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》號提出，模塊化多電平逆變器(MMC )的電容電壓低頻紋波問(wèn)題限制了直接驅動(dòng)式永磁風(fēng)力發(fā)電等低頻工作時(shí)的應用
針對這一問(wèn)題，提出了基于改進(jìn)MMC的中壓風(fēng)電系統拓撲結構及其控制方法，與傳統的基于“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。 首先闡述了系統的總體結構特點(diǎn)和專(zhuān)用高頻能量通道在系統中的作用及其設計原則，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(zhù)介紹了系統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(fēng)力發(fā)電系統進(jìn)行仿真研究，建立2kW實(shí)驗平臺進(jìn)行實(shí)驗驗證。 仿真和實(shí)驗結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)電已成為應用規模最大、發(fā)展前景最好的新能源發(fā)電方式。 其中直驅永磁風(fēng)力發(fā)電機組以其獨特的優(yōu)勢成為風(fēng)力發(fā)電中最有前景的機型[ 1，2 ]。 但是隨著(zhù)機組容量的增大，特別是海上大容量風(fēng)電機組的發(fā)展，風(fēng)電系統采用傳統的低壓690V方案難以滿(mǎn)足要求，而提高電壓等級可以提高系統效率，減少損耗，降低成本。
現在，市場(chǎng)上已經(jīng)出現了3~4kV電壓水平的風(fēng)力發(fā)電系統。 隨著(zhù)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Windformer，輸出電壓達20kV，容量達3~5mw [ 3，4 ]。 文獻[5]設計了一種新型10kV中壓永磁風(fēng)力發(fā)電機，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。
在變流系統中，受限于功率器件的耐壓水平，采用多水平技術(shù)是實(shí)現中壓化的現實(shí)策略。 其中，三電平中點(diǎn)箝位型(Neutral-Point-Clamped，NPC )轉換器是目前中壓風(fēng)電系統中主要采用的方案(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6kV以上的電壓電平輸出。 增加電平數可以獲得更高的輸出電壓，但控制設計更復雜，系統可靠性下降[8]。
與傳統多電平換流技術(shù)方案相比，模塊化多電平換流器(MMC )模塊化設計、器件驅動(dòng)觸發(fā)時(shí)序要求低、擴展性好、開(kāi)關(guān)頻率低、運行目前，MMC已廣泛應用于高壓直流(HVDC )輸電系統、靜止無(wú)功補償器(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)電機電壓水平較低(如3.3kV )，采用傳統的三電平逆變器可以滿(mǎn)足基本要求。
但是，隨著(zhù)機組容量的持續增大，采用更高電壓電平(如10kV )的中壓換流系統是必然趨勢，在這方面MMC具有天然優(yōu)勢。 需要解決的問(wèn)題是，MMC自身在低頻應用時(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 ]。 直驅永磁風(fēng)力發(fā)電系統通常在幾Hz至十幾Hz的低頻范圍內工作，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)域面臨的挑戰相似[ 17，18 ]。
針對MMC電容電壓的低頻紋波問(wèn)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(huì )使電機產(chǎn)生嚴重的絕緣和軸電流問(wèn)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(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)電系統拓撲結構及其控制方法，與傳統的基于“高頻共模電壓高頻電流注入”的方案相比，本方案設計了專(zhuān)用的高頻能量通道
基于改進(jìn)圖MMC的中壓風(fēng)電系統拓撲結構
圖7實(shí)驗臺的照片
結論
MMC在直接驅動(dòng)永磁風(fēng)力發(fā)電等低頻情況下最大的挑戰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)電系統拓撲結構，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)驗結果驗證了本方案的有效性。
要進(jìn)一步閱讀，請單擊左下方的“閱讀原文”訪(fǎng)問(wèn)期刊官方網(wǎng)站。 可以下載全文PDF版。
電工技術(shù)學(xué)報
010-68595315 (編輯)
010-68595056 (編務(wù)) ) ) ) ) ) )。
010-68594867 (訂閱
郵箱： dgjsxb@vip.126.com
電氣技術(shù)
010-68595053 (編輯)
010-68595026 (編務(wù)) ) ) ) ) ) )。
010-68594867 (訂閱
郵箱： dianqijishu@126.com
索取樣品刊物
長(cháng)按左側的二維碼
索取《電氣技術(shù)》樣刊