主流机型，与双馈型相比，直驱型减少了齿轮箱，降低了系统成本和维护成本，因为齿轮箱价格昂贵，易于损坏且维修复杂，我国尚不能完全独立生产;发电机采用永磁同步发电机，能量密度大，转速低，可靠性提高;但直驱型所用的逆变器需要传递全部电能，对容量要求比较大，增加了逆变器的制造难度，同时，永磁同步发电机转速很低，发电机体

积大、成本较高。

风力发电机的单机容量越来越大，更多的风力发电拓扑正在被研究和开发中。就目前情况来看，双馈型风力发电机仍占主流，然而直驱型风力发电机组以其固有的优势也逐渐受到关注，例如我国新疆金风科技股份公司已研制成功1.2 MW 直驱型风力发电机组并成功实现并网运行。

直驱型风力发电系统中，电能都要通过逆变器传递到电网上，这就要求功率器件具备较高的功率等级。然而受功率器件耐压极限和制作工艺的限制，单一功率器件的容量是有限的，同时，由于逆变器的功率很大，基于降低开关损耗，器件的开关频率也不可能太高，但开关频率太低又会导致逆变器输出波形的畸变率增加，进而增加后续滤波器的设计难度，并对电网产生污染。因此适合于直驱型风力发电系统的逆变器拓扑须很好地进行研究。

逆变器作为风力电能回馈至电网的唯一通路，对其容量、可靠性、响应速度和并网特性等各方面要求很高。逆变器的设计和制造，是直驱型风力发电系统的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。

1 大功率逆变器拓扑结构

逆变器的作用是完成电能由直流到交流的变换，逆变器的研究和发展现状同变频器的发展状况密切相关，这是因为在变频器主要采用的交-直-交变频方案中，第一部分需要整流来完成，而第二部分便需要逆变来完成。

大功率是指功率等级在数百kW 以上，而高电压是指电压等级为3 kV，6 kV，10 kV或更高，高压变频器采用的方案有交-交变频器和交-直-交变频器等]。交-交变频器由于谐波污染严重，功率因数低等缺点，需要增加滤波装置，无功补偿装置等，从而增加了设备的投资;随着全控电力电子器件的蓬勃发展，变频器领域已逐步出现交-直-交变频器一统天下的局面。可以这样说，大功率变频器的研究现状，在一定程度上也就是大功率逆变器的研究现状，回顾高压大功率逆变器以及大电流大功率逆变器的发展历史及现状，对于研究大功率逆变器具有重要的借鉴意义。

1.1 器件串并联型大功率变频器

美国罗克韦尔(AB)公司18脉冲整流器的Bulletin1557变频器拓扑如图1所示，其电路结构为交-直-交电流源型，采用功率器件GTO串联的两电平逆变器，是利用器件的串联实现高压，从而提高逆变器容量的。

由图1可以看出，Bulletin 1557变频器前端采用18 脉冲晶闸管整流，中间经电抗器后直接与后端GTO串联两电平逆变器相接，拓扑结构简单，故障点少。

成都佳灵电气制造有限公司采用IGBT直接串联方式研发成功了高压变频器，使高压变频器具有和低压变频器一样简单的结构。其拓扑结构如图2所示，可以看出该系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波

电抗器和电容滤波，再经逆变器逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，可供给高压电动机或接变压器耦合入电网。

采用器件串并联方式提高逆变器的功率，具有拓扑结构简单，功率器件个数少等优点。但器件串联会带来器件的均压问题，器件并联会带来器件的均流问题，因而对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串并联器件同时导通和关断，否则由于各器件开断时间不一，承受电压不均或分流不均，会导致器件损坏甚至整个逆变器崩溃。

1.2 多电平大功率变频器

多电平变频器本质依赖于内部多电平逆变器的“多电平逆变”功能，相对于传统的两电平变频器，其主要优点在于单个器件承受的电压应力小，更容易实现高压大功率;在相同开关频率下，输出波形更接近正弦波，谐波含量更低;同时还大大减轻了电磁干扰(EMI)问题。

ABB 公司生产的ACS 1000 系列变频器采用三电平拓扑结构。其内部逆变器部分功率器件采用集成门极换流晶闸管(IGCT)，所用拓扑为二极管箝位型三电平拓扑，输出的电压等级有2.2 kV，3.3 kV和4.16 kV。图3所示为ABB公司ACS 1000系列12脉冲整流三电平电压源变频器的主电路拓扑图。西门子公司采用高压IGBT器件，生产了与之类似的变频

器SIMOVERTMV。

法国阿尔斯通(ALSTOM)公司采用飞跨电容型四电平拓扑，基于功率器件IGBT 生产出ALSPAVDM6000 系列高压变频器，其主电路拓扑如图4所示。

分析图4可知，该拓扑在功率器件串联的基础上，引入了电容进行箝位，保证了电压的安全分配。

其主要特点为：

1)通过整体单元装置的串并联拓扑结构以满足不同的电压等级(如3.3 kV，4.16 kV，6.6 kV，10 kV)的需要;

2)可使系统普遍采用直流母线方案，以实现多台高压变频器之间能量的互相交换;

3)这种结构没有传统结构中的各级功率器件上的众多分压分流装置，消除了系统可靠性低的因素，从而使系统结构非常简单可靠，易于维护;

4)输出波形非常接近正弦波，可适用于普通感应电机和同步电机调速，而无须降低容量，没有dv/dt对电机绝缘等的影响;

5)ALSPAVDM6000系列高压变频器可根据电网对谐波的不同要求采用12脉冲、18脉冲的二极管整流或晶闸管整流。

法国ALSTOM 还基于IGCT 开发出了飞跨电容型五电平变频器。飞跨电容型多电平逆变器的优点是多电平输出、电路结构简单、可满足高压运行要求，缺点是需要的电容多、控制技术复杂、且需要额外的电容预充电电路。

1.3 并联逆变器

并联逆变器运行过程中，两个或多个逆变器单元呈并联形式向负载或电网送出功率。德国BENNING电源电子有限公司的逆变器产品便是采用的并联逆变器拓扑，如图5所示。

其特点为：

1)采用高频开关技术及复杂的生产技术和高质量的电子元器件，结构紧密、重量轻、效率高;

2)多个逆变单元并联，可实现n+1冗余，可靠性高，并可给线性与非线性负载供电;

3)所有的监测与控制单元内在的安全设计确保对连接的负载不间断供电;

4)加装了EUE(静态电子旁路)以提高系统安全性。

逆变器并联提高了电流等级，从而提高了逆变器的功率，且易于实现多级冗余并联，提高整体运行的稳定性。然而，多个逆变器单元并联运行，增加了控制的难度，且还可能引起环流问题，因此应选用一定的调制方案和控制方法加以控制和抑制。

1.4 变频器多重化

多重化技术就是每相由几个低压PWM 变流模块串联而成，各变流模块由一个多绕组隔离变压器供电来实现大功率。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。

美国罗宾康(Robicon)公司利用单元串并联多重化技术，生产出了功率为315 kW~10 MW的完美无谐波(Perfect Harmony)高压变频器，无须输出变压器实现了直接3.3 kV或6 kV高压输出。其中共采用了三项高压变频技术：

1)在输出逆变部分采用了具有独立电源的单相桥式SPWM逆变器直接叠加技术;

2)在输入整流部分采用了多相多重叠加整流技术;

3)在结构上采用了功率单元模块化技术，实现了完美无谐波的输出波形，无须外加滤波器即可满足各国供电部门对谐波的严格要求，其功率因数可达0.95以上，THD<1%，总体效率高达97%。

如图6所示，每个变流模块均为三相输入、单相输出的低压PWM电压型变流器，变流模块的拓扑如图7 所示。每个变流模块可以输出-1，0，1 三种电平，每相5 个功率单元叠加，就可以产生11 种不同的电平，分别为±5U，±4U，±3U，±2U，±U，0，其中U 为每个变流单元输出的最大电压。用多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM 电[!--empirenews.page--]

压型变频器，拓扑中采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，因此不存在器件均压问题。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15 的输出功率。变频器由于采用多重化PWM技术，由5 对依次相移12°的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的5个信号，分别控制A相5个功率单元，经叠加后可得具有11级阶梯的相电压波形，线电压波形具有21 阶梯，相当于30 脉波变频，理论上29 次以下的谐波都可以抵消。

其缺点主要有：

1)使用的功率单元及功率器件数量太多，装置的体积大，重量大;

2)无法实现能量回馈及四象限运行，无法实现制动;

3)当电网电压与电机电压不同时，无法实现旁路切换控制。

1.5 多电平结合多重化型变频器

图8所示为日本富士公司采用高压IGBT 开发的中压变频器FRENIC 4600 FM4 系列拓扑图[9]，该拓扑汇集了多电平和多重化变频器的许多优点，以多个中压三电平PWM 变流模块多重化串联的方式实现直接高压输出，因此构成了一个双完美无谐波系统，即对电网为多重叠加整流，达到和超过了国际谐波标准(IEEE519-1992)的要求;对电动机为完美无谐波正弦波输出，可以直接接任何品牌的交流笼型电动机。

由于该类型变频器采用了高压整流二极管和高压IGBT，因此系统主回路使用的器件大为减少，提高了可靠性，降低了损耗，变频器的综合效率可达98%，功率因数可达0.95。然而，如图9所示，其变流

模块采用的是12 脉冲整流结合二极管箝位三电平拓扑，所用器件个数多，导致整体性价比较低，因此价格优势并不大。

1.6 级联H桥型逆变器

级联H 桥多电平逆变器是目前工业应用较为成熟的一种拓扑结构，见图10。国内外有多家公司的变频器逆变部分都是基于H 桥级联多电平拓扑的，例如美国罗宾康(Robicon)公司的HARMONY 系列变频器。电网电压经变压器降低到所允许的电压，在逆变器各相中，串入单相逆变器，实现高压输出，直接供给高压电动机。这种方式不需要输出变压器，电

流波形接近正弦，其输出电压的高低范围由串入的单相逆变器数量决定。由于采用直接高压输出，内部省去了升压变压器，故有体积小、效率高、输出频率范围宽等优点，应用较为广泛，但是需要有多组独立的直流母线。

2 调制策略

调制策略的选择对于逆变器是至关重要的，不同的调制策略，在可靠性、谐波含量、成本等方面对逆变器都有重要影响。目前常用的调制策略有如下几种：优化PWM 策略、基于载波及载波组的PWM策略、空间矢量调制(Space Vector PWM, 简称SVPWM)、载波相移正弦波脉宽调制(Carrier phaseshifted SPWM，简称CPS-SPWM)、错时采样空间矢量

调制(Sample Time Staggered SVM，简称STS-SVM)等。

2.1 优化PWM策略

优化PWM 策略是基于输出电压波形的傅里叶级数表达式，以消除低次谐波、总谐波畸变率最小和转矩脉动最小等要求为目标函数，求解PWM 脉冲波形的一种方法。其中特定谐波消除调制方法(Selected Harmonic Eliminated Modulation，简称

SHEM)是最常用的优化PWM 方法。但由于优化PWM方法需要采用数值方法计算大量的开关角度，实时在线计算较为困难。另外由于开关模式已被预先设定，这种方法在控制上的灵活性较差，主要应用在一些对输出电压调节要求不高的场合，如静止无功补偿器等。

2.2 基于载波及载波组的PWM技术

基于载波的PWM 技术是基于采样控制理论中“冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同”的结论。通常选择载波为三角波，根据载波与调制波的相交点作为开关状态切换的依据，原理简单，算法也比较成熟。

基于载波组的PWM 技术是单一载波PWM 的延伸和推广，可广泛应用于具有多组开关的拓扑中，根据载波组中各载波的相位关系，还可以进一步细分为如图11所示的A、B、C 三种。

2.3 空间矢量调制

空间矢量调制以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子的理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量去逼近基准磁链圆，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态。与载波调制相比，SVM方法具有直流电压利用率高、谐波性能好、易于数字化实现等诸多优点。

因此在二电平逆变器和三电平NPC 逆变器中得到了广泛的研究和应用，在二电平逆变器中的应用较为成熟。但随着电平数的增加，逆变器空间电压矢量数目急剧增加，增加了SVM方法选择空间电压矢量的难度，使得多电平SVM 方法大多都十分复杂，实现起来需要较多的计算时间。

2.4 载波相移正弦波脉宽调制

CPS-SPWM 技术由于能在大功率场合实现SPWM 技术，可以极大地改善输出波形，减小输出谐波，从而相应减小了滤波器的容量，降低了成本，并可以提高系统等效开关频率和传输带宽，但需要增加相应的控制电路和脉冲产生电路。

2.5 错时采样空间矢量调制

STS-SVM是受CPS-SPWM技术启发，融合SVM调制方法而得到一种适合多电平变流器的空间矢量调制方法。简而言之就是将各变流器单元的采样时间错开。具体地讲，在组合变流器中，n个变流器单元在相同频率调制比KC、幅度调制比m下，进行SVM调制;各变流器单元采样时间依次相位差为2π/nKC。

STS-SVM技术比较于载波CPS-SPWM技术，有电压利用率高，开关频率小，易于数字实现等特点。

3 结语

美国Robicon 公司开发成功功率单元串联的高压变频器，由于它谐波含量低、功率因数高等优点，被称为“完美无谐波”变频器，在我国的市场上占据了一定的优势。在多电平逆变器领域，Siemens、ABB、GE等公司相继开发成功中点箝位的三电平高压逆变器，其拓扑结构相同，但所用的功率器件不同，如Siemens 采用IGBT，ABB 采用IGCT。我国成都佳灵电气制造有限公司自主研制开发、拥有自主知识产权的直接串联IGBT高压逆变器，申请了多项专利。

这种拓扑结构类似于低压变频器的拓扑结构，只是功率器件由单个IGBT改换为几只IGBT的串联所取代。风电系统中所需的大功率逆变器无论从拓扑选型上还是从调制策略上正在日趋成熟，预计在近几年会有大规模的发展。

作者简介：

李建林(1976-)，男，博士，中科院电工所助理研究员，研究方向为电力电子技术、变速恒频风力发电技术。

胡书举(1978-)，男，中科院电工所博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动、风力发电控制技术。

许洪华(1967-)，男，中科院电工所可再生能源研究部主任，研究员，博导，研究方向为风力发电、太阳光伏发电以及电力电子技术。