0 引言

在目前的MW級大容量變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋型是主流機型，與雙饋型相比，直驅型減少了齒輪箱，降低了系統(tǒng)成本和維護成本，因為齒輪箱價格昂貴，易于損壞且維修復雜，我國尚不能完全獨立生產(chǎn);發(fā)電機采用永磁同步發(fā)電機，能量密度大，轉速低，可靠性提高;但直驅型所用的逆變器需要傳遞全部電能，對容量要求比較大，增加了逆變器的制造難度，同時，永磁同步發(fā)電機轉速很低，發(fā)電機體

積大、成本較高。

風力發(fā)電機的單機容量越來越大，更多的風力發(fā)電拓撲正在被研究和開發(fā)中。就目前情況來看，雙饋型風力發(fā)電機仍占主流，然而直驅型風力發(fā)電機組以其固有的優(yōu)勢也逐漸受到關注，例如我國新疆金風科技股份公司已研制成功1.2 MW 直驅型風力發(fā)電機組并成功實現(xiàn)并網(wǎng)運行。

直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)中，電能都要通過逆變器傳遞到電網(wǎng)上，這就要求功率器件具備較高的功率等級。然而受功率器件耐壓極限和制作工藝的限制，單一功率器件的容量是有限的，同時，由于逆變器的功率很大，基于降低開關損耗，器件的開關頻率也不可能太高，但開關頻率太低又會導致逆變器輸出波形的畸變率增加，進而增加后續(xù)濾波器的設計難度，并對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。因此適合于直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)的逆變器拓撲須很好地進行研究。

逆變器作為風力電能回饋至電網(wǎng)的唯一通路，對其容量、可靠性、響應速度和并網(wǎng)特性等各方面要求很高。逆變器的設計和制造，是直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)的一個重點和難點，它對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行很重要，掌握這項技術，對于推動我國風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，增強風力發(fā)電領域的自主創(chuàng)新能力，具有十分重要的意義。

1 大功率逆變器拓撲結構

逆變器的作用是完成電能由直流到交流的變換，逆變器的研究和發(fā)展現(xiàn)狀同變頻器的發(fā)展狀況密切相關，這是因為在變頻器主要采用的交-直-交變頻方案中，第一部分需要整流來完成，而第二部分便需要逆變來完成。

大功率是指功率等級在數(shù)百kW 以上，而高電壓是指電壓等級為3 kV，6 kV，10 kV或更高，高壓變頻器采用的方案有交-交變頻器和交-直-交變頻器等]。交-交變頻器由于諧波污染嚴重，功率因數(shù)低等缺點，需要增加濾波裝置，無功補償裝置等，從而增加了設備的投資;隨著全控電力電子器件的蓬勃發(fā)展，變頻器領域已逐步出現(xiàn)交-直-交變頻器一統(tǒng)天下的局面。可以這樣說，大功率變頻器的研究現(xiàn)狀，在一定程度上也就是大功率逆變器的研究現(xiàn)狀，回顧高壓大功率逆變器以及大電流大功率逆變器的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，對于研究大功率逆變器具有重要的借鑒意義。

1.1 器件串并聯(lián)型大功率變頻器

美國羅克韋爾(AB)公司18脈沖整流器的Bulletin1557變頻器拓撲如圖1所示，其電路結構為交-直-交電流源型，采用功率器件GTO串聯(lián)的兩電平逆變器，是利用器件的串聯(lián)實現(xiàn)高壓，從而提高逆變器容量的。

由圖1可以看出，Bulletin 1557變頻器前端采用18 脈沖晶閘管整流，中間經(jīng)電抗器后直接與后端GTO串聯(lián)兩電平逆變器相接，拓撲結構簡單，故障點少。

成都佳靈電氣制造有限公司采用IGBT直接串聯(lián)方式研發(fā)成功了高壓變頻器，使高壓變頻器具有和低壓變頻器一樣簡單的結構。其拓撲結構如圖2所示，可以看出該系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波

電抗器和電容濾波，再經(jīng)逆變器逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，可供給高壓電動機或接變壓器耦合入電網(wǎng)。

采用器件串并聯(lián)方式提高逆變器的功率，具有拓撲結構簡單，功率器件個數(shù)少等優(yōu)點。但器件串聯(lián)會帶來器件的均壓問題，器件并聯(lián)會帶來器件的均流問題，因而對驅動電路的要求也大大提高，要盡量做到串并聯(lián)器件同時導通和關斷，否則由于各器件開斷時間不一，承受電壓不均或分流不均，會導致器件損壞甚至整個逆變器崩潰。

1.2 多電平大功率變頻器

多電平變頻器本質依賴于內部多電平逆變器的“多電平逆變”功能，相對于傳統(tǒng)的兩電平變頻器，其主要優(yōu)點在于單個器件承受的電壓應力小，更容易實現(xiàn)高壓大功率;在相同開關頻率下，輸出波形更接近正弦波，諧波含量更低;同時還大大減輕了電磁干擾(EMI)問題。

ABB 公司生產(chǎn)的ACS 1000 系列變頻器采用三電平拓撲結構。其內部逆變器部分功率器件采用集成門極換流晶閘管(IGCT)，所用拓撲為二極管箝位型三電平拓撲，輸出的電壓等級有2.2 kV，3.3 kV和4.16 kV。圖3所示為ABB公司ACS 1000系列12脈沖整流三電平電壓源變頻器的主電路拓撲圖。西門子公司采用高壓IGBT器件，生產(chǎn)了與之類似的變頻

器SIMOVERTMV。

法國阿爾斯通(ALSTOM)公司采用飛跨電容型四電平拓撲，基于功率器件IGBT 生產(chǎn)出ALSPAVDM6000 系列高壓變頻器，其主電路拓撲如圖4所示。

分析圖4可知，該拓撲在功率器件串聯(lián)的基礎上，引入了電容進行箝位，保證了電壓的安全分配。

其主要特點為：

1)通過整體單元裝置的串并聯(lián)拓撲結構以滿足不同的電壓等級(如3.3 kV，4.16 kV，6.6 kV，10 kV)的需要;

2)可使系統(tǒng)普遍采用直流母線方案，以實現(xiàn)多臺高壓變頻器之間能量的互相交換;

3)這種結構沒有傳統(tǒng)結構中的各級功率器件上的眾多分壓分流裝置，消除了系統(tǒng)可靠性低的因素，從而使系統(tǒng)結構非常簡單可靠，易于維護;

4)輸出波形非常接近正弦波，可適用于普通感應電機和同步電機調速，而無須降低容量，沒有dv/dt對電機絕緣等的影響;

5)ALSPAVDM6000系列高壓變頻器可根據(jù)電網(wǎng)對諧波的不同要求采用12脈沖、18脈沖的二極管整流或晶閘管整流。

法國ALSTOM 還基于IGCT 開發(fā)出了飛跨電容型五電平變頻器。飛跨電容型多電平逆變器的優(yōu)點是多電平輸出、電路結構簡單、可滿足高壓運行要求，缺點是需要的電容多、控制技術復雜、且需要額外的電容預充電電路。

1.3 并聯(lián)逆變器

并聯(lián)逆變器運行過程中，兩個或多個逆變器單元呈并聯(lián)形式向負載或電網(wǎng)送出功率。德國BENNING電源電子有限公司的逆變器產(chǎn)品便是采用的并聯(lián)逆變器拓撲，如圖5所示。

其特點為：

1)采用高頻開關技術及復雜的生產(chǎn)技術和高質量的電子元器件，結構緊密、重量輕、效率高;

2)多個逆變單元并聯(lián)，可實現(xiàn)n+1冗余，可靠性高，并可給線性與非線性負載供電;

3)所有的監(jiān)測與控制單元內在的安全設計確保對連接的負載不間斷供電;

4)加裝了EUE(靜態(tài)電子旁路)以提高系統(tǒng)安全性。

逆變器并聯(lián)提高了電流等級，從而提高了逆變器的功率，且易于實現(xiàn)多級冗余并聯(lián)，提高整體運行的穩(wěn)定性。然而，多個逆變器單元并聯(lián)運行，增加了控制的難度，且還可能引起環(huán)流問題，因此應選用一定的調制方案和控制方法加以控制和抑制。

1.4 變頻器多重化

多重化技術就是每相由幾個低壓PWM 變流模塊串聯(lián)而成，各變流模塊由一個多繞組隔離變壓器供電來實現(xiàn)大功率。多重化技術從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問題，可實現(xiàn)完美無諧波變頻。

美國羅賓康(Robicon)公司利用單元串并聯(lián)多重化技術，生產(chǎn)出了功率為315 kW~10 MW的完美無諧波(Perfect Harmony)高壓變頻器，無須輸出變壓器實現(xiàn)了直接3.3 kV或6 kV高壓輸出。其中共采用了三項高壓變頻技術：

1)在輸出逆變部分采用了具有獨立電源的單相橋式SPWM逆變器直接疊加技術;

2)在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術;

3)在結構上采用了功率單元模塊化技術，實現(xiàn)了完美無諧波的輸出波形，無須外加濾波器即可滿足各國供電部門對諧波的嚴格要求，其功率因數(shù)可達0.95以上，THD<1%，總體效率高達97%。

如圖6所示，每個變流模塊均為三相輸入、單相輸出的低壓PWM電壓型變流器，變流模塊的拓撲如圖7 所示。每個變流模塊可以輸出-1，0，1 三種電平，每相5 個功率單元疊加，就可以產(chǎn)生11 種不同的電平，分別為±5U，±4U，±3U，±2U，±U，0，其中U 為每個變流單元輸出的最大電壓。用多重化技術構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM 電[!--empirenews.page--]

壓型變頻器，拓撲中采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出，因此不存在器件均壓問題。每個功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15 的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術，由5 對依次相移12°的三角載波對基波電壓進行調制。對A相基波調制所得的5個信號，分別控制A相5個功率單元，經(jīng)疊加后可得具有11級階梯的相電壓波形，線電壓波形具有21 階梯，相當于30 脈波變頻，理論上29 次以下的諧波都可以抵消。

其缺點主要有：

1)使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，裝置的體積大，重量大;

2)無法實現(xiàn)能量回饋及四象限運行，無法實現(xiàn)制動;

3)當電網(wǎng)電壓與電機電壓不同時，無法實現(xiàn)旁路切換控制。

1.5 多電平結合多重化型變頻器

圖8所示為日本富士公司采用高壓IGBT 開發(fā)的中壓變頻器FRENIC 4600 FM4 系列拓撲圖[9]，該拓撲匯集了多電平和多重化變頻器的許多優(yōu)點，以多個中壓三電平PWM 變流模塊多重化串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，因此構成了一個雙完美無諧波系統(tǒng)，即對電網(wǎng)為多重疊加整流，達到和超過了國際諧波標準(IEEE519-1992)的要求;對電動機為完美無諧波正弦波輸出，可以直接接任何品牌的交流籠型電動機。

由于該類型變頻器采用了高壓整流二極管和高壓IGBT，因此系統(tǒng)主回路使用的器件大為減少，提高了可靠性，降低了損耗，變頻器的綜合效率可達98%，功率因數(shù)可達0.95。然而，如圖9所示，其變流

模塊采用的是12 脈沖整流結合二極管箝位三電平拓撲，所用器件個數(shù)多，導致整體性價比較低，因此價格優(yōu)勢并不大。

1.6 級聯(lián)H橋型逆變器

級聯(lián)H 橋多電平逆變器是目前工業(yè)應用較為成熟的一種拓撲結構，見圖10。國內外有多家公司的變頻器逆變部分都是基于H 橋級聯(lián)多電平拓撲的，例如美國羅賓康(Robicon)公司的HARMONY 系列變頻器。電網(wǎng)電壓經(jīng)變壓器降低到所允許的電壓，在逆變器各相中，串入單相逆變器，實現(xiàn)高壓輸出，直接供給高壓電動機。這種方式不需要輸出變壓器，電

流波形接近正弦，其輸出電壓的高低范圍由串入的單相逆變器數(shù)量決定。由于采用直接高壓輸出，內部省去了升壓變壓器，故有體積小、效率高、輸出頻率范圍寬等優(yōu)點，應用較為廣泛，但是需要有多組獨立的直流母線。

2 調制策略

調制策略的選擇對于逆變器是至關重要的，不同的調制策略，在可靠性、諧波含量、成本等方面對逆變器都有重要影響。目前常用的調制策略有如下幾種：優(yōu)化PWM 策略、基于載波及載波組的PWM策略、空間矢量調制(Space Vector PWM, 簡稱SVPWM)、載波相移正弦波脈寬調制(Carrier phaseshifted SPWM，簡稱CPS-SPWM)、錯時采樣空間矢量

調制(Sample Time Staggered SVM，簡稱STS-SVM)等。

2.1 優(yōu)化PWM策略

優(yōu)化PWM 策略是基于輸出電壓波形的傅里葉級數(shù)表達式，以消除低次諧波、總諧波畸變率最小和轉矩脈動最小等要求為目標函數(shù)，求解PWM 脈沖波形的一種方法。其中特定諧波消除調制方法(Selected Harmonic Eliminated Modulation，簡稱

SHEM)是最常用的優(yōu)化PWM 方法。但由于優(yōu)化PWM方法需要采用數(shù)值方法計算大量的開關角度，實時在線計算較為困難。另外由于開關模式已被預先設定，這種方法在控制上的靈活性較差，主要應用在一些對輸出電壓調節(jié)要求不高的場合，如靜止無功補償器等。

2.2 基于載波及載波組的PWM技術

基于載波的PWM 技術是基于采樣控制理論中“沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同”的結論。通常選擇載波為三角波，根據(jù)載波與調制波的相交點作為開關狀態(tài)切換的依據(jù)，原理簡單，算法也比較成熟。

基于載波組的PWM 技術是單一載波PWM 的延伸和推廣，可廣泛應用于具有多組開關的拓撲中，根據(jù)載波組中各載波的相位關系，還可以進一步細分為如圖11所示的A、B、C 三種。

2.3 空間矢量調制

空間矢量調制以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機定子的理想磁鏈圓為基準，由三相逆變器不同的開關模式所產(chǎn)生的實際磁鏈矢量去逼近基準磁鏈圓，并由它們比較的結果決定逆變器的開關狀態(tài)。與載波調制相比，SVM方法具有直流電壓利用率高、諧波性能好、易于數(shù)字化實現(xiàn)等諸多優(yōu)點。

因此在二電平逆變器和三電平NPC 逆變器中得到了廣泛的研究和應用，在二電平逆變器中的應用較為成熟。但隨著電平數(shù)的增加，逆變器空間電壓矢量數(shù)目急劇增加，增加了SVM方法選擇空間電壓矢量的難度，使得多電平SVM 方法大多都十分復雜，實現(xiàn)起來需要較多的計算時間。

2.4 載波相移正弦波脈寬調制

CPS-SPWM 技術由于能在大功率場合實現(xiàn)SPWM 技術，可以極大地改善輸出波形，減小輸出諧波，從而相應減小了濾波器的容量，降低了成本，并可以提高系統(tǒng)等效開關頻率和傳輸帶寬，但需要增加相應的控制電路和脈沖產(chǎn)生電路。

2.5 錯時采樣空間矢量調制

STS-SVM是受CPS-SPWM技術啟發(fā)，融合SVM調制方法而得到一種適合多電平變流器的空間矢量調制方法。簡而言之就是將各變流器單元的采樣時間錯開。具體地講，在組合變流器中，n個變流器單元在相同頻率調制比KC、幅度調制比m下，進行SVM調制;各變流器單元采樣時間依次相位差為2π/nKC。

STS-SVM技術比較于載波CPS-SPWM技術，有電壓利用率高，開關頻率小，易于數(shù)字實現(xiàn)等特點。

3 結語

美國Robicon 公司開發(fā)成功功率單元串聯(lián)的高壓變頻器，由于它諧波含量低、功率因數(shù)高等優(yōu)點，被稱為“完美無諧波”變頻器，在我國的市場上占據(jù)了一定的優(yōu)勢。在多電平逆變器領域，Siemens、ABB、GE等公司相繼開發(fā)成功中點箝位的三電平高壓逆變器，其拓撲結構相同，但所用的功率器件不同，如Siemens 采用IGBT，ABB 采用IGCT。我國成都佳靈電氣制造有限公司自主研制開發(fā)、擁有自主知識產(chǎn)權的直接串聯(lián)IGBT高壓逆變器，申請了多項專利。

這種拓撲結構類似于低壓變頻器的拓撲結構，只是功率器件由單個IGBT改換為幾只IGBT的串聯(lián)所取代。風電系統(tǒng)中所需的大功率逆變器無論從拓撲選型上還是從調制策略上正在日趨成熟，預計在近幾年會有大規(guī)模的發(fā)展。

作者簡介：

李建林(1976-)，男，博士，中科院電工所助理研究員，研究方向為電力電子技術、變速恒頻風力發(fā)電技術。

胡書舉(1978-)，男，中科院電工所博士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動、風力發(fā)電控制技術。

許洪華(1967-)，男，中科院電工所可再生能源研究部主任，研究員，博導，研究方向為風力發(fā)電、太陽光伏發(fā)電以及電力電子技術。