【《风电变流器发展综述》3600字】

风电变流器发展综述风电变流器作为发电机和电网的中间设备，是风电机组最主要的部分，其性能决定了整个机组的变换效率。当前主流商用风电变流器拓扑多为两电平和三电平结构，两电平拓扑主要用于低压风电变流器，三电平拓扑主要用于中压风电变流器，随着控制技术的不断进步，更多电平的拓扑结构被应用于风电变流器，为了提升效率和降低单位成本，海上风电机组的单机容量不断提升，风电变流器大容量化是未来海上风电发展的必然趋势。如表1-1所示主流厂家风电变流器产品的部分参数[REF_Ref69308017\r\h16]。表1-1主流商用风电变流器产品参数制造厂家变流器型号额定功率额定电压变流器类型中国中车CRRCxMW最高6MW690V两电平并联禾望电气HW80005-8MW3kV三电平NPC阳光电源WG6000KFP6MW3.3kV三电平并联西门子DynavertXL最高8MW690V两电平并联ABBPCS6000最高12MW3.3/4.16kV三电平并联ConverteamMV7000最高8MW3.3kV三电平NPC风电变流器一般都采用交-直-交拓扑结构，主要由机侧整流器、中间直流环节和网侧逆变器组成。按中间直流环节又可以分为电压源型变流器和电流源型变流器，电压源型变流器的直流环节是电容，电流源型变流器的直流环节是电感，在风电变流器中，多采用电压源型变流器。按机侧整流器分类可以分为不控整流和全控整流，不控整流拓扑结构如图1-4所示，其优点是成本低，控制简单，可靠性高，缺点是机侧电流转矩脉动大，谐波含量高，功率因数低，导致机侧性能较差。图1-4机侧不控整流拓扑结构全控整流桥拓扑结构如图1-5所示，是目前应用最广泛的拓扑结构，其机侧变流器拓扑结构和网侧变流器拓扑结构完全相同，因此又称为背靠背结构变流器，由于机侧变流器采用全控型器件，所以控制复杂，成本较高，但是机侧转矩脉动小，电流谐波含量低，功率因数高，电能质量好，控制策略灵活，能量可以双向流动。图1-5机侧全控整流拓扑结构当前大多数风力发电系统受限于功率器件的耐压限制，都是基于690V低压并网[REF_Ref69308017\r\hREF_Ref69566071\r\h17]，随着风机功率等级的提高，并网电流会越来越大，而这种单个的背靠背变流器已经不能满足未来大功率海上风电的应用，因此必须提高变流器的容量。如表1-1所示，各个厂商主要是通过变流器并联的方式来提高系统的容量，这种方法不仅有利于产品的模块化设计，又提高了系统的冗余特性。如下图1-6所示为两电平并联型拓扑结构，两个功率单元共用一个直流母线，交流侧都有自己的滤波器，都使用同一个控制器和PWM信号，当其中一个单元发生故障退出运行时，剩下正常的单元仍可以健康运行。但是共用直流母线也带来了许多问题，比如会出现环流，这些环流带来了额外的变流器损耗，降低了系统的功率密度。一旦直流环节出现故障，所有并联的单元都无法正常运行[REF_Ref69312083\r\h18]。图1-6两电平并联型拓扑结构独立变流器系统的并联结构如图1-7所示，每一套变流器系统都是相互独立的，在并网侧采用多绕组变压器进行电气隔离，可以消除环流通路，提高了系统的功率密度。整个系统模块化设计，易于扩展，在风机输出功率较低时，可以关闭部分变流器系统，提高运行效率，具有很好的冗余特性[REF_Ref69318061\r\h19,REF_Ref69318079\r\h20]。图1-7独立变流器系统并联结构尽管采用并联的方式可以提升变流器的容量，但是依然无法改善大功率低压并网所带来的一些问题，因为电流的提高导致对电缆设备的要求也越来越高，成本和损耗也会增加[REF_Ref69319569\r\h21]。因此，采用基于PMSG的中压风电系统具有广阔的应用前景，不仅降低了成本和损耗，而且提高了系统的功率密度[REF_Ref69319733\r\h22]。因此在未来大功率海上风电中采用中压变流器是必然选择。实现中压风电变流器的方法主要包括：功率开关管的串联使用、中点钳位、功率单元级联多电平等。目前技术最成熟，应用最广泛的中压风电变流器是中点钳位(NeutralPointClamp,NPC)型三电平变流器，按钳位类型又可以分为二极管钳位、飞跨电容钳位，相比于两电平变流器拓扑结构，这种三电平的NPC可以有效的提高变流器的耐压等级，每个桥臂的开关器件只需承受直流母线电压的一半，同样耐压等级的开关器件可以输出更高的的电压，电平数的增加有效的降低了输出电压的du/dt，提高了输出电流的质量，降低了输出滤波器的体积，在相同的谐波指标下，NPC三电平电路可以适当的降低开关频率，这样减少了开关损耗，提高了开关寿命[REF_Ref69320514\r\h23,REF_Ref69320953\r\h24]。如图1-8所示为基于二极管NPC型三电平背靠背风电变流器拓扑结构，这种拓扑结构常用于电压等级3.3kV及以上的风电变流器设计中[REF_Ref69321767\r\h25]。为了提升NPC三电平变流器的容量，同样可以通过并联的手段对其进行扩容，使其可以在更高的功率场合应用，比如ABB公司开发的PCS6000系列风电变流器，就是采用NPC三电平并联的方式，最高功率可以达到12MW。图1-8二极管NPC型三电平背靠背风电变流器拓扑结构但是这种NPC电路也存在一定的缺点，限制了在更高功率场合的应用：第一，就是所需的器件较多，在一定程度上增加了成本和损耗，而且同一桥臂上的开关器件损耗也不一致，外侧的器件损耗更为严重，导致其寿命也更短，这样就降低了系统的可靠性，增加了维护成本。第二，由于调制策略、调制度和功率因数不同、以及制造工艺的差异造成电容参数的不一致都会导致上下电容充电不平衡，中点电位会发生偏移，进而引发输出电压畸变、某个直流电容因电压过高而损坏、器件寿命降低等一系列问题。第三，虽然这种NPC拓扑也可以向更多电平拓展，但是随着电平数的增加，其控制也更加复杂。所以在更高电压更高功率场合，常采用低压单元级联的方式达到更高的电压等级，更高的电压等级就意味着更小的出口电流，这样就不需要像两电平或者三电平那样通过并联的方式来进行扩容，不仅降低了传输损耗，也降低了一系列成本。这种级联型的拓扑结构有利于模块化设计，并具有一定的容错能力，其中一个单元如果损坏失效，则剩下的单元仍可以正常运行[REF_Ref69322393\r\h26]。如图1-9所示为机侧多绕组风机并联，网侧H桥单元级联的风电变流器拓扑结构[REF_Ref69322813\r\h27]，多绕组发电机为每个单元输入侧提供独立的三相电源，每个变流器单元的拓扑结构如图1-10所示，其输入侧都是三相整流器，输出侧是H桥逆变器，通过H桥级联的方式可以达到网侧需要的电压，也可以根据需求加入网侧升压变压器。输入侧三相整流器负责调节中间直流侧电容电压，网侧级联H桥逆变器负责调节输出有功功率和无功功率。在空间布局上，如图1-11所示，将发电机放在塔顶，而变压器和变流器可以放在塔底。应该注意的是发电机多绕组端子连接可能会增加额外的人工和维护成本，所以发电机以及排线需要专门的重新设计。图1-9机侧多绕组级联H桥风电变流器拓扑结构图1-10机侧多绕组级联H桥风电变流器单元拓扑结构由于多绕组发电机还需要专门设计，而通常发电机都只有一套三相绕组，为了提高变流器和常规三相绕组发电机的适配性，可以在网侧添加多绕组隔离变压器，其拓扑结构如图1-12所示。每个变流器单元输入侧都是一个H桥整流器，输出侧是一个三相逆变器。图1-9和1-12这两种采用H桥级联的拓扑电路虽然有很多优点，但是由于每个单元都是三相输入单相输出，而单相二倍频的功率波动会造成中间直流电容电压的波动，一般通过增大电容来降低纹波，但是增大电容又导致了变流器的体积的增大，另一种方法是通过采用PR控制器来替代PI控制器，使单元的输出功率耦合输入功率脉动，中间直流电容电压的波动就会大大的减小，理想情况下可以不需要电容[REF_Ref69323306\r\h28]。图1-11海上风机电气配置示意图图1-12网侧多绕组变压器级联H桥风电变流器一种级联多电平电路如下图1-13所示，被称为模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter,MMC)，该拓扑桥臂采用了半桥子模块的级联结构，在避免了大量开关器件的串联的同时，又获得了多电平的输出波形，目前该拓扑已经应用于高压直流输电工程，背靠背型拓扑用于风力发电，实现了交-直-交的电能变换[REF_Ref69373053\r\h29-REF_Ref69373062\r\h31]。还有一种拓扑是在该拓扑的基础上做了改进，如下图1-14所示，这种拓扑每个单元都采用全桥结构，可以直接实现电能的交-交变换，其动态响应快，输出波形质量好。目前已经有大量的文献研究这种拓扑结构，多应用于低频输电系统，变频调速等领域。但是这种拓扑结构由于环流频率成分和环流路径复杂，且控制自由度多，导致控制难度较大。因此大多只是进行小的样机试验，并没有应用于大功率的实际项目中去[REF_Ref69374239\r\h32-REF_Ref69374251\r\h34]。图1-13背靠背MMC风电变流器图1-14MMC交-交风电变流器拓扑结构一种采用矩阵变换器为模块单元的级联型多电平电路如下图1-15所示[REF_Ref69376477\r\h35-REF_Ref69376487\r\h37]，矩阵变换器是近十几年的研究热点，该电路不需要中间的直流环节，也不需要像图1-14中的拓扑一样每个桥臂都需要很多的电容就可以直接实现电能的交-交变换，且输入输出电流正弦，输入功率因数可调，可以实现能量的双向流动，该拓扑中每个单元都是一个三相-单相的矩阵变换器，如下图1-16所示，移相变压器的二次侧绕组为每个功率单元提供独立的三相电源。每个三相-单相矩阵变换器都由6个双向开关和3个滤波电容组成，变压器的二次侧漏感可以作为输入滤波电感，所以不