摘要

湖南大學電氣信息工程學院的研究人員sqdnm、zxdcg等在2018年第16期《電工技術學報》號提出，模塊化多電平逆變器(MMC )的電容電壓低頻紋波問題限製了直接驅動式永磁風力發電等低頻工作時的應用

針對這一問題，提出了基於改進MMC的中壓風電係統拓撲結構及其控製方法，與傳統的基於“高頻共模電壓高頻電流注入”的低頻紋波抑製方案相比，該方案不會帶來共模電壓的影響問題。 首先闡述了係統的總體結構特點和專用高頻能量通道在係統中的作用及其設計原則，然後深入分析了高頻電流抑製MMC電容器電壓低頻紋波的工作機理，接著介紹了係統的控製方案和詳細的控製方法，最後介紹了Matlab/在Simulink平台上建立5MW/10kV中壓風力發電係統進行仿真研究，建立2kW實驗平台進行實驗驗證。 仿真和實驗結果證明了所提方案的正確性和有效性。

近年來風力發電已成為應用規模最大、發展前景最好的新能源發電方式。 其中直驅永磁風力發電機組以其獨特的優勢成為風力發電中最有前景的機型[ 1，2 ]。 但是隨著機組容量的增大，特別是海上大容量風電機組的發展，風電係統采用傳統的低壓690V方案難以滿足要求，而提高電壓等級可以提高係統效率，減少損耗，降低成本。

現在，市場上已經出現了3~4kV電壓水平的風力發電係統。 隨著絕緣材料技術的進步，ABB公司利用高壓絕緣繞組技術開發了海上風力發電用中壓永磁同步發電機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中壓永磁風力發電機，無需升壓變壓器即可直接連接。 因此，中壓化是風力發電技術未來的發展趨勢。

在變流係統中，受限於功率器件的耐壓水平，采用多水平技術是實現中壓化的現實策略。 其中，三電平中點箝位型(Neutral-Point-Clamped，NPC )轉換器是目前中壓風電係統中主要采用的方案(6、7 )。 但是，由於功率器件發展水平的限製，三電平換流方式仍然難以實現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，但控製設計更複雜，係統可靠性下降[8]。

與傳統多電平換流技術方案相比，模塊化多電平換流器(MMC )模塊化設計、器件驅動觸發時序要求低、擴展性好、開關頻率低、運行目前，MMC已廣泛應用於高壓直流(HVDC )輸電係統、靜止無功補償器(Static Var Compensator，SVC )等領域[10-13]。 但是，MMC在風力發電領域的研究並不多見[14]。 目前中壓風力發電機電壓水平較低(如3.3kV )，采用傳統的三電平逆變器可以滿足基本要求。

但是，隨著機組容量的持續增大，采用更高電壓電平(如10kV )的中壓換流係統是必然趨勢，在這方麵MMC具有天然優勢。 需要解決的問題是，MMC自身在低頻應用時，存在電容器電壓波動大的問題，波動的大小與電流頻率呈反比關係[ 15，16 ]。 直驅永磁風力發電係統通常在幾Hz至十幾Hz的低頻範圍內工作，容量波動大的問題變得突出。 這與MMC在高壓變頻器領域麵臨的挑戰相似[ 17，18 ]。

針對MMC電容電壓的低頻紋波問題，許多文獻提出了多種針對性的解決方案[ 19，20 ]。 其中，許多方案是基於“高頻共模電壓高頻電流注入”的方法，可以有效抑製低頻紋波的產生，但高頻共模電壓的注入會使電機產生嚴重的絕緣和軸電流問題，損傷軸承，影響電機壽命[21，]

為了在抑製電容電壓紋波的同時避免共模電壓的影響，本文提出了一種基於改進MMC的中壓風電係統拓撲結構及其控製方法，與傳統的基於“高頻共模電壓高頻電流注入”的方案相比，本方案設計了專用的高頻能量通道

基於改進圖MMC的中壓風電係統拓撲結構

圖7實驗台的照片

結論

MMC在直接驅動永磁風力發電等低頻情況下最大的挑戰是電容器電壓的低頻紋波問題，本文提出了一種基於MMC改進的中壓風電係統拓撲結構，介紹了其工作原理和控製方法。 該方法不注入共模電壓就能有效抑製電容電壓的低頻紋波。 仿真分析和實驗結果驗證了本方案的有效性。

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