摘要
湖南大學(xué)電氣信息工程學(xué)院的研究人員sqdnm、zxdcg等在2018年第16期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》號(hào)提出，模塊化多電平逆變器(MMC )的電容電壓低頻紋波問(wèn)題限制了直接驅(qū)動(dòng)式永磁風(fēng)力發(fā)電等低頻工作時(shí)的應(yīng)用
針對(duì)這一問(wèn)題，提出了基于改進(jìn)MMC的中壓風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(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(huì)帶來(lái)共模電壓的影響問(wèn)題。 首先闡述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和專用高頻能量通道在系統(tǒng)中的作用及其設(shè)計(jì)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(jī)理，接著介紹了系統(tǒng)的控制方案和詳細(xì)的控制方法，最后介紹了Matlab/在Simulink平臺(tái)上建立5MW/10kV中壓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，建立2kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提方案的正確性和有效性。
近年來(lái)風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為風(fēng)力發(fā)電中最有前景的機(jī)型[ 1，2 ]。 但是隨著機(jī)組容量的增大，特別是海上大容量風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，風(fēng)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(jí)可以提高系統(tǒng)效率，減少損耗，降低成本。
現(xiàn)在，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了3~4kV電壓水平的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 隨著絕緣材料技術(shù)的進(jìn)步，ABB公司利用高壓絕緣繞組技術(shù)開(kāi)發(fā)了海上風(fēng)力發(fā)電用中壓永磁同步發(fā)電機(jī)Windformer，輸出電壓達(dá)20kV，容量達(dá)3~5mw [ 3，4 ]。 文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種新型10kV中壓永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，無(wú)需升壓變壓器即可直接連接。 因此，中壓化是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
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(shí)現(xiàn)中壓化的現(xiàn)實(shí)策略。 其中，三電平中點(diǎn)箝位型(Neutral-Point-Clamped，NPC )轉(zhuǎn)換器是目前中壓風(fēng)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(shí)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(jì)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(jì)、器件驅(qū)動(dòng)觸發(fā)時(shí)序要求低、擴(kuò)展性好、開(kāi)關(guān)頻率低、運(yùn)行目前，MMC已廣泛應(yīng)用于高壓直流(HVDC )輸電系統(tǒng)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(Static Var Compensator，SVC )等領(lǐng)域[10-13]。 但是，MMC在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的研究并不多見(jiàn)[14]。 目前中壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(shì)，在這方面MMC具有天然優(yōu)勢(shì)。 需要解決的問(wèn)題是，MMC自身在低頻應(yīng)用時(shí)，存在電容器電壓波動(dòng)大的問(wèn)題，波動(dòng)的大小與電流頻率呈反比關(guān)系[ 15，16 ]。 直驅(qū)永磁風(fēng)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(dòng)大的問(wèn)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(duì)MMC電容電壓的低頻紋波問(wèn)題，許多文獻(xiàn)提出了多種針對(duì)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(huì)使電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的絕緣和軸電流問(wèn)題，損傷軸承，影響電機(jī)壽命[21，]
為了在抑制電容電壓紋波的同時(shí)避免共模電壓的影響，本文提出了一種基于改進(jìn)MMC的中壓風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(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(jì)了專用的高頻能量通道
基于改進(jìn)圖MMC的中壓風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖7實(shí)驗(yàn)臺(tái)的照片
結(jié)論
MMC在直接驅(qū)動(dòng)永磁風(fēng)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(wèn)題，本文提出了一種基于MMC改進(jìn)的中壓風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本方案的有效性。
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