一種二極管箝位級聯拓撲在直驅風電系統中的應用研究

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   為滿足風力發電對高壓、大功率和高品質變流器的需求，多電平變流器拓撲得到了廣泛關注。變流器采用多電平方式后，可以在常規功率器件耐壓基礎上，實現高電壓等級，獲得更多級(臺階)的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。多電平變流器具體電路拓撲可分為5類：二極管箝位型、雙向開關互聯型、飛跨電容型、兩電平變流器組合型、單相H橋級聯型等。其中單相級聯H橋型和二極管中點箝位型多電平拓撲結構簡單，控制靈活，近年來在大功率變頻調速、無功補償、大功率穩壓電源等方面均有較多的應用；在PWM控制方法中，研究較多的是特定諧波消除PWM調制、多載波SPWM調制、載波相移SPWM調制和空間矢量調制等。
    雖然級聯H橋型多電平拓撲和二極管中點箝位三電平拓撲的應用已經比較成熟，但是當需要的電平數進一步增加時，前者需要更多的獨立直流電源，后者則需要更多的箝位器件并存在電容電壓平衡的問題，所以，目前二極管箝位多電平以三電平和五電平為主。因此，將級聯H橋和二極管箝位三電平拓撲相結合，則可以利用兩者的優勢，針對這種結構有不同的控制方法，如消諧波SPWM控制、SVPWM控制等。
    本文針對二極管箝位五電平級聯H橋拓撲，提出了一種消諧波SPWM和載波相移SPWM相結合的控制方法，通過采用不同相位的三角載波，使二極管箝位五電平H橋能夠方便地產生多電平輸出，同時使五電平功率單元可以方便地級聯在一起。對這種拓撲在永磁直驅風電系統中的應用進行了初步探索，采用18相永磁同步發電機+移相變壓器+12脈波整流器+二極管箝位五電平級聯H橋，能夠進一步提高輸出電壓和功率等級，為風力發電輸出不用升壓變壓器即可直接并入中壓電網提供了進一步的可能性。
1 拓撲結構分析 
    圖1是本文采用的二極管箝位五電平級聯H橋拓撲在直驅型變速恒頻風電系統中的應用原理圖，其中圖1(a)為系統結構簡圖，圖1(b)為二極管箝位五電平H橋功率單元原理圖。圖1(a)中風電機組拖動多相永磁同步發電機，永磁同步發電機為18相電機，共有6組輸出繞組，每組繞組間相位差20°，每組繞組分別進入二極管箝位功率單元，共有6個功率單元構成三相逆變器，每2個功率單元進行級聯構成一相輸出，三相輸出通過濾波電感并入電網。圖1(b)中，輸入為永磁同步發電機的一組三相繞組，經過三繞組移相變壓器，移相變壓器為DDY結構，匝比為1:1:，副邊兩路輸出的相位差30°，由12脈波二極管整流器整流得到獨立的直流電源，其中直流側電容由兩個電解電容串聯構成，電容的中點作為二極管箝位功率電路的中點，并且和兩個6脈波二極管整流器的中點連接，直流電經過二極管箝位五電平H橋進行逆變，輸出單相交流電。由功率單元1、2、3分別和4、5、6級聯構成三相輸出。