2 2 2 2 2 Vol. 32 　No. 5 Mar. 10 , 2008 第 32 卷 　第 5 期 2008 年 3 月 10 日 并联背靠背 PWM 变流器在直驱型风力发电系统的应用 李建林 , 高志刚 , 胡书举 , 付勋波 , 许洪华 (中国科学院电工研究所 , 北京市 100080) 摘要 : 直驱型风力发电系统需要全功率变流器 ,在现有器件功率水平以及开关频率等诸多因素制 约下 ,变流器直接并联的方式具备结构简单 、模块化设计 、易扩展的优点 。文中通过有效的控制 ,使 并联运行达到了大电流输入的要求 ,并将基于载波相移技术的背靠背脉宽调制 ( PWM) 变流器应用 在直驱型风力发电系统中 ,开关频率仅为 1 k Hz 。实验表明 ,在提高等效开关频率 、改善输出电流 波形的同时不会带来环流问题 ,这在风电系统的全功率变流器中具有重要意义 。 关键词 : 直驱型风力发电系统 ; 背靠背 PWM 变流器 ; 并联运行 ; 载波相移 ; 永磁同步发电机 中图分类号 : TM315 ; TM614 0 　引言 2 MW～1 随着风力发电机单机容量的日益增大 ,更多的 风力发电机型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[ 1 2 ] ,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 , 例如国 内新 疆金 风公司 与国 外 合 作 已 成 功 研 制 5 MW 直驱型风力发电机组并成功实 1 现并网运行 。直驱型风力发电系统是一种新型的风 力发电系统 ,采用风轮直接驱动多极低速永磁同步 发电机发电 ,然后通过功率变换电路将电能转换后 并入电网 ,省去了传统双馈式风力发电系统中的国 内难以自主生产且故障率较高的齿轮箱这一部件 , 系统效率大为提高 ,有效地抑制了噪声[ 3 6 ] 。然而 , 直驱型风力发电系统需要全功率变流器 ,目前风电 场实际运行的风电机组基本均为 690 V 额定电压 , 为了实现机组的大功率输出 ,功率器件需要承受大 电流 ,在现有器件耐流水平未取得突破性进展前 ,多 个变流器并联的方式可以满足目前这种低压 、大电 流场合 。将载波相移 (CPS) 技术与变流器并联技术 结合 ,成功应用在直驱风电系统所需的全功率变流 器中 ,在低开关频率下实现了系统的正常运行 。 1 　系统结构及工作原理 直驱风电系统并联脉宽调制 ( PWM) 背靠背变 流器拓扑结构如图 1 所示 。电机侧整流部分采用 2 个PWM 整流器并联形式 ,可以提高功率等级 ,稳 定各支路的直流侧电压并调节电机输出功率因数 。 收稿日期 : 2007 11 中国博士后基金资助项目 (20060390092) 。 18 ; 修回日期 : 2007 07 20 。 网侧逆变部分也采用 2 个并网逆变器并联形式 ,实 现对并网电流的有功分量和无功分量的独立调节 。 逆变器的 2 条支路由 2 个逆变器 、2 个三相 L 滤波 器及逆变器控制核心构成 。 图 1 　直驱风电系统并联 PWM 背靠背 变流器拓扑结构示意图 Fig. 1 　Schematic back to back PWM converter for direct drive wind power system 以整流器 1 为例 ,以流入电机的方向为正 ,设整 流器 1 输入电机的电流为 i1a′, i1b′, i1c′,由于该三相 绕组构成一个闭合节点 ,根据基尔霍夫电流定律 ,流 入和流出一个闭合节点的电流之和为 0 ,因此有 : i1a′+ i1b′+ i1c′= 0 (1) 　　以整流器 1 和逆变器 1 构成的单元为研究对 象 ,该单元共有 ia , ib , ic 和 ia′, ib′, ic′共 6 组电流输 出 。根据基尔霍夫电流定律 , i1a′+ i1b′+ i1c′+ i1a + i1b + i1c = 0 (2) 得 i1a + i1b + i1c = 0 ,因此得逆变单元 1 的三相输出 电流之和为 0 。同理分析可知 ,逆变器 2 的三相电 流输出之和为 0 。由文献 [ 7 ]关于并联逆变器的环 流建模可知 ,此时各逆变器之间不存在环流问题 ,简 —95— © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

2 　 (4) 2008 , 32 (5) 化了各逆变器之间的协调控制 。 　　　　　　　i02 = i2a + i2b + i2c 根据开关状态不同 ,图 1 所示拓扑有多种不同 的运行工况 ,这里只考虑电路中的环流分量 ,而不计 及系统向电网侧输送的电流 。现对各种工况总结如 下 。 图 1 中 2 组逆变器各自的三相输出经过电抗器 后进 行 并 联 , 第 1 组 逆 变 器 的 三 相 电 感 分 别 为 L AC1a ,L AC1b ,L AC1c ,第 2 组逆变器的三相电感分别为 L AC2a ,L AC2b ,L AC2c 。以 a 相为例 ,得等效图见图 2 。 图 2 　a 相线路等价图 Fig. 2 　Equivalent circuit of a phase 图 2 中 ,U 1 和 U 2 分别为逆变器 1 和逆变器 2 输出的 a 相电压 ,2 个逆变器直流母线电压分别为 U dc1 和 U dc2 。对于 U 1 ,有 0 和 U dc1 这 2 种电平 ;对于 U 2 ,有 0 和 U dc2 这 2 种电平 ,因此 ,对于图 2 所示的 拓扑 ,共有 4 种等效图 ,如图 3 所示 。图 3 (a) 中 ,逆 变器 1 下管开通 ,逆变器 2 下管开通 ,记为模式 0 ; 图 3 (b) 中 ,逆变器 1 下管开通 ,逆变器 2 上管开通 , 记为模式 1 ;图 3 (c) 中 ,逆变器 1 上管开通 ,逆变器 2 下管开通 ,记为模式 2 ;图3 (d) 中 ,逆变器 1 上管开 通 ,逆变器 2 上管开通 ,记为模式 3 。 图 3 　a 相并网支路的 4 种工况 Fig. 3 　Four modes of a phase branch 同理 ,b 相 、c 相亦各有 4 种工况 ,所以图 1 所示 的拓扑中共有 64 种工况 。为简化叙述 ,根据图 3 中 的规定 ,将三相的模式编号合成一个数字来表示 ,例 如数字 122 表示 a 相为模式 1 、b 相为模式 2 、c 相为 模式 2 ,考虑到三相并网支路的对称性 ,模式 122 的 等效电路拓扑与模式 212 和模式 221 的等效电路拓 扑结构相同 ,相应调换三相即可 。某一典型工况如 图 4 所示 。此时各种工况下的环流可以用流过三相 电感的电流之和来表示 ,即对于逆变器 1 和逆变器 2 来说 ,其环流 i01 和 i02 的表达式为 : 　　　　　　　i01 = i1a + i1b + i1c (3) —06— 图 4 　某一典型工况( 模式 000) Fig. 4 　One of the typical working states ( mode 000) 观察图 4 ,显然 ,此时 i01 和 i02 均为 0 。同时 ,对 比各典型工况的等效电路图 (见附录 A 图 A1) 不难 发现 ,只是三相电路连接到电容上下端点的位置不 同 。以电容为研究对象 ,根据基尔霍夫电流定律 ,流 出电容的所有电流之和应为 0 。而 3 条线路无论连 接到电容的上端还是下端 ,均为流出电容电流的一 部分 ,概括不同的工况图 ,并参考式 (3) 、式 (4) ,得 i01 = 0 i02 = 0 i1a + i1b + i1c = 0 i2a + i2b + i2c = 0 (5) (6) 因此在各种工况下 ,均不会出现直流母线通过输出 电感放电的问题 ,2 条直流母线之间无能量交换 ,图 1 所示的拓扑从根本上抑制了环流问题的产生 。同 时 ,由于逆变器 1 和逆变器 2 工作方式的自由度很 大 ,图 1 所示拓扑的均流控制也相对比较简单 ,本文 采用的均流方案是将给定电流折半后作为 2 组逆变 器的各自给定电流 ,达到控制各逆变器输出电流的 目的 。实验结果表明这种控制方法效果良好 。 2 　控制策略 背靠背变流器 1 的整流器可以调节发电机输出 的无功功率 ,有效调节电机输出功率因数 ,当需要电 机输出为单位功率因数时 ,令无功电流为 0 ,这样可 以使电机输出最大有功功率 。同时 ,由于无功输出 可调 ,使发电机转速范围更宽 。电机侧整流器还可 以稳定直流侧电压 ,给并网逆变器提供稳定的直流 电源 。网侧逆变器负责调解系统输入到电网的有功 功率和无功功率 ,当电网需要超前无功时 ,设定无功 电流为负值 ;当电网需要滞后无功时 ,设定无功电流 为正值 ;当需要输入到电网的有功功率最大 、无功功 率为 0 时 ,可以设定无功电流为 0 ,网侧功率因数为 1 。对于本文提出的这种独立直流侧背靠背变流器 进行并联运行时 ,给定电流应设定为应有电流的一 半 ,保证二者均流 、分担电流即可 。单个 PWM 背靠 背变流器的控制结构示意图如附录 A 图 A2 所示 。 SPWM 技术在背靠背变流器上的实 3 　CPS 现方法 针对图 1 所示的电路结构 ,采用 CPS 正弦脉宽 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

2 ·研制与开发 ·　李建林 ,等 　并联背靠背 PWM 变流器在直驱型风力发电系统的应用 调制 ( SPWM) 技术 , 实现了一种低开关频率下整 流 、逆变的方案 。CPS SPWM 技术由于能在大功率 场合实现 SPWM 技术 ,可以极大地改善输出波形 , 减小输出谐波 ,从而相应减小滤波器的容量 ,降低成 本 。同时 ,因其等效开关频率高 、传输带宽宽 ,可以 引入各种先进的控制策略 ,优化整个系统的性能指 标[ 8 ] 。从这个角度来说 ,这也是控制手段在特大功 率场合的一个突破 。在实现 CPS SPWM 技术时 , 功率主电路的复杂性并没有增加 。CPS SPWM 是 适用于大功率电力电子装置的开关调制策略 ,可应 用于并联型背靠背变流器 、组合变流器 ,也可应用于 多电平变流器 。其基本原理如附录 A 图 A3 所示 , 已有文献进行介绍[ 8 ] ,这里不再赘述 。 4 　实验验证 为验证本文所提出的方法的正确性 ,针对图 1 所示的并联背靠背变流器 ,分别进行了采用 CPS 技 术和不采用 CPS 技术对比实验 。限于篇幅 ,仅给出 逆变部分的实验波形 。采用 CPS 时的实验结果如 图 5 、图 6 所示 。 图 5 　逆变器 1 和 2 在 CPS 脉冲驱动下 a 相支路电流及 合成电流波形 Fig. 5 　a phase current of inverter 1 and 2 driven by the CPS PWM pulse 图 6 　逆变器 1 和 2 在 CPS 脉冲驱动下 a 相电流及 环流电流波形 Fig. 6 　a phase circular current of inverter 1 and 2 driven by the CPS PWM pulse 逆变器模块采用三菱公司的 PM200DSA120 , 开关频率为 1 k Hz 。采用 TI 公司 2407 型数字信号 处理器 (DSP) 作为 2 组逆变器的控制芯片 ,该 DSP 提供了 12 路 PWM 输出口 ,并有多达 16 路的 A/ D 通道 ,完全可以满足实验需求 。主电路功率模块采 用三 菱 公 司 的 PM200DSA060 型 智 能 功 率 模 块 ( IPM) 。逆变器输出电感均为2 m H 。 由图 5 (a) 可见 ,2 个逆变器输出的电流近似相 同 ,且电流基本平均分布 。同时 ,可以在直观上看 出 ,合成的电流较图 5 (a) 的 i1a 更接近正弦 ,只是在 波峰和波谷的位置产生了较大的“尖刺”。这种现象 是由于 2 组逆变器采用的脉冲是经过 CPS 后得出 的 。由图 5 (b) 的i1a和 i2a可以看出 ,二者同一时刻的 波动趋势恰好相反 ,合成的电流波动情况由于 2 个 支路电流的互相抵消而改善 ,与未采用 CPS 技术 (实验结果见附录 A 图 A4 、图 A5) 相比 ,合成后的 电流在电流基波幅值增大的同时 ,波动变小了 。 由图 6 ( a ) 可 以 看 出 , 环 流 近 似 为 0 。观 察 图 6 (b) 的 i1a和 i2a 可以看出 ,二者同一时刻的波动 趋势相反 ,这是由于采用了 CPS 驱动脉冲 。环流近 似为 0 ,这说明独立直流母线的 2 个逆变器之间采 —16— © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

2 2 2 2 2 2 2008 , 32 (5) 用 CPS 技术 ,在提高等效开关频率 、改善波形的同 时 ,不会带来环流问题 。 5 　结语 变流器并联运行是直驱型风力发电系统中所需 要的低压 、大电流全功率变流的有效途径 。采用独 立直流侧变流器拓扑结构 ,可以避免变流器并联系 统中固有的零序环流问题 ,而采用 CPS 技术可以在 低器件开关频率的情况下 ,提高等效开关频率 ,改善 输出电流波形质量 ,将二者有机地结合起来 ,应用在 全功率变流场合 ,可以囊括二者的优点 。整套系统 采用模块化设计思路 ,具有易扩展 、容错能力强的优 点 ,是一种较为理想的解决方案 ,有较强的工程应用 前景 。 附录 见本刊 网络 版 ( http :/ / www. aep s info . com/ aep s/ ch/ index. asp x) 。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘其辉 ,贺益康 ,赵仁德. 变速恒频风力发电系统最大风能追踪 67. 控制. 电力系统自动化 ,2003 ,27 (20) :62 L IU Qihui , H E Yikang , ZHAO Rende. The maximal wind energy t racing cont rol of avariable f requency wind power generation system. Automation of Elect ric Power Systems , 2003 , 27 (20) : 62 speed constant 67. [ 2 ] 贺益康 ,郑康 ,潘再平 ,等. 交流励磁变速恒频风电系统运行研 59. 究. 电力系统自动化 ,2004 ,28 (13) :55 H E Yikang , ZH EN G Kang , PAN Zaiping , et al . Investigation on an AC excited variable power generation system. Automation of Elect ric Power Systems , 2004 , 28 (13) : 55 [ 3 ] GOL O , SOB HI NAJ A FABADI B. Use of impedance models in f requency wind speed constant 59. 2 2 　 permanent magnet synchronous generator design/ / Proceedings of 6t h International Conference on Elect rical Machines and Systems : Vol 1 , Nov 9 11 , 2003 , Beijing , China : 112 115. [ 4 ] CHAU K T , FAN Ying , CH EN G Ming. A novel t hree p hase doubly salient permanent magnet machine for wind power Proceedings generation/ / Indust ry Applications Conference : Vol 1 , Oct 3 7 , 2004 , Seattle , WA , USA : 133 137. 39t h of [ 5 ] NA KA GAWA K , KANAMARU Y , MIJ AMO TO T. A connected IEEE Trans on Energy magnet induction generator. state analysis of a grid technique for permanent Conversion , 2004 , 19 (2) : 318 t he steady 324. [ 6 ] HWAN G D H , L EE K C , KAN G D H , et al. An modular type flux permanent magnet synchronous generator for gearless axial wind power systems/ / Proceedings of 30t h Annual Conference of IEEE Indust rial Elect ronics Society : Vol 2 , Nov 2 6 , 2004 , Busan , Korea : 1396 1399. sequence current [ 7 ] YE Z , BORO YEVICH D , L EE F C. Modeling and cont rol of zero converters/ / Proceedings of Power Elect ronics Specialist s Conference : Vol 2 , J un 18 23 , 2000 , Galway , Ireland : 680 in parallel multi phase 685. [ 8 ] 王立乔 ,王长永 ,张仲超. 组合变流器相移 SVM 技术的研究. 电 力系统自动化 ,2002 ,26 (18) :36 WAN G Liqiao , WAN G Changyong , ZHAN G Zhongchao . shifted SVM converters. St udy of Automation of Elect ric Power Systems , 2002 , 26 (18) : 36 40. modular phase t he multi 40. 李建林 (1976 —) ,男 ,通信作者 ,博士 ,副研究员 ,主要研 mail : ljl 究方向 :电力电子技术 、变速恒频风力发电技术 。E @mail. iee. ac. cn 高志刚 (1983 —) ,男 ,硕士研究生 ,主要研究方向 :电力 电子与电力传动 、风力发电技术 。 胡书举 (1978 —) ,男 ,博士研究生 ,主要研究方向 :电力 电子技术 、变速恒频风力发电技术 。 Application of Parallel Back to back PWM Converter on the Direct drive Wind Power System L I J i anli n , GA O Zhi gan g , HU S huj u , FU X unbo , X U Hong hua ( Institute of Electrical Engineering , Chinese Academic of Sciences , Beijing 100080 , China) drive wind power system needs f ull Abstract : Direct scale power converters. To overcome the limit s in the capacity and switching f requency , converters are connected in parallel which is simple , modular designed and easy to extend. The paper present s an effective control method to enable the parallel operation meet the demand of large current input . The carrier phase shift technique based parallel back drive wind power system , with a switching f requency as low as 1 k Hz. Experimental result s demonstrate the method achieve an equivalent high switching f requency , improve the waveforms of output current s while avoid internal circular current s. This is very important for f ull scale power converters used in the wind power system. back PWM converter is used on the direct to This work is supported by Po st doctoral Science Foundation of China (No. 20060390092) . Key words : direct drive wind power system ; back permanent magnet synchronous generator ( PMSG) to back PWM converter ; parallel operation ; carrier phase shift ( CPS) ; —26— © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net