摘要
湖南大學電氣信息工程學院的研究人員sqdnm、zxdcg等在2018年第16期《電工技術(shù)學報》號提出，模塊化多電平逆變器(MMC )的電容電壓低頻紋波問題限制了直接驅(qū)動式永磁風力發(fā)電等低頻工作時的應(yīng)用
針對這一問題，提出了基于改進MMC的中壓風電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法，與傳統(tǒng)的基于“高頻共模電壓高頻電流注入”的低頻紋波抑制方案相比，該方案不會帶來共模電壓的影響問題。 首先闡述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)特點和專用高頻能量通道在系統(tǒng)中的作用及其設(shè)計原則，然后深入分析了高頻電流抑制MMC電容器電壓低頻紋波的工作機理，接著介紹了系統(tǒng)的控制方案和詳細的控制方法，最后介紹了Matlab/在Simulink平臺上建立5MW/10kV中壓風力發(fā)電系統(tǒng)進行仿真研究，建立2kW實驗平臺進行實驗驗證。 仿真和實驗結(jié)果證明了所提方案的正確性和有效性。
近年來風力發(fā)電已成為應(yīng)用規(guī)模最大、發(fā)展前景最好的新能源發(fā)電方式。 其中直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組以其獨特的優(yōu)勢成為風力發(fā)電中最有前景的機型[ 1，2 ]。 但是隨著機組容量的增大，特別是海上大容量風電機組的發(fā)展，風電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的低壓690V方案難以滿足要求，而提高電壓等級可以提高系統(tǒng)效率，減少損耗，降低成本。
現(xiàn)在，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了3~4kV電壓水平的風力發(fā)電系統(tǒng)。 隨著絕緣材料技術(shù)的進步，ABB公司利用高壓絕緣繞組技術(shù)開發(fā)了海上風力發(fā)電用中壓永磁同步發(fā)電機Windformer，輸出電壓達20kV，容量達3~5mw [ 3，4 ]。 文獻[5]設(shè)計了一種新型10kV中壓永磁風力發(fā)電機，無需升壓變壓器即可直接連接。 因此，中壓化是風力發(fā)電技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。
在變流系統(tǒng)中，受限于功率器件的耐壓水平，采用多水平技術(shù)是實現(xiàn)中壓化的現(xiàn)實策略。 其中，三電平中點箝位型(Neutral-Point-Clamped，NPC )轉(zhuǎn)換器是目前中壓風電系統(tǒng)中主要采用的方案(6、7 )。 但是，由于功率器件發(fā)展水平的限制，三電平換流方式仍然難以實現(xiàn)6kV以上的電壓電平輸出。 增加電平數(shù)可以獲得更高的輸出電壓，但控制設(shè)計更復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性下降[8]。
與傳統(tǒng)多電平換流技術(shù)方案相比，模塊化多電平換流器(MMC )模塊化設(shè)計、器件驅(qū)動觸發(fā)時序要求低、擴展性好、開關(guān)頻率低、運行目前，MMC已廣泛應(yīng)用于高壓直流(HVDC )輸電系統(tǒng)、靜止無功補償器(Static Var Compensator，SVC )等領(lǐng)域[10-13]。 但是，MMC在風力發(fā)電領(lǐng)域的研究并不多見[14]。 目前中壓風力發(fā)電機電壓水平較低(如3.3kV )，采用傳統(tǒng)的三電平逆變器可以滿足基本要求。
但是，隨著機組容量的持續(xù)增大，采用更高電壓電平(如10kV )的中壓換流系統(tǒng)是必然趨勢，在這方面MMC具有天然優(yōu)勢。 需要解決的問題是，MMC自身在低頻應(yīng)用時，存在電容器電壓波動大的問題，波動的大小與電流頻率呈反比關(guān)系[ 15，16 ]。 直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)通常在幾Hz至十幾Hz的低頻范圍內(nèi)工作，容量波動大的問題變得突出。 這與MMC在高壓變頻器領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)相似[ 17，18 ]。
針對MMC電容電壓的低頻紋波問題，許多文獻提出了多種針對性的解決方案[ 19，20 ]。 其中，許多方案是基于“高頻共模電壓高頻電流注入”的方法，可以有效抑制低頻紋波的產(chǎn)生，但高頻共模電壓的注入會使電機產(chǎn)生嚴重的絕緣和軸電流問題，損傷軸承，影響電機壽命[21，]
為了在抑制電容電壓紋波的同時避免共模電壓的影響，本文提出了一種基于改進MMC的中壓風電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法，與傳統(tǒng)的基于“高頻共模電壓高頻電流注入”的方案相比，本方案設(shè)計了專用的高頻能量通道
基于改進圖MMC的中壓風電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
圖7實驗臺的照片
結(jié)論
MMC在直接驅(qū)動永磁風力發(fā)電等低頻情況下最大的挑戰(zhàn)是電容器電壓的低頻紋波問題，本文提出了一種基于MMC改進的中壓風電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，介紹了其工作原理和控制方法。 該方法不注入共模電壓就能有效抑制電容電壓的低頻紋波。 仿真分析和實驗結(jié)果驗證了本方案的有效性。
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