摘要：  在目前的兆瓦级大容量变速恒频风力发电系统中，双馈型风力发电系统和直驱型风力发电系统都适合于大容量风力发电系统。

关键字：  风力发电系统，  逆变器，  

在目前的兆瓦级大容量变速恒频风力发电系统中，双馈型风力发电系统和直驱型风力发电系统都适合于大容量风力发电系统。现在双馈型风力发电机组是主流机型，其拓扑如图1所示，与双馈型风力发电系统相比，直驱型风力发电系统如图2所示，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;但同时直驱型风力发电系统中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。

随着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开始逐渐受到关注，例如我国新疆金风公司已成功研制成功1.2mw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，这要求功率器件具备较高的功率等级。然而受功率器件材料的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，减小电磁干扰的考虑，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还需要很好的研究。

逆变器作为风力所发的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。

在变换器拓扑方面，由于电力电子变流器拓扑结构的多样性，直驱型变速恒频(ddvscf)发电系统中间的交流到交流变流器环节可以采用不同的结构。直驱系统为全功率系统，系统各部分的电压、电流、功率都由电力电子变流器部分控制，变流器是整个直驱系统的核心部分，因此，对该部分的拓扑结构的选择直接影响了系统能否正常运行。

随着电力电子技术的不断发展，开关元器件的不断进步，直驱型风力发电系统中的电力电子变流器部分也在不断进步，根据不同的拓扑结构，有不同的控制方法。根据当今直驱风力发电的发展情况，其变流器主要可以分为以下几种。

2 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转换，逆变器的研究和发展现状同变频器的发展状况密切相关，这是因为变频器主要采用的便是交-直-交变频方案，其第一部分需要整流电路，而第二部分便需要逆变器完成。

大功率是指功率等级在数百千瓦以上，而高电压指电压等级为3kw、6kw、10kw或更高，实现大功率变换的有效途径有高电压或大电流[1]，高压变频器采用的方案有交-交变频器和交-直-交变频器等[2]。但由于交-交变频器谐波污染严重，功率因数低等缺点，需要增加滤波装置，无功补偿装置等，增加了设备的投资;同时又由于可控电力电子器件的蓬勃发展，因此变频器领域已逐步出现交-直-交变频器一统天下的局面[3-4]。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是研究大功率逆变器具有重要的借鉴意义。

2.1 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[4]，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。

图1 bulletin 1557变频器主电路结构图

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。

成都佳灵公司尝试性的采用igbt直接串联方式构成高压变频器，使高压变频器具有和低压变频器一样简单的结构[5]。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。

图2 成都佳灵igbt 直接串联高压变频器原理图

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。但器件串联会带来分压不均问题，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，要尽量做到串联其间同时导通和关断，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。

2.2 并联逆变器

图3 德国benning带静态电子旁路(eue)的并联逆变器拓扑

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3所示[7]。

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。

2.3 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315kw-10mw的完美无谐波(perfect harmony)高压变频器，无需输出变压器实现了直接3.3kv或6kv高压输出[8]。其中共采用三项高压变频技术：

(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，无需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%。

拓扑图如图4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5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19次以下的谐波都可以抵消。

图4 五个功率单元串联变频器的电气连接框图

图5 变流模块拓扑图

其缺点主要有：

(1)使用的功率单元及功率器件数量太多，装置的体积太大，重量大，安装位置成问题;

(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。

2.4 多电平结合多重化型变频器

图6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，达到和超过国际谐波标准ieee519-1992;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。

图6 富士frenic 4600 fm4变频器结构图

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7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。

图7 富士完美无谐波变流模块拓扑

3 实用的大功率直驱型风力发电系统拓扑

该系统是新疆金风科技股份公司1.2mw直驱风力发电系统，原理图如图8所示。该系统前端采用不控整流桥整流为直流，dc-dc部分采用3个工作于电流连续模式的(ccm)boost变流器并联，逆变器采用了组合变流器结构。该系统具有工作稳定，控制简单，网侧功率因数高达98%，对电网谐波影响小的特点，被现今大功率直驱系统普遍采用。

图8 实用的大功率直驱型风力发电系统拓扑

4 高功率中压多电平直驱风力发电系统变流器拓扑结构

近年来，多电平变流器在高压、大功率领域受到了国内外学者的普遍关注。多电平变流器的思想最早于1981年由nablae等人提出的，它的基本思路是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。多电平变流器作为一种新型的高压大容量功率变流器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量输出波形的同时，克服了两电平变流器的诸多缺点，无须输出变压器和动态均压电路，开关频率低，并有开关器件应力小，系统效率高等一系列优点。

随着开关器件容量的上升，开关导通特性的改善，多电平变流器的优点越来越显著。其优点主要体现在减少输入输出谐波，减小了输入滤波器的体积与容量，降低电磁干扰(emi)。相对两电平变流器，多电平变流器开关频率降低了25%，因此可以减少开关损耗。多电平变流器的主要缺点在于直流电压得平衡问题。针对该问题，有硬件和软件的解决方法。硬件法需要额外的开关管，增加系统的成本并减少稳定性，软件法需要对调制信号进行控制增加了计算负担。对多电平的均压问题，各国学者以有比较成熟的解决方案[8-10]。

风力机市场的趋势是额定容量、电压电流等级不断提高。这使得多电平变流器很适合应用于新型的风力机。随着电压等级的增加，多电平变流器可以直接接入分布式电网，省去沉重的升压变压器。

多电平变流器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑，归纳起来主要有以下三种：二极管箝位型多电平变流器(diode-clamped multi-level converter)、级联h桥型多电平变流器(cascade h bridge multi-level converter)和飞跨电容型多电平变流器(flying-capacitor multi-level converter)。

4.1 二极管箝位型多电平变流器在直驱系统中的应用

二极管箝位型变流器与直驱系统结合应用如图9所示，系统前端及后段均可以采用二极管箝位型变流器，分别如图9(a)、(b)所示。

(a)二极管箝位逆变型直驱风力发电系统拓扑结构

(b)背靠背型二极管箝位型直驱驱系统拓扑结构

图9 二极管箝位型直驱型风力发电系统拓扑

二极管箝位型变流器同时具有多重化和脉宽调制的优点：输出功率大，器件开关频率低，等效开关频率高;交流侧不需要变压器连接，动态响应好，传输宽带较宽等等。但这种变流器也存在以下不足：

(1) 箝位二极管的耐压要求较高，数量庞大

对于m电平变流器，如果使每个二极管的耐压等级相同，每相所需的二极管数量为(m-1)×(m-2)。这些二极管不仅大大增加了成本，而且会在线路安装时也会造成相当的困难;因此在实际应用中一般仅限于7电平或9电平以下变流器的研究;

(2)开关器件的导通负荷不一致

导通负荷不平衡就导致开关器件的电流等级不同。在电路中，如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级，则每相有2×(m-2)个外层器件的电流等级过大，造成浪费;

(3)在变流器进行有功功率传送的时候，直流侧各电容的充放电时间各不相同，从而造成电容电压不平衡，增加了系统动态控制难度。

4.2 级联h桥型多电平变流器在直驱系统中的应用

图10 级联h桥型直驱型风力发电系统拓扑

级联h桥变流器与直驱系统结合应用如图10所示，利用多相永磁同步发电机为各个h桥提供独立电源，将大功率直驱系统与级联h桥变流器良好的结合。

级联h桥变流器有很多优点：

(1)获得同样电平数输出时，使用的元器件最少;

(2)每个变流器单元的结构相同，容易进行模块化设计和封装;

(3)因为各变流器单元之间相对独立，所以可以较容易地引入软开关控制;

(4)直流侧的均压比较容易实现;

(5)各变流器单元的工作负荷一致;

(6)电路设计可以使用功率单元旁路电路，从而使得控制系统可以在线切除故障单元以保证系统继续工作。

当然，这种拓扑结构也存在一定的缺点：对于有功功率变换场合，需要独立直流源，从而使其应用在某些领域受到限制;h桥变流器的每个基本单元都要用一个独立的直流电源来实现箝位功能，随着输出波形电平数增加，串级单元使用的直流电源数也将增加。

4.3 飞跨电容型多电平变流器在直驱系统中的应用

飞跨电容型变流器与直驱系统结合应用如图11所示，与二极管箝位型变流器相似，系统前端及后段均可以采用飞跨电容型变流器，分别如图11(a)、(b)所示。

飞跨电容型多电平变流器的电平合成的自由度和灵活性高于二极管多电平变流器。飞跨电容型多电平变流器的优点是开关方式灵活、对功率器件保护能力较强;既能控制有功功率，又能控制无功功率，适于高压直流输电系统等等。其主要缺点是：

(1) 需要大量的存储电容

如果所有电容器的电压等级都与主功率器件的相同，那么一个m电平的飞跨电容型多电平变流器每相桥臂需要(m-1)×(m-2)/2个辅助电容，而直流侧上还需要(m-1)个电容。电平数较高时，这种变流器不仅安装难度大，而且造价也很高;

(2) 为了使电容的充放电保持平衡，对于中间值电平需要采用不同的开关组合，这就增加了系统控制的复杂性，器件的开关频率和开关损耗大;

(3)同二极管箝位型多电平变流器一样，飞跨电容型多电平变流器也存在导通负荷不一致的问题。

以往的风力发电系统研究多是采用不控整流或二电平pwm整流，导致交流侧电压电流波形较差，功率因数不高，尤其对于交流侧发电机的稳定正常运行极为不利。因此，本文介绍了采用svpwm控制策略的三电平pwm整流器，其不仅实现了交流侧功率因数可调，减小了波形畸变率，而且也可实现大功率的传输，为直驱型风力发电系统的研究以及大规模应用奠定了基础。

5 结束语

直驱型风力发电系统需要全功率变换器，而在现有器件耐压水平未取得突破性进展以前，多电平技术因其可以减小开关管电压应力和等效开关频率，而非常适合应用于直驱型风力发电系统。本文将几种适合直接驱动型风力发电系统的高压、大功率变流器拓扑结构进行了详细的对比：中点二极管箝位多电平变换器、飞跨电容多电平变换器、级联h桥多电平变换器以及通用式多电平变换器等。指出，飞跨电容多电平变换器的开关负荷不一致，飞跨电容均压难以实现，而级联h桥多电平变换器需要独立电源，成本较高。虽然二极管箝位多电平变换器存在中点电位平衡问题，但可以通过适当的控制解决。因此，低成本、控制简单的二极管箝位三电平pwm整流器成为当前直驱型风力发电整流变换研究的热点。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，但所用的功率元器件不同，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，并申请了多项专利。这种拓扑结构类似于低压变频器的拓扑结构，只是功率元件由单个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。