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一种二极管箝位级联拓扑在直驱风电系统中的应用研

发布时间:2020-07-01 01:17:07 阅读: 来源:无缝钢管厂家

0 引言 为满足风力发电对高压、大功率和高品质变流器的需求,多电平变流器拓扑得到了广泛关注。变流器采用多电平方式后,可以在常规功率器件耐压基础上,实现高电压等级,获得更多级(台阶)的输出电压,使波形更接近正弦,谐波含量少,电压变化率小,并获得更大的输出容量。多电平变流器具体电路拓扑可分为5类:二极管箝位型、双向开关互联型、飞跨电容型、两电平变流器组合型、单相H桥级联型等。其中单相级联H桥型和二极管中点箝位型多电平拓扑结构简单,控制灵活,近年来在大功率变频调速、无功补偿、大功率稳压电源等方面均有较多的应用;在PWM控制方法中,研究较多的是特定谐波消除PWM调制、多载波SPWM调制、载波相移SPWM调制和空间矢量调制等。 虽然级联H桥型多电平拓扑和二极管中点箝位三电平拓扑的应用已经比较成熟,但是当需要的电平数进一步增加时,前者需要更多的独立直流电源,后者则需要更多的箝位器件并存在电容电压平衡的问题,所以,目前二极管箝位多电平以三电平和五电平为主。因此,将级联H桥和二极管箝位三电平拓扑相结合,则可以利用两者的优势,针对这种结构有不同的控制方法,如消谐波SPWM控制、SVPWM控制等。 本文针对二极管箝位五电平级联H桥拓扑,提出了一种消谐波SPWM和载波相移SPWM相结合的控制方法,通过采用不同相位的三角载波,使二极管箝位五电平H桥能够方便地产生多电平输出,同时使五电平功率单元可以方便地级联在一起。对这种拓扑在永磁直驱风电系统中的应用进行了初步探索,采用18相永磁同步发电机+移相变压器+12脉波整流器+二极管箝位五电平级联H桥,能够进一步提高输出电压和功率等级,为风力发电输出不用升压变压器即可直接并入中压电网提供了进一步的可能性。1 拓扑结构分析 图1是本文采用的二极管箝位五电平级联H桥拓扑在直驱型变速恒频风电系统中的应用原理图,其中图1(a)为系统结构简图,图1(b)为二极管箝位五电平H桥功率单元原理图。图1(a)中风电机组拖动多相永磁同步发电机,永磁同步发电机为18相电机,共有6组输出绕组,每组绕组间相位差20,每组绕组分别进入二极管箝位功率单元,共有6个功率单元构成三相逆变器,每2个功率单元进行级联构成一相输出,三相输出通过滤波电感并入电网。图1(b)中,输入为永磁同步发电机的一组三相绕组,经过三绕组移相变压器,移相变压器为DDY结构,匝比为1:1:,副边两路输出的相位差30,由12脉波二极管整流器整流得到独立的直流电源,其中直流侧电容由两个电解电容串联构成,电容的中点作为二极管箝位功率电路的中点,并且和两个6脉波二极管整流器的中点连接,直流电经过二极管箝位五电平H桥进行逆变,输出单相交流电。由功率单元1、2、3分别和4、5、6级联构成三相输出。

,直流侧电容为两个6800μF电解电容串联,逆变器功率模块采用三菱公司IPM模块,控制器采用TMS320F2407+FPGA,负载参数与仿真相同,L=3mH,C=50μF,R=50Ω;输出电压频率为50Hz,开关频率为3kHz。由于受实验条件限制,实验中直流侧电压相对较低,将在随后的研究中进一步提高电压等级。 以下是部分实验结果。图6是输入侧电压电流和直流侧电压波形,其中uia(Ch1)和iia(Ch3)分别是移相变压器输入侧a相电压和电流波形,udc是直流侧电压(Ch2)波形。从图中可以看到,电流波形接近正弦波,和输入电压的相位基本一致,可见通过移相变压器和12脉波整流器,能够明显改善输入侧的电流波形质量,提高输入功率因数,降低发电机的谐波损耗,通过12脉波整流器得到的直流侧电压较为平稳,能够满足逆变器的需要。

图7是a相输出电压和电流波形,其中uoam是相电压波形(Ch1),ioa是电流波形(Ch2)。从图中可以看到,输出相电压波形为9电平,电流波形经过电感滤波后,波形质量也比较高,对应的谐波成份也比较少。

5 结语 本文采用的二极管箝位五电平H桥级联拓扑,结合了两种多电平拓扑的优势,使输出电压在常规二极管箝位三电平电路的基础上有了较大提高,相对于常用的单相级联H桥结构,需要较少的独立直流源,结合12脉波整流电路,对其在直接驱动型风电系统中的应用进行了初步探索,而多相永磁同步发电机目前的应用也逐渐增多,可以提供所需的多路独立直流电源。采用消谐波SPWM和载波相移SPWM相结合的载波调制方法,通过多路相位不同的三角载波与调制波比较,产生功率器件需要的驱动脉冲,控制简单,实现方便,基于DSP+FPGA的脉冲发生电路,使多路驱动的产生变得简单。仿真和实验结果表明,把消谐波SPWM和载波相移SPWM相结合的控制方法应用于二极管箝位五电平级联H桥拓扑中,能够进一步提高输出功率和电压等级,提高等效载波频率,降低器件的开关损耗和输出滤波器的体积,为直驱风电系统在输出没有变压器的情况下直接并入中压电网提供了可能。

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