0 引言

在目前的MW級(jí)大容量變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋型是主流機(jī)型，與雙饋型相比，直驅(qū)型減少了齒輪箱，降低了系統(tǒng)成本和維護(hù)成本，因?yàn)辇X輪箱價(jià)格昂貴，易于損壞且維修復(fù)雜，我國(guó)尚不能完全獨(dú)立生產(chǎn);發(fā)電機(jī)采用永磁同步發(fā)電機(jī)，能量密度大，轉(zhuǎn)速低，可靠性提高;但直驅(qū)型所用的逆變器需要傳遞全部電能，對(duì)容量要求比較大，增加了逆變器的制造難度，同時(shí)，永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很低，發(fā)電機(jī)體

積大、成本較高。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量越來(lái)越大，更多的風(fēng)力發(fā)電拓?fù)湔诒谎芯亢烷_發(fā)中。就目前情況來(lái)看，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍占主流，然而直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以其固有的優(yōu)勢(shì)也逐漸受到關(guān)注，例如我國(guó)新疆金風(fēng)科技股份公司已研制成功1.2 MW 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，電能都要通過逆變器傳遞到電網(wǎng)上，這就要求功率器件具備較高的功率等級(jí)。然而受功率器件耐壓極限和制作工藝的限制，單一功率器件的容量是有限的，同時(shí)，由于逆變器的功率很大，基于降低開關(guān)損耗，器件的開關(guān)頻率也不可能太高，但開關(guān)頻率太低又會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出波形的畸變率增加，進(jìn)而增加后續(xù)濾波器的設(shè)計(jì)難度，并對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。因此適合于直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的逆變器拓?fù)漤毢芎玫剡M(jìn)行研究。

逆變器作為風(fēng)力電能回饋至電網(wǎng)的唯一通路，對(duì)其容量、可靠性、響應(yīng)速度和并網(wǎng)特性等各方面要求很高。逆變器的設(shè)計(jì)和制造，是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，它對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行很重要，掌握這項(xiàng)技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，具有十分重要的意義。

1 大功率逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

逆變器的作用是完成電能由直流到交流的變換，逆變器的研究和發(fā)展現(xiàn)狀同變頻器的發(fā)展?fàn)顩r密切相關(guān)，這是因?yàn)樵谧冾l器主要采用的交-直-交變頻方案中，第一部分需要整流來(lái)完成，而第二部分便需要逆變來(lái)完成。

大功率是指功率等級(jí)在數(shù)百kW 以上，而高電壓是指電壓等級(jí)為3 kV，6 kV，10 kV或更高，高壓變頻器采用的方案有交-交變頻器和交-直-交變頻器等]。交-交變頻器由于諧波污染嚴(yán)重，功率因數(shù)低等缺點(diǎn)，需要增加濾波裝置，無(wú)功補(bǔ)償裝置等，從而增加了設(shè)備的投資;隨著全控電力電子器件的蓬勃發(fā)展，變頻器領(lǐng)域已逐步出現(xiàn)交-直-交變頻器一統(tǒng)天下的局面。可以這樣說(shuō)，大功率變頻器的研究現(xiàn)狀，在一定程度上也就是大功率逆變器的研究現(xiàn)狀，回顧高壓大功率逆變器以及大電流大功率逆變器的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，對(duì)于研究大功率逆變器具有重要的借鑒意義。

1.1 器件串并聯(lián)型大功率變頻器

美國(guó)羅克韋爾(AB)公司18脈沖整流器的Bulletin1557變頻器拓?fù)淙鐖D1所示，其電路結(jié)構(gòu)為交-直-交電流源型，采用功率器件GTO串聯(lián)的兩電平逆變器，是利用器件的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓，從而提高逆變器容量的。

由圖1可以看出，Bulletin 1557變頻器前端采用18 脈沖晶閘管整流，中間經(jīng)電抗器后直接與后端GTO串聯(lián)兩電平逆變器相接，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障點(diǎn)少。

成都佳靈電氣制造有限公司采用IGBT直接串聯(lián)方式研發(fā)成功了高壓變頻器，使高壓變頻器具有和低壓變頻器一樣簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，可以看出該系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波

電抗器和電容濾波，再經(jīng)逆變器逆變，加上正弦波濾波器，簡(jiǎn)單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，可供給高壓電動(dòng)機(jī)或接變壓器耦合入電網(wǎng)。

采用器件串并聯(lián)方式提高逆變器的功率，具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率器件個(gè)數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。但器件串聯(lián)會(huì)帶來(lái)器件的均壓?jiǎn)栴}，器件并聯(lián)會(huì)帶來(lái)器件的均流問題，因而對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求也大大提高，要盡量做到串并聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，否則由于各器件開斷時(shí)間不一，承受電壓不均或分流不均，會(huì)導(dǎo)致器件損壞甚至整個(gè)逆變器崩潰。

1.2 多電平大功率變頻器

多電平變頻器本質(zhì)依賴于內(nèi)部多電平逆變器的“多電平逆變”功能，相對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平變頻器，其主要優(yōu)點(diǎn)在于單個(gè)器件承受的電壓應(yīng)力小，更容易實(shí)現(xiàn)高壓大功率;在相同開關(guān)頻率下，輸出波形更接近正弦波，諧波含量更低;同時(shí)還大大減輕了電磁干擾(EMI)問題。

ABB 公司生產(chǎn)的ACS 1000 系列變頻器采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其內(nèi)部逆變器部分功率器件采用集成門極換流晶閘管(IGCT)，所用拓?fù)錇槎O管箝位型三電平拓?fù)?，輸出的電壓等?jí)有2.2 kV，3.3 kV和4.16 kV。圖3所示為ABB公司ACS 1000系列12脈沖整流三電平電壓源變頻器的主電路拓?fù)鋱D。西門子公司采用高壓IGBT器件，生產(chǎn)了與之類似的變頻

器SIMOVERTMV。

法國(guó)阿爾斯通(ALSTOM)公司采用飛跨電容型四電平拓?fù)?，基于功率器件IGBT 生產(chǎn)出ALSPAVDM6000 系列高壓變頻器，其主電路拓?fù)淙鐖D4所示。

分析圖4可知，該拓?fù)湓诠β势骷?lián)的基礎(chǔ)上，引入了電容進(jìn)行箝位，保證了電壓的安全分配。

其主要特點(diǎn)為：

1)通過整體單元裝置的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿足不同的電壓等級(jí)(如3.3 kV，4.16 kV，6.6 kV，10 kV)的需要;

2)可使系統(tǒng)普遍采用直流母線方案，以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)高壓變頻器之間能量的互相交換;

3)這種結(jié)構(gòu)沒有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各級(jí)功率器件上的眾多分壓分流裝置，消除了系統(tǒng)可靠性低的因素，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單可靠，易于維護(hù);

4)輸出波形非常接近正弦波，可適用于普通感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)調(diào)速，而無(wú)須降低容量，沒有dv/dt對(duì)電機(jī)絕緣等的影響;

5)ALSPAVDM6000系列高壓變頻器可根據(jù)電網(wǎng)對(duì)諧波的不同要求采用12脈沖、18脈沖的二極管整流或晶閘管整流。

法國(guó)ALSTOM 還基于IGCT 開發(fā)出了飛跨電容型五電平變頻器。飛跨電容型多電平逆變器的優(yōu)點(diǎn)是多電平輸出、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可滿足高壓運(yùn)行要求，缺點(diǎn)是需要的電容多、控制技術(shù)復(fù)雜、且需要額外的電容預(yù)充電電路。

1.3 并聯(lián)逆變器

并聯(lián)逆變器運(yùn)行過程中，兩個(gè)或多個(gè)逆變器單元呈并聯(lián)形式向負(fù)載或電網(wǎng)送出功率。德國(guó)BENNING電源電子有限公司的逆變器產(chǎn)品便是采用的并聯(lián)逆變器拓?fù)?，如圖5所示。

其特點(diǎn)為：

1)采用高頻開關(guān)技術(shù)及復(fù)雜的生產(chǎn)技術(shù)和高質(zhì)量的電子元器件，結(jié)構(gòu)緊密、重量輕、效率高;

2)多個(gè)逆變單元并聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)n+1冗余，可靠性高，并可給線性與非線性負(fù)載供電;

3)所有的監(jiān)測(cè)與控制單元內(nèi)在的安全設(shè)計(jì)確保對(duì)連接的負(fù)載不間斷供電;

4)加裝了EUE(靜態(tài)電子旁路)以提高系統(tǒng)安全性。

逆變器并聯(lián)提高了電流等級(jí)，從而提高了逆變器的功率，且易于實(shí)現(xiàn)多級(jí)冗余并聯(lián)，提高整體運(yùn)行的穩(wěn)定性。然而，多個(gè)逆變器單元并聯(lián)運(yùn)行，增加了控制的難度，且還可能引起環(huán)流問題，因此應(yīng)選用一定的調(diào)制方案和控制方法加以控制和抑制。

1.4 變頻器多重化

多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM 變流模塊串聯(lián)而成，各變流模塊由一個(gè)多繞組隔離變壓器供電來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問題，可實(shí)現(xiàn)完美無(wú)諧波變頻。

美國(guó)羅賓康(Robicon)公司利用單元串并聯(lián)多重化技術(shù)，生產(chǎn)出了功率為315 kW~10 MW的完美無(wú)諧波(Perfect Harmony)高壓變頻器，無(wú)須輸出變壓器實(shí)現(xiàn)了直接3.3 kV或6 kV高壓輸出。其中共采用了三項(xiàng)高壓變頻技術(shù)：

1)在輸出逆變部分采用了具有獨(dú)立電源的單相橋式SPWM逆變器直接疊加技術(shù);

2)在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術(shù);

3)在結(jié)構(gòu)上采用了功率單元模塊化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了完美無(wú)諧波的輸出波形，無(wú)須外加濾波器即可滿足各國(guó)供電部門對(duì)諧波的嚴(yán)格要求，其功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，THD<1%，總體效率高達(dá)97%。

如圖6所示，每個(gè)變流模塊均為三相輸入、單相輸出的低壓PWM電壓型變流器，變流模塊的拓?fù)淙鐖D7 所示。每個(gè)變流模塊可以輸出-1，0，1 三種電平，每相5 個(gè)功率單元疊加，就可以產(chǎn)生11 種不同的電平，分別為±5U，±4U，±3U，±2U，±U，0，其中U 為每個(gè)變流單元輸出的最大電壓。用多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM 電[!--empirenews.page--]

壓型變頻器，拓?fù)渲胁捎霉β蕟卧?lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，因此不存在器件均壓?jiǎn)栴}。每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15 的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術(shù)，由5 對(duì)依次相移12°的三角載波對(duì)基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對(duì)A相基波調(diào)制所得的5個(gè)信號(hào)，分別控制A相5個(gè)功率單元，經(jīng)疊加后可得具有11級(jí)階梯的相電壓波形，線電壓波形具有21 階梯，相當(dāng)于30 脈波變頻，理論上29 次以下的諧波都可以抵消。

其缺點(diǎn)主要有：

1)使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，裝置的體積大，重量大;

2)無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)制動(dòng);

3)當(dāng)電網(wǎng)電壓與電機(jī)電壓不同時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)旁路切換控制。

1.5 多電平結(jié)合多重化型變頻器

圖8所示為日本富士公司采用高壓IGBT 開發(fā)的中壓變頻器FRENIC 4600 FM4 系列拓?fù)鋱D[9]，該拓?fù)鋮R集了多電平和多重化變頻器的許多優(yōu)點(diǎn)，以多個(gè)中壓三電平PWM 變流模塊多重化串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，因此構(gòu)成了一個(gè)雙完美無(wú)諧波系統(tǒng)，即對(duì)電網(wǎng)為多重疊加整流，達(dá)到和超過了國(guó)際諧波標(biāo)準(zhǔn)(IEEE519-1992)的要求;對(duì)電動(dòng)機(jī)為完美無(wú)諧波正弦波輸出，可以直接接任何品牌的交流籠型電動(dòng)機(jī)。

由于該類型變頻器采用了高壓整流二極管和高壓IGBT，因此系統(tǒng)主回路使用的器件大為減少，提高了可靠性，降低了損耗，變頻器的綜合效率可達(dá)98%，功率因數(shù)可達(dá)0.95。然而，如圖9所示，其變流

模塊采用的是12 脈沖整流結(jié)合二極管箝位三電平拓?fù)洌闷骷€(gè)數(shù)多，導(dǎo)致整體性價(jià)比較低，因此價(jià)格優(yōu)勢(shì)并不大。

1.6 級(jí)聯(lián)H橋型逆變器

級(jí)聯(lián)H 橋多電平逆變器是目前工業(yè)應(yīng)用較為成熟的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖10。國(guó)內(nèi)外有多家公司的變頻器逆變部分都是基于H 橋級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)涞?，例如美?guó)羅賓康(Robicon)公司的HARMONY 系列變頻器。電網(wǎng)電壓經(jīng)變壓器降低到所允許的電壓，在逆變器各相中，串入單相逆變器，實(shí)現(xiàn)高壓輸出，直接供給高壓電動(dòng)機(jī)。這種方式不需要輸出變壓器，電

流波形接近正弦，其輸出電壓的高低范圍由串入的單相逆變器數(shù)量決定。由于采用直接高壓輸出，內(nèi)部省去了升壓變壓器，故有體積小、效率高、輸出頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛，但是需要有多組獨(dú)立的直流母線。

2 調(diào)制策略

調(diào)制策略的選擇對(duì)于逆變器是至關(guān)重要的，不同的調(diào)制策略，在可靠性、諧波含量、成本等方面對(duì)逆變器都有重要影響。目前常用的調(diào)制策略有如下幾種：優(yōu)化PWM 策略、基于載波及載波組的PWM策略、空間矢量調(diào)制(Space Vector PWM, 簡(jiǎn)稱SVPWM)、載波相移正弦波脈寬調(diào)制(Carrier phaseshifted SPWM，簡(jiǎn)稱CPS-SPWM)、錯(cuò)時(shí)采樣空間矢量

調(diào)制(Sample Time Staggered SVM，簡(jiǎn)稱STS-SVM)等。

2.1 優(yōu)化PWM策略

優(yōu)化PWM 策略是基于輸出電壓波形的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式，以消除低次諧波、總諧波畸變率最小和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小等要求為目標(biāo)函數(shù)，求解PWM 脈沖波形的一種方法。其中特定諧波消除調(diào)制方法(Selected Harmonic Eliminated Modulation，簡(jiǎn)稱

SHEM)是最常用的優(yōu)化PWM 方法。但由于優(yōu)化PWM方法需要采用數(shù)值方法計(jì)算大量的開關(guān)角度，實(shí)時(shí)在線計(jì)算較為困難。另外由于開關(guān)模式已被預(yù)先設(shè)定，這種方法在控制上的靈活性較差，主要應(yīng)用在一些對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)要求不高的場(chǎng)合，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器等。

2.2 基于載波及載波組的PWM技術(shù)

基于載波的PWM 技術(shù)是基于采樣控制理論中“沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同”的結(jié)論。通常選擇載波為三角波，根據(jù)載波與調(diào)制波的相交點(diǎn)作為開關(guān)狀態(tài)切換的依據(jù)，原理簡(jiǎn)單，算法也比較成熟。

基于載波組的PWM 技術(shù)是單一載波PWM 的延伸和推廣，可廣泛應(yīng)用于具有多組開關(guān)的拓?fù)渲校鶕?jù)載波組中各載波的相位關(guān)系，還可以進(jìn)一步細(xì)分為如圖11所示的A、B、C 三種。

2.3 空間矢量調(diào)制

空間矢量調(diào)制以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)三相對(duì)稱電動(dòng)機(jī)定子的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，由三相逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶咳ケ平鶞?zhǔn)磁鏈圓，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)。與載波調(diào)制相比，SVM方法具有直流電壓利用率高、諧波性能好、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

因此在二電平逆變器和三電平NPC 逆變器中得到了廣泛的研究和應(yīng)用，在二電平逆變器中的應(yīng)用較為成熟。但隨著電平數(shù)的增加，逆變器空間電壓矢量數(shù)目急劇增加，增加了SVM方法選擇空間電壓矢量的難度，使得多電平SVM 方法大多都十分復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)需要較多的計(jì)算時(shí)間。

2.4 載波相移正弦波脈寬調(diào)制

CPS-SPWM 技術(shù)由于能在大功率場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)SPWM 技術(shù)，可以極大地改善輸出波形，減小輸出諧波，從而相應(yīng)減小了濾波器的容量，降低了成本，并可以提高系統(tǒng)等效開關(guān)頻率和傳輸帶寬，但需要增加相應(yīng)的控制電路和脈沖產(chǎn)生電路。

2.5 錯(cuò)時(shí)采樣空間矢量調(diào)制

STS-SVM是受CPS-SPWM技術(shù)啟發(fā)，融合SVM調(diào)制方法而得到一種適合多電平變流器的空間矢量調(diào)制方法。簡(jiǎn)而言之就是將各變流器單元的采樣時(shí)間錯(cuò)開。具體地講，在組合變流器中，n個(gè)變流器單元在相同頻率調(diào)制比KC、幅度調(diào)制比m下，進(jìn)行SVM調(diào)制;各變流器單元采樣時(shí)間依次相位差為2π/nKC。

STS-SVM技術(shù)比較于載波CPS-SPWM技術(shù)，有電壓利用率高，開關(guān)頻率小，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

美國(guó)Robicon 公司開發(fā)成功功率單元串聯(lián)的高壓變頻器，由于它諧波含量低、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，被稱為“完美無(wú)諧波”變頻器，在我國(guó)的市場(chǎng)上占據(jù)了一定的優(yōu)勢(shì)。在多電平逆變器領(lǐng)域，Siemens、ABB、GE等公司相繼開發(fā)成功中點(diǎn)箝位的三電平高壓逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，但所用的功率器件不同，如Siemens 采用IGBT，ABB 采用IGCT。我國(guó)成都佳靈電氣制造有限公司自主研制開發(fā)、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直接串聯(lián)IGBT高壓逆變器，申請(qǐng)了多項(xiàng)專利。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似于低壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是功率器件由單個(gè)IGBT改換為幾只IGBT的串聯(lián)所取代。風(fēng)電系統(tǒng)中所需的大功率逆變器無(wú)論從拓?fù)溥x型上還是從調(diào)制策略上正在日趨成熟，預(yù)計(jì)在近幾年會(huì)有大規(guī)模的發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介：

李建林(1976-)，男，博士，中科院電工所助理研究員，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

胡書舉(1978-)，男，中科院電工所博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)。

許洪華(1967-)，男，中科院電工所可再生能源研究部主任，研究員，博導(dǎo)，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)光伏發(fā)電以及電力電子技術(shù)。