基于三电平直流升压策略的海上风电变流器研究

PN4-081基于三电平直流升压策略的海上风电变流器研究*刘文晋王志新（上海交通大学电气工程系，上海市东川路800号上海200240）摘要：本文针对永磁直驱风力发电机变流技术的特点，提出了一种新型的直流变换器，适用于海上风电场柔性直流输电系统。根据柔性直流输电系统的电压和功率要求，采用三电平拓扑结构、内环采用电流峰值控制，以及适用于三电平Boost变换器电流峰值控制的双梯形波补偿控制方法。昀后，经Matlab/Simulink仿真研究，证明其可行性。关键词：轻型直流输电；三电平Boost变换器；电流峰值控制；双梯形波；Matlab/SimulinkAbstract:AnovelDCinverter,whichisusedinHVDCsystem,isintroducedonthebasisofthecharacteristicofpermanentmagnetdirect-drivenwindgeneratorsystem.ConsideringtherequirementofvoltageandpowerinHVDC,three-leveltopologyisusedinthisinverteranditsinnerloopiscurrentpeakmode.Double-TrapezoidWaveisintroducedtorealizeCPMinthree-levelBoostinverter.Simulinkisusedtoproveitsfeasibility.KeyWords:HVDC;Three-LevelBoostInverter;CPM;Double-TrapezoidWave;Matlab/Simulink中图分类号：TM721.1文献标识码：A1.引言柔性直流输电是一种新型的直流输电技术，符合海上风力发电场长距离输电的要求，成为海上风电场联网的首选技术。柔性直流输电技术在国外已得到推广应用，一些用于风电联网的商业化运行工程从投运到现在运行良好，产生了巨大的经济与环保效益[1]。图1所示基于柔性HVDC的发电机集中控制并网已成为当前海上风电场主要采用的输电方案[2]。图1基于轻型HVDC的海上风电场发电机集中控制并网为了更好地利用风能，使风机在低风速下仍能工作，且省掉了齿轮增速箱，永磁直驱风力发电机开始逐渐被人们所接受。其变流技术采用“不控整流+斩波升压+PWM逆变”。文献[3]对永磁直驱风力发电机组PN4-082的变流技术进行了详细的分析（如图2所示）。目前，比较成熟的永磁直驱风力发电机控制策略是以直流侧电压为控制目标[3]，通过控制直流电压来控制发电机的电磁转矩，进而控制转速。图2永磁直驱风力发电机变流器根据永磁直驱风力发电机的特点，提出一种新型的用于海上风电场柔性直流输电的方案：利用永磁直驱风力发电机变流器功率的单向流动性(有别于双馈风力发电机)和直流电压控制策略，将原有的交流并网的集中控制改成直流并网的分布式控制，即将图2中的逆变器移除，再级联一个大功率升压DC-DC变换器，将电压升高到直流母线处的电压等级上（一般为10kV），然后进行直流并网（如图3所示），其特点为：（1）相对于传统方式，省去了两个变流环节(DC-AC,AC-DC)，有助于提高输电效率；（2）直流并网不存在同步问题，相对简单。但是，普通直流升压变换器在此条件下将遇到困难，即目前的IGBT/IGCT耐压等级不够（例如，应用要求一般为10kV，而多数IGBT/IGCT管子耐压等级很低），升压电抗器的磁饱和问题和升压电抗器损耗过大。基于上述问题，本文提出一种三电平直流升压变换器，使功率开关承受的电压仅为输出电压的一半，同时，升压电抗器电流脉动减少，损耗降低，可以选取较小值的电抗器。采用电流峰值控制方式(CurrentPeakMode)，防止电流突变，增加了大功率变换器的安全性。2.直流升压变换器的三电平结构2.1三电平Boost电路模型为了降低直流变换器的电压应力，文献[4]在借鉴三电平逆变器的基础上，提出三电平的直流变换器模型。MichaelT.Zhang等人又提出了基于Boost电路的三电平直流变换器[5]，如图4所示。其中，选取，使中点的钳位电压为，就能让每个功率开关承受的电压仅为。PN4-083图3基于永磁直驱风力发电机的HVDC方案图4三电平Boost电路2.2三电平Boost升压变换器控制策略对于如图4的Boost电路，若采用传统的开关控制策略，则只相当于两个功率开关简单串联。在文献[6]中提出了三电平直流变换器的移相控制策略，并进行了分析。在此，就针对三电平Boost电路，简述其工作在CCM模式下的移相控制策略。所谓移相控制就是上下两管的导通或者关断在相位上互差。根据占空比，可以将移相控制分为两个区域，即：、：（1）在区域，升压电感的正向电压为，其反向电压由原来的变成了，开关与电感电流波形如图5(a)所示。在时刻开始一个开关周期。此时，开关导通，两开关均处于导通PN4-084状态。电感开始充电，上升斜率与两电平Boost电路相同，为。到时刻，开关关断，迫使电感电流从和中流过，其值开始下降，斜率为。到时刻，其中，为开关周期，电感又开始进入充电状态，直到时刻开关关断。这段时间与相同。在时刻开关关断，电感电流将流过，和，其值下降，斜率为，直到时刻完成一个周期。因为和充放电的时间相同，其值也相等，故从理论上将它们的电压相平衡。（2）在区域，电抗器正向电压为，反向电压为，开关和电感电流波形如图5(b)所示，分析类似于区域。设开关的占空比为，开关的占空比为，由上述分析，可以推导出输入电压与输出电压的关系式：一般地，，D为两电平Boost开关占空比，得由此证明移相控制不会影响变换器的直流增益。PN4-085(a)(b)图5三电平直流变换器的开关与电感电流波形由上述分析，得在输出电压恒定条件下的电感电流脉动值与移相角的关系[6]，如图6所示。其中，相对于两电平变换器，即为移相的控制策略。故采用移相的控制策略可以减小电感电流的脉动值。2.3电容均压控制从上述分析可知，使三电平直流变换器正常工作，其电容和上的电压要保持基本相等。但在实际运行中，为了使变换器有良好的性能，一般采用闭环控制，其外环为电压环，反馈量为输出电压。但经实践证明，变换器运行中会造成两电容电压不平衡，昀终导致输出电压全部加在上而为零，造成PN4-086三电平变换器运行失败。为了解决电容均压问题，文献[7]提出了一种针对电容的交错控制策略，如图7所示，将电压环的反馈量定义为两电容上的电压，与电容电压指令值，即输出电压的一半作比较，其差值经过校正后，产生PWM波交错控制功率开关，即用反馈而产生PWM波控制开关的导通，反之亦然。3.电流峰值控制技术在DC-DC变换器中，一般控制功率开关占空比的PWM信号是由调制信号与锯齿波信号比较获得的，而在电流峰值控制(CurrentPeakMode,CPM)中，用电抗器上的电流波形替代普通PWM调制电路中的载波信号，与调制信号进行比较，以获得PWM调制信号。电流峰值控制具有限流保护功能，提高了系统的可靠性，适用于大功率场合。3.1两电平直流变换器的CPM两电平直流变换器的CPM原理如图8所示，其指令信号为锯齿波，保证变换器在全占空比范围内是稳定的，具体分析可参看文献[8]。对于Boost变换器，文献[8]采用开关平均网络模型法建立电流峰值控制的内环动态模型，如图9所示，其中参数，，。据此，易得电流控制输出的传递函数：图6电感电流脉动值与移相角的关系图7电容均压控制示意图PN4-087其中， 图8锯齿波补偿后的峰值电流控制原理图9CPMBoost变换器模型3.2三电平直流变换器的CPM不难发现，采用移相的控制策略的三电平直流变换器的电感电流脉动频率是开关频率的两倍，因此不能用锯齿波进行CPM控制。本文提出一种工作在区域的双梯形波补偿控制方式。根据电PN4-088压外环的两个指令值，产生一对相位相差的梯形波，将电感电流与两列梯形波作比较。在开关的前半周期内，控制的梯形波值小于控制的梯形波值，电感电流的动作完全受到控制的梯形波控制，完成一次开关切换，处于导通状态；在后半周期，控制的梯形波值大于控制的梯形波值，电感电流的动作完全受到控制的梯形波控制，完成一次开关切换，处于导通状态；在每半个周期后两管均导通，具体参看图14所示。4.Simulink仿真及其结果采用Matlab7.5中的Simulink建立电压外环、电流内环的双闭环控制的三电平Boost变换器，其中电压外环采用PI调节器，内环为CPM控制。图10为该变换器的Simulink模型，图11为其控制器的Simulink模型。算法为ode23tb，仿真时间为2s，输入电压为1.25kV，输出为10kV。考虑到控制风力发电机的实际需要，输入电压在1.5s处施加一个电压突变；考虑到大功率IGBT/IGCT的实际开关能力，开关频率设定为1kHz。其输出直流电压如图12所示。变换器启动平稳，无明显超调，对输入电压突变具有良好的抗干扰能力。图13为变换器稳态时输出电压纹波；图14为双梯形波的电流峰值控制，其中，图14(a)是电感电流与梯形波比较并产生作用于的PWM波，图14(b)是电感电流与梯形波比较并产生作用于的PWM波。图15给出开关上电压波形，其峰值仅为输出电压的一般，证明三电平技术有效的降低了功率管的电压应力。图16是两电容电压的对比图，表明两电容电压基本一致。PN4-089图10三电平Boost变换器Simulink模型图11Control模块Simulink模型电压(V)时间(s)PN4-0810图12变换器输出直流电压图13变换器稳态输出电压纹波(a)功率开关电流(A)电压(V)时间(s)时间(s)电流(A)时间(s)PN4-0811(b)功率开关图14双梯形波补偿的电流峰值控制图15开关上的电压波形(a)两电容电压(b)稳态放大图16两电容电压比较5.结语由上述的仿真结果可知，采用三电平拓扑结构和电流峰值控制的直流升压变换器具有功率开关电压应力小，电抗器电流脉动小，运行可靠性高，动态响应性能好等优点，适合在大功率高电压的场合使用。柔性直流输电中采用直流升压变换器是考虑到永磁直驱风力发电机的变流技术特点，减少电流变换次数，提高了输电效率，在海上风电场的开发应用中有广阔的前景。参考文献[1]王志新，王承民，蒋传文等。近海风电场关键技术[J]。华东电力，2007,35(2):37-40电压(V)时间(s)电压(V)时间(s)PN4-0812[2]æreborgHVDCLightprojectEnge-Tjæreborg,Denmark,2004.[3]吴迪，张建文。变速直驱永磁风力发电机控制系统的研究。大电机技术，2006，（6）:51-55[4]JoseRenesPinheiro,andIvoBarbi,“Thethree-levelZVS-PWMDC-to-DCConverter”,IEEETransactionsonPowerElectronics,vol.8,No.4,oct.1993,PP.486-492[5]MichaelT.Zhang,YiminJiang,FredC.Lee.Single-PhaseThree-LevelBoostPowerFactorCorrectionConverter.IEEE,APEC,1995,pp.435-439[6]马运东。直流变换器的三电平拓扑及其控制。南京航空航天大学，博士论文，2003.5[7]PeterBarbosa,FranciscoCanales,FredLee.AnalysisandEvaluationtheTwoSwitchThreeLevelBoostRectifier.IEEE,2001,pp:1659-1664[8]徐德鸿。电力电子系统建模及控制。北京：机械工业出版社，2005.*2007年教育部留学回国科研启动基金（教外司[2007]1108号）、上海市白玉兰科技人才基金