MW风力发电并网逆变器研究与设计.pdfVIP

封面

作者：PanHongliang

仅供个人学习

2MW风力发电并网逆变器研究与设计

仇志凌陈国柱浙江大学电气学院310027

摘要：针对兆瓦级风电并网逆变器主电路研制中存在的并联扩容、开关频率较低和LCL滤波器难以优

化设计等问题，提出了采用交流侧串接电感再进行并联的均流方案，采用载波移相技术提高变流器的等效开

关频率，提出了LCL滤波器的设计原则，并给出了上述设计的理论依据和实现方法.通过对2兆瓦风电变流

器主电路的仿真验证了上述技术方案.

关键词：兆瓦级并网逆变器、电感均流、低开关纹波电流、载波移相、LCL滤波器

1引言

随着能源紧张和环境问题的日益严重，新能源发电技术，如风力发电和光伏发电等越

来越受到人们的重视.风力发电由于单机容量大、成本低，在现阶段更具有吸引力，在世界

范围内其总装机容量得到了快速的增长.当前，风力发电正在朝着更大的单机容量发展，兆

瓦级机组在国外已经投入大规模商业运行，5～6兆瓦的机组也已开始试运行.相应的，大容

量机组对并网逆变器的容量提出了较高的要求.为了满足大容量的要求，逆变器的并联扩容

成为了必然的选择.

现有的并联方式主要有功率模块直接并联、功率模块交流侧串接电感再并联和以UPS

为代表的系统级并联.但采用何种简单、可靠的并联方式保证一定的均流效果需要仔细研究.

并网逆变器会引入附加的谐波，因此注入电网的电流谐波大小是一项重要指标，受到

[1]

了人们的广泛关注.IEEEStd929－2000和IEEEStd.P1547标准对并网发电的电源系统注入

电网电流的谐波做出了严格的限制，总谐波失真（THD）小于5%，3、5、7、9次谐波小

于4%，11～15次小于2%，35次以上小于0.3%.

对于处于线性调制区SPWM或SVPWM逆变器，低次谐波含量基本都能满足标准，

而开关频率纹波需要采用低通滤波器进行衰减以达到标准的要求.理论上高的开关频率和低

的滤波器截止频率可以获得满意的滤波效果.但兆瓦级并网逆变器受到开关损耗的制约难以

获得较高的开间频率.传统的并网逆变器采用单电感滤波，由于其较低的衰减倍率，必须采

用较大的电感量才能保证滤波效果，这会导致较大的电感压降，并不适合兆瓦级应用场

合.LCL滤波器具有在较小的滤波器参数条件下依然保持较好的滤波性能的优点，但在设计

过程中需要对3个参数进行选取，难以做到优化设计.

本文针对兆瓦级并网逆变器研制中存在的难点，以2兆瓦风电变流器为目标进行了研

究.对于并联扩容问题采用了交流侧串接电感的办法进行均流，对开关频率较低的问题采用

[9]

载波移相技术提高了等效开关频率，对LCL滤波器设计问题在进行了深入的理论分析的

基础上提出了一套行之有效的设计方法.仿真结果证明了上述设计方案的有效性.

2主电路结构和原理分析

图1是2MW风电并网变流器的主电路结构图.该电路把风电机组输出的直流电能通过三

相半桥逆变电路转换成工频50Hz的交流电能馈入690V三相交流电网.

2.1并联扩容

该电路功率为2MW，输出电压690

V，受现有IGBT功率模块容量的限

制，必须采用并联扩容才能满足系统容

量要求.本方案采用三台相同容量的三

相半桥模块（block）并联，以达到额

定容量.

现有的并联技术主要有功率模块直

接并联、交流侧串电感并联和基于独立

装置的系统级并联.所谓器件级并联就

是功率模块桥臂中点直接进行并联.这

种并联方式最直接，系统结构比较简

单，其缺点是均流效果受器件自身特性

影响较大.器件间的均流包括稳态均流

和动态均流两个方面.所谓稳态均流指

的是并联模块开通以后模块间的均流效

果，需要采用正温度系数的模块.动态

图12MW风力发电系统网侧变流器主电路框图

均流是指器件在开通、关断过程中，由于各模块开关速度不一致导致的均流问题.其要求各

并联模块的驱动信号拥有良好的一致性，且模块交流