2MW风电逆变器研究设计与制作.doc

2 MW风力发电并网逆变器研究与设计 仇志凌 陈国柱 浙江大学电气学院 310027 摘要：针对兆瓦级风电并网逆变器主电路研制中存在的并联扩容、开关频率较低和LCL滤波器难以优化设计等问题，提出了采用交流侧串接电感再进行并联的均流方案，采用载波移相技术提高变流器的等效开关频率，提出了LCL滤波器的设计原则，并给出了上述设计的理论依据和实现方法。通过对2兆瓦风电变流器主电路的仿真验证了上述技术方案。 关键词：兆瓦级并网逆变器、电感均流、低开关纹波电流、载波移相、LCL滤波器 1 引 言 随着能源紧张和环境问题的日益严重，新能源发电技术，如风力发电和光伏发电等越来越受到人们的重视。风力发电由于单机容量大、成本低，在现阶段更具有吸引力，在世界范围内其总装机容量得到了快速的增长。当前，风力发电正在朝着更大的单机容量发展，兆瓦级机组在国外已经投入大规模商业运行，5～6兆瓦的机组也已开始试运行。相应的，大容量机组对并网逆变器的容量提出了较高的要求。为了满足大容量的要求，逆变器的并联扩容成为了必然的选择。 现有的并联方式主要有功率模块直接并联、功率模块交流侧串接电感再并联和以UPS为代表的系统级并联。但采用何种简单、可靠的并联方式保证一定的均流效果需要仔细研究。 并网逆变器会引入附加的谐波，因此注入电网的电流谐波大小是一项重要指标，受到了人们的广泛关注。IEEE Std929－2000和IEEE Std.P1547标准[1]对并网发电的电源系统注入电网电流的谐波做出了严格的限制，总谐波失真（THD）小于5%，3、5、7、9次谐波小于4%，11～15次小于2%，35次以上小于0.3%。 对于处于线性调制区SPWM或SVPWM逆变器，低次谐波含量基本都能满足标准，而开关频率纹波需要采用低通滤波器进行衰减以达到标准的要求。理论上高的开关频率和低的滤波器截止频率可以获得满意的滤波效果。但兆瓦级并网逆变器受到开关损耗的制约难以获得较高的开间频率。传统的并网逆变器采用单电感滤波，由于其较低的衰减倍率，必须采用较大的电感量才能保证滤波效果，这会导致较大的电感压降，并不适合兆瓦级应用场合。LCL滤波器具有在较小的滤波器参数条件下依然保持较好的滤波性能的优点，但在设计过程中需要对3个参数进行选取，难以做到优化设计。 本文针对兆瓦级并网逆变器研制中存在的难点，以2兆瓦风电变流器为目标进行了研究。对于并联扩容问题采用了交流侧串接电感的办法进行均流，对开关频率较低的问题采用载波移相技术[9]提高了等效开关频率，对LCL滤波器设计问题在进行了深入的理论分析的基础上提出了一套行之有效的设计方法。仿真结果证明了上述设计方案的有效性。 2 主电路结构和原理分析 图1是2 MW风电并网变流器的主电路结构图。该电路把风电机组输出的直流电能通过三相半桥逆变电路转换成工频50 Hz的交流电能馈入690 V三相交流电网。 2.1 并联扩容 该电路功率为2 MW，输出电压690 V，受现有IGBT功率模块容量的限制，必须采用并联扩容才能满足系统容量要求。本方案采用三台相同容量的三相半桥模块（block）并联，以达到额定容量。 现有的并联技术主要有功率模块直接并联、交流侧串电感并联和基于独立装置的系统级并联。所谓器件级并联就是功率模块桥臂中点直接进行并联。这种并联方式最直接，系统结构比较简单，其缺点是均流效果受器件自身特性影响较大。器件间的均流包括稳态均流和动态均流两个方面。所谓稳态均流指的是并联模块开通以后模块间的均流效果，需要采用正温度系数的模块。动态均流是指器件在开通、关断过程中，由于各模块开关速度不一致导致的均流问题。其要求各并联模块的驱动信号拥有良好的一致性，且模块交流侧需要串联微亨级的小电感以抑制开关过程中的电流不平衡。总之，器件级并联均流效果完全由器件本身特性决定，况且微亨级的小电感也不易实现，风险较大。 串电感并联是指各并联桥臂中点串联电感后再进行并联。这种并联方式结构稍嫌复杂，但串联电感的引入可以有效改善均流效果。当桥臂串流电感后由于感抗一般都要比IGBT的等效电阻大很多，故模块间的均流效果就主要由电感的一致性决定，受模块自身特性影响很小。另外对主功率布线一致性要求也可以降低，因为线路的等效电感比串联电感小很多。所以串联电感的并联方式风险比较小，是一种比较稳妥的选择，当然，为了保证均流效果，电感量的一致性需要得到保证。而电感在制造过程中电感量的误差一般在5%左右，但均流效果直接由电感量的误差决定，不会失控。另外，这种并联方式还为载波移相的应用提供了前提条件，后文还会进行具体分析。 系统级并联主要应用于UPS并联。与串电感并联相比，这种并联方式把控制器一并集成到各并联单元中，消除了控制器的单点故障。并且系统的灵活性大大提高，可以进行简单