各國的風電技術已經取得了長足的發展，但仍有亟待完善的地方，尤其是針對MW級大功率風電機組的變流器系統問題更是突出。風電現場迫切需要研制出一種穩定、可靠的MW級大功率風電機組控制方案。本系統是基于這樣的實際應用背景和需求而進行立項開發的，采用先進的CAN總線技術和并聯擴容技術，很好的解決了大功率風電機組控制問題，提高了系統的穩定性和可靠性。

1．風電系統大功率變流器拓撲結構的比較

1.1 基本型變流器拓撲結構

大功率是指功率等級在數百千瓦以上，實現大功率變換的有效途徑是高電壓或大電流。基本型變流器是通過提高IGBT等功率器件的耐壓和容量來提高風電系統的功率等級。這種方案電路結構簡單，容易實現，但缺點是對器件的技術指標和制造水平依賴較大，功率提高的水平也是有限的，而且更重要的是，由于各器件均工作在極限參數下，系統的穩定性和可靠性也大打折扣。圖1為采用基本型結構的變流器主電路。隨著功率器件的制造工藝和技術水平的提高，其功率等級也不斷提高。

圖1基本型變流器結構

1.2 器件串并聯型大功率變流器拓撲結構

圖2是采用IGBT直接串聯方式的高壓變頻器[2]，由圖可以看出:該系統由電網高壓直接經高壓斷路器進入變頻器，經過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再經逆變器逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現高壓變頻輸出，可供給高壓電動機或接變壓器耦合入電網。

圖2器件串聯式變流器拓撲結構

圖3是采用器件并聯方式的風電機組變流器拓撲結構圖，該電路實質為交直交功率變換系統，發電機輸出的幅值和頻率變化交流電通過整流和斬波升壓，調整成DC1200V，再通過逆變單元和變壓器輸出電壓頻率和幅值及相位與電網一致的交流電源電壓。為了增大系統容量，主電路功率器件均采用并聯技術。

圖3器件并聯式變流器拓撲結構

采用器件串并聯方式提高變流器的功率，具有拓撲結構簡單，功率器件個數少等優點。但器件串聯會帶來分壓不均問題， 器件并聯會帶來器件的均流問題，因而對驅動電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯器件同時導通和關斷，否則由于各器件開斷時間不一，承受電壓不均或分流不均，會導致器件損壞甚至整個逆變器崩潰。

1.3 多電平大功率變流器

多電平變頻器本質依賴于內部多電平逆變器的“多電平逆變”功能，相對于傳統的兩電平變頻器，其主要優點在于：單個器件承受的電壓應力小，更容易實現高壓大功率；在相同開關頻率下，輸出波形更接近正弦波，諧波含量更低；同時還大大減輕了電磁干擾(EMI)問題。

圖4為采用飛跨電容型四電平拓撲結構圖。分析圖 4 可知，該拓撲在功率器件串聯的基礎上，引入了電容進行箝位，保證了電壓的安全分配。其主要特點為：

(1)通過整體單元裝置的串并聯拓撲結構以滿足不同的電壓等級(如3.3kV，4.16kV，6.6kV，10kV)的需要；(2)可使系統普遍采用直流母線方案，以實現多臺高壓變頻器之間能量的互相交換；(3)這種結構沒有傳統結構中的各級功率器件上的眾多分壓分流裝置，消除了系統中可靠性低的因素，從而使系統結構非常簡單可靠，易于維護；(4)輸出波形非常接近正弦波。

缺點是需要的電容器多、控制技術復雜、且需要額外的電容預充電電路。

圖4四電平高壓變頻器拓撲結構圖

2．變頻器并聯型大功率變流器及其實現

2.1系統技術方案及特點

前面介紹了三種大功率變流器的拓撲結構，各有優缺點。變頻器并聯擴容技術很好的克服了上面三種方案的不足。設計標準功率變流器，當單個變流器功率不能滿足風電機組功率要求時，通過變流器并聯，提高功率。這樣既能靈活的滿足風電機組的各種功率等級，又能使各個分變流器工作在額定狀態下，增強系統的穩定性。圖5為系統結構示意圖。

圖5 系統結構框圖

系統由一個操作器和兩個并聯的變流器組成。系統各個對象之間采用CAN總線方式進行通信。操作器(人機接口)控制各變流單元的啟停和參數修改；變流器負責機側整流與網側逆變。機側整流原理，變流器根據檢測的電網電流、直流母線電壓等生成驅動脈沖，驅動IGBT，實現機側整流，同時把各參數值發送至現場總線；網側逆變原理，變流器采樣三相輸入電壓，得到網側電壓矢量角，實現逆變與并網控制。

本系統單個變流器設計功率為500KW，直流母線電壓設計為1200VDC，主電路IGBT采用英飛凌(infineon)公司的高壓模塊FZ1500R33HL3，該模塊由于采用了并聯擴容技術，模塊的功率得到了極大的增強，VCES最高可達3300V，最大工作電流可達1500A。

變頻器控制系統是以高速、高性能、耐高溫單片微機DSPIC30F6010A CPU為核心而構成的全數字化電路。該單片機運算速度快，運算功能強；接口資源豐富，具有多路A/D采樣，多路的I/O接口，集成CAN接口，控制功能強；內置多路波形發生器，非常適合于電機傳動控制，可以產生多種形式的SPWM或PWM波，應用非常方便；電磁兼容性能好，該單片微機具有較好的抗電磁干擾性能設計。

系統特點為：(1)采用高頻開關技術及復雜的生產技術和高質量的電子元器件，結構緊密、重量輕、效率高；(2)多個逆變單元并聯，提高了電流等級，從而提高了逆變器的功率，且易于實現多級冗余并聯，提高整體運行的穩定性。并可給線性與非線性負載供電；(3)所有的監測與控制單元通過CAN總線集成在一起，實現各模塊的同步協調與控制。然而，多個逆變器單元并聯運行，增加了控制的難度，且還可能引起環流問題。

2.2變頻器主電路設計

圖6變頻器主電路原理圖

變頻器主電路包括網側變流器(NPR)和機側變流器(MPR) [4]，原理圖如圖6所示。NPR和MPR分別由6個功率開關組成。在逆變器直流母線上用0.1uF/3300V的高頻無感電容作為Snubber吸收電容，以吸收高頻尖峰電壓，以保護IGBT器件。MPR在控制電路的驅動脈沖作用下，實現機側整流，輸出直流1200V。NPR在控制電路的驅動脈沖作用下，實現逆變與并網控制。

2.3變頻器驅動電路設計

變流器驅動電路采用2SD315AI-33為核心模塊設計。2SD315AI-33模塊是瑞士CONCEPT公司生產的SCALE系列驅動器之一，是驅動和保護大功率IGBT的專用集成驅動模塊，該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，能同時驅動兩個IGBT模塊，電氣隔離可達到6000VAC。具有準確可靠的驅動功能與靈活可調的過流保護功能，同時可對電源電壓進行欠壓檢測。驅動電路主要將主控電路產生的12路SPWM信號隔離、調整，以驅動IGBT管子通斷，實現變流控制。

2.4變頻器控制電路設計

控制電路是整個變流器系統的核心，負責電壓、電流、故障等信號的檢測，SPWM波產生與輸出，CAN接口實現與操作器的通信及各模塊之間的同步控制等。控制電路及其核心軟件是變流器各項功能指標的重要保證。變流器控制電路按功能可以分為如下模塊：CPU模塊、信號檢測模塊、SPWM輸出模塊和CAN通訊模塊。控制電路框圖如圖7所示。變流器控制系統是以高速、高性能、耐高溫單片微機DSPIC30F6010A CPU為核心而構成的全數字化電路，實現高速、可靠的系統控制。

圖7控制電路結構框圖

風電系統對電磁兼容特性有較高的要求，要求系統具有極強的抗干擾能力，工作性能穩定。傳統的導線式信號傳輸方式不能滿足這種要求，信號在傳輸過程中極易引入電磁干擾，造成電路誤動作，甚至IGBT炸管子。為了解決這一問題，系統對重要信號的傳輸應采用光纖方案設計，利用光纖傳導信號，大大降低了傳輸過程中的電磁干擾，增強了系統的穩定性。光纖系統框圖如圖8所示。

圖8光纖系統框圖

3．系統實驗結果

針對設計的變流器系統，進行了輕負載調試試驗(2A)。實驗室模擬DC1200V輸入，逆變器U相輸出電壓波形如圖9所示。用鉗形電流表監測逆變器輸出電流分別為0.9A(變流器1)和0.85A(變流器2)。實驗結果表明，信號在傳輸過程中沒有丟失，一致性非常好，較好地實現了變流器并聯輸出同步和負載均分，達到了預期的效果。

圖9 變流器1(上)與變流器2(下)并聯輸出電壓

4．結語

本文提出的基于變頻器并聯的大功率風力發電變流器系統，集微型計算機控制技術、風電轉換技術、現代光纖技術于一體，實現了變流器并聯時電壓和電流輸出同步，較好地解決了MW級風電變流器并聯控制中的環流問題。系統具有結構簡潔、擴容方便、可靠性高的優點。

（本文編自《電氣技術》，作者為李學哲、黃成玉等。）