二極管箝位級聯(lián)拓?fù)湓谥彬?qū)風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
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為滿足風(fēng)力發(fā)電對高壓、大功率和高品質(zhì)變流器的需求，多電平變流器拓?fù)涞玫搅藦V泛關(guān)注。變流器采用多電平方式后，可以在常規(guī)功率器件耐壓基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)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?fù)淇煞譃?類：二極管箝位型、雙向開關(guān)互聯(lián)型、飛跨電容型、兩電平變流器組合型、單相H橋級聯(lián)型等。其中單相級聯(lián)H橋型和二極管中點(diǎn)箝位型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，近年來在大功率變頻調(diào)速、無功補(bǔ)償、大功率穩(wěn)壓電源等方面均有較多的應(yīng)用；在PWM控制方法中，研究較多的是特定諧波消除PWM調(diào)制、多載波SPWM調(diào)制、載波相移SPWM調(diào)制和空間矢量調(diào)制等。
雖然級聯(lián)H橋型多電平拓?fù)浜?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/二極管">二極管中點(diǎn)箝位三電平拓?fù)涞膽?yīng)用已經(jīng)比較成熟，但是當(dāng)需要的電平數(shù)進(jìn)一步增加時，前者需要更多的獨(dú)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(lián)H橋和二極管箝位三電平拓?fù)湎嘟Y(jié)合，則可以利用兩者的優(yōu)勢，針對這種結(jié)構(gòu)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(lián)H橋拓?fù)洌岢隽艘环N消諧波SPWM和載波相移SPWM相結(jié)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(chǎn)生多電平輸出，同時使五電平功率單元可以方便地級聯(lián)在一起。對這種拓?fù)湓谟来胖彬?qū)風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索，采用18相永磁同步發(fā)電機(jī)+移相變壓器+12脈波整流器+二極管箝位五電平級聯(lián)H橋，能夠進(jìn)一步提高輸出電壓和功率等級，為風(fēng)力發(fā)電輸出不用升壓變壓器即可直接并入中壓電網(wǎng)提供了進(jìn)一步的可能性。
1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析
圖1是本文采用的二極管箝位五電平級聯(lián)H橋拓?fù)湓谥彬?qū)型變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用原理圖，其中圖1(a)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fēng)電機(jī)組拖動多相永磁同步發(fā)電機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)為18相電機(jī)，共有6組輸出繞組，每組繞組間相位差20°，每組繞組分別進(jìn)入二極管箝位功率單元，共有6個功率單元構(gòu)成三相逆變器，每2個功率單元進(jìn)行級聯(lián)構(gòu)成一相輸出，三相輸出通過濾波電感并入電網(wǎng)。圖1(b)中，輸入為永磁同步發(fā)電機(jī)的一組三相繞組，經(jīng)過三繞組移相變壓器，移相變壓器為DDY結(jié)構(gòu)，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(dú)立的直流電源，其中直流側(cè)電容由兩個電解電容串聯(lián)構(gòu)成，電容的中點(diǎn)作為二極管箝位功率電路的中點(diǎn)，并且和兩個6脈波二極管整流器的中點(diǎn)連接，直流電經(jīng)過二極管箝位五電平H橋進(jìn)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(lián)構(gòu)成三相輸出。
圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以概括為多相永磁同步發(fā)電機(jī)+移相變壓器+12脈波整流器+三相二極管箝位級聯(lián)逆變器，其中功率單元的結(jié)構(gòu)為移相變壓器+12脈波整流器+二極管箝位五電平H橋逆變器。采用這樣的電路結(jié)構(gòu)方便進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，能夠在常用功率器件電壓等級的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的功率等級和電壓等級，隨著多相永磁同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用的不斷增加，可以方便地提供多路獨(dú)立直流電源，電壓等級的提高使輸出不用接變壓器即可并入更高一級的電網(wǎng)成為可能。
使用移相變壓器和12脈波整流器構(gòu)成變流器的輸入環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)簡單，可靠性高，能夠在發(fā)電機(jī)側(cè)獲得接近正弦波的電流波形，提高電機(jī)側(cè)的功率因數(shù)，有效降低電機(jī)的損耗；二極管箝位五電平H橋單元構(gòu)成的功率單元，能夠和常規(guī)H橋一樣方便地進(jìn)行級聯(lián)，二極管箝位電路中點(diǎn)與12脈波整流器中點(diǎn)連接，能夠有效保持每個功率單元中點(diǎn)電位的平衡，從而降低了控制的難度。輸出電壓電平數(shù)的增加，可以大大降低輸出THD和dv／dt，使逆變器功率器件的開關(guān)頻率進(jìn)一步降低，從而減小開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率，同時減小輸出濾波電感的體積和重量，降低濾波器的成本。
2 控制原理
消諧波SPWM可以直接用于二極管箝位型、電容箝位型多電平電路，也適用于其他類型的多電平結(jié)構(gòu)，載波相移SPWM一般用在級聯(lián)H橋型、電容箝位型多電平電路。本文針對圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用消諧波SPWM和載波相移SPWM相結(jié)合的調(diào)制方法，能夠較好地應(yīng)用在二極管箝位五電平級聯(lián)H橋電路中。
圖2是所采用的載波調(diào)制原理圖，其中圖2(a)是a相二極管箝位功率單元級聯(lián)結(jié)構(gòu)圖，圖2(b)是載波調(diào)制方法原理圖，以a相為例進(jìn)行說明。圖2(a)中，二極管箝位五電平H橋功率單元1和單元4級聯(lián)構(gòu)成a相輸出，假設(shè)圖2(a)中功率單元1的兩個三電平橋臂自左而右分別為橋臂1和橋臂2，功率單元4的兩個三電平橋臂自左而右分別為橋臂3和橋臂4，對應(yīng)圖2(b)中，載波uc1、uc2和uc3、uc4分別為橋臂1和橋臂2使用的載波，載波uc5、uc6和uc7、uc8分別為橋臂3和橋臂4使用的載波，ua為a相正弦參考波。載波uc1、ucz和uc3、uc4，uc5、uc6和uc7、uc8為幅值、相位完全一樣但位置不同的三角載波，對應(yīng)功率單元中的每個橋臂，采用的是消諧波SPWM方法，橋臂1、2、3、4之間是載波相移SPWM方法，假設(shè)橋臂1的載波相位為0°，則橋臂2的載波相位為180°，橋臂3的載波相位為90°，橋臂4的載波相位為270°，因此圖2所示的載波調(diào)制方法是消諧波SPWM和載波相移SPWM的結(jié)合。以功率單元1為例說明，橋臂1的4個功率器件，S1和S3的驅(qū)動互補(bǔ)，S2和S4的驅(qū)動互補(bǔ)，ua與載波uc1進(jìn)行比較作為S1的驅(qū)動信號，當(dāng)ua>uc1時驅(qū)動為正，否則為負(fù)，同樣ua與uc2比較作為S2的驅(qū)動信號；橋臂2的4個功率器件，S5和S7的驅(qū)動互補(bǔ)，S6和S8的驅(qū)動互補(bǔ)，ua與載波uc3進(jìn)行比較作為S8的驅(qū)動信號，當(dāng)ua>uc3時驅(qū)動為正，否則為負(fù)，同樣ua與uc4比較作為S7的驅(qū)動信號。同樣道理可以得到功率單元4的驅(qū)動波形。分別以三相正弦波作為調(diào)制波，即可得到三相二極管級聯(lián)逆變器所有功率器件的驅(qū)動波形。
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