【精品】載波移相_風(fēng)力發(fā)電逆變器設(shè)計(jì)

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1、2MW風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器研究與設(shè)計(jì)仇志凌陳國柱浙江人學(xué)電氣學(xué)院310027摘要：針對兆瓦級風(fēng)電并網(wǎng)逆變器主電路研制屮存在的并聯(lián)擴(kuò)容、開關(guān)頻率較低和LCL濾波器難以優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題，提出了采用交流側(cè)串接電感再進(jìn)行并聯(lián)的均流方案，采用載波移和技術(shù)提高變流器的等效開關(guān)頻率，提出了LCL濾波器的設(shè)計(jì)原則，并給出了上述設(shè)計(jì)的理論依據(jù)和實(shí)現(xiàn)方法。通過對2兆瓦風(fēng)電變流器主電路的仿真驗(yàn)證了上述技術(shù)方案。關(guān)鍵詞：兆瓦級并網(wǎng)逆變器、電感均流、低開關(guān)紋波電流、載波移相、LCL濾波器1引言隨著能源緊張和壞境問題的日益嚴(yán)重，新能源發(fā)電技術(shù)，如

2、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等越來越受到人們的重視。風(fēng)力發(fā)電由于單機(jī)容量大、成木低，在現(xiàn)階段更具有吸引力，在世界范圍內(nèi)其總裝機(jī)容量得到了快速的增長。當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電正在朝著更大的單機(jī)容量發(fā)展，兆瓦級機(jī)組在國外已經(jīng)投入大規(guī)模商業(yè)運(yùn)行，5?6兆瓦的機(jī)組也已開始試運(yùn)行。相應(yīng)的，大容量機(jī)組対并網(wǎng)逆變器的容量提出了較高的要求。為了滿足大容量的要求，逆變器的并聯(lián)擴(kuò)容成為了必然的選擇?，F(xiàn)有的并聯(lián)方式主要有功率模塊氏接并聯(lián)、功率模塊交流側(cè)串接電感再并聯(lián)和以UPS為代表的系統(tǒng)級并聯(lián)。但采用何種簡單、可靠的并聯(lián)方式保證一定的均流效果盂要仔細(xì)研究。

3、并網(wǎng)逆變器會引入附加的諧波，因此注入電網(wǎng)的電流諧波大小是一項(xiàng)重耍指標(biāo)，受到了人們的廣泛關(guān)注。IEEEStd929-2000和IEEEStd.P1547標(biāo)準(zhǔn)⑴対并網(wǎng)發(fā)電的電源系統(tǒng)注入電網(wǎng)電流的諧波做出了嚴(yán)格的限制，總諧波失真（THD）小于5%,3、5、7、9次諧波小于4%,11?15次小于2%,35次以上小于0.3%o對于處于線性調(diào)制區(qū)SPWM或SVPWM逆變器，低次諧波含量基本都能滿足標(biāo)準(zhǔn)，而開關(guān)頻率紋波需要采用低通濾波器進(jìn)行衰減以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。理論上高的開關(guān)頻率和低的濾波器截止頻率可以獲得滿意的濾波效果。但兆瓦

4、級并網(wǎng)逆變器受到開關(guān)損耗的制約難以獲得較高的開間頻率。傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器采丿IJ單電感濾波，由于其較低的衰減倍率，必須采用較大的電感量才能保證濾波效呆，這會導(dǎo)致較人的電感壓降，并不適合兆瓦級應(yīng)用場合。LCL濾波器具冇在較小的濾波器參數(shù)條件下依然保持較好的濾波性能的優(yōu)點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)過程中盂要對3個參數(shù)進(jìn)疔選取，難以做到優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文針対兆瓦級并網(wǎng)逆變器研制中存在的難點(diǎn)，以2兆瓦風(fēng)電變流器為目標(biāo)進(jìn)行了研究。對丁?并聯(lián)擴(kuò)容問題采川了交流側(cè)串接電感的辦法進(jìn)行均流，對開關(guān)頻率較低的問題采川載波移相技術(shù)⑼捉高了等效開關(guān)頻率，對LC

5、L濾波器設(shè)計(jì)問題在進(jìn)行了深入的理論分析的基礎(chǔ)上提出了一套行Z有效的設(shè)計(jì)方法。仿真結(jié)果證明了上述設(shè)計(jì)方案的有效性。2主電路結(jié)構(gòu)和原理分析圖1是2MW風(fēng)電并網(wǎng)變流器的主電路結(jié)構(gòu)圖。該電路把風(fēng)電機(jī)組輸出的直流電能通過三相半橋逆變電路轉(zhuǎn)換成工頻50Hz的交流電能饋入690V三相交流電網(wǎng)。2.1并聯(lián)擴(kuò)容該電路功率為2MW,輸出電壓690V,受現(xiàn)冇IGBT功率模塊容量的限制，必須采用并聯(lián)擴(kuò)容才能滿足系統(tǒng)容量要求。本方案采用三臺相同容量的三相半橋模塊(block)并聯(lián)，以達(dá)到額定容量。BuildingBlock#1圖12MW風(fēng)力

6、發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器主電路框圖現(xiàn)有的并聯(lián)技術(shù)主耍有功率模塊直接并聯(lián)、交流側(cè)串電感并聯(lián)和基于獨(dú)立裝置的系統(tǒng)級并聯(lián)。所謂器件級并聯(lián)就是功率模塊橋怦中點(diǎn)直接進(jìn)行并聯(lián)。這種并聯(lián)方式授直接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單,其缺點(diǎn)是均流效果受器件自身特性影響較人。器件間的均流包括穩(wěn)態(tài)均流和動態(tài)均流兩個方面。所謂穩(wěn)態(tài)均流指的是并聯(lián)模塊開通以后模塊間的均流效果，需要采用正溫度系數(shù)的模塊。動態(tài)均流是指器件在開通、關(guān)斷過程中，由于各模塊開關(guān)速度不一致導(dǎo)致的均流問題。其要求各并聯(lián)模塊的驅(qū)動信號擁有良好的一致性，且模塊交流側(cè)需要串聯(lián)微亨級的小電感以抑制開

7、關(guān)過程中的電流不平衡?？傊?，器件級并聯(lián)均流效果完全山器件本身特性決定，況且微亨級的小電感也不易實(shí)現(xiàn)，風(fēng)險(xiǎn)較人。串電感并聯(lián)是指各并聯(lián)橋臂中點(diǎn)串聯(lián)電感后再進(jìn)行并聯(lián)。這種并聯(lián)方式結(jié)構(gòu)稍嫌復(fù)雜，但串聯(lián)電感的引入可以冇效改善均流效果。當(dāng)橋臂串流電感后由于感抗一般都要比IGBT的等效電阻人很多，故模塊間的均流效果就主要由電感的一?致性決定，受模塊白身特性影響很小。另外對主功率布線一致性要求也可以降低，因?yàn)榫€路的等效電感比串聯(lián)電感小很多。所以串聯(lián)電感的并聯(lián)方式風(fēng)險(xiǎn)比較小，是一種比較穩(wěn)妥的選擇，當(dāng)然，為了保證均流效果，電感量的一致

8、性需要得到保證。而電感在制造過程中電感量的課差一般在5%左右，但均流效果?肓接由電感量的誤差決定，不會火控。另外，這種并聯(lián)方式還為載波移相的應(yīng)用提供了前提條件，后文還會進(jìn)行具體分析。系統(tǒng)級并聯(lián)主要應(yīng)用于UPS并聯(lián)。與串電感并聯(lián)相比，這種并聯(lián)方式把控制器一并集成到各并聯(lián)單元中，消除了控制器的單點(diǎn)故障。并J1系統(tǒng)的靈活性大大提高，可以進(jìn)行簡單組合滿足各種容量要求