风电系统中大功率逆变器及其相应调制策略分析

压型变频器，拓扑中采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，因此不存在器件均压问题。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15 的输出功率。变频器由于采用多重化PWM技术，由5 对依次相移12°的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的5个信号，分别控制A相5个功率单元，经叠加后可得具有11级阶梯的相电压波形，线电压波形具有21 阶梯，相当于30 脉波变频，理论上29 次以下的谐波都可以抵消。

其缺点主要有：

1)使用的功率单元及功率器件数量太多，装置的体积大，重量大;

2)无法实现能量回馈及四象限运行，无法实现制动;

3)当电网电压与电机电压不同时，无法实现旁路切换控制。

1.5 多电平结合多重化型变频器

图8所示为日本富士公司采用高压IGBT 开发的中压变频器FRENIC 4600 FM4 系列拓扑图[9]，该拓扑汇集了多电平和多重化变频器的许多优点，以多个中压三电平PWM 变流模块多重化串联的方式实现直接高压输出，因此构成了一个双完美无谐波系统，即对电网为多重叠加整流，达到和超过了国际谐波标准(IEEE519-1992)的要求;对电动机为完美无谐波正弦波输出，可以直接接任何品牌的交流笼型电动机。

由于该类型变频器采用了高压整流二极管和高压IGBT，因此系统主回路使用的器件大为减少，提高了可靠性，降低了损耗，变频器的综合效率可达98%，功率因数可达0.95。然而，如图9所示，其变流

模块采用的是12 脉冲整流结合二极管箝位三电平拓扑，所用器件个数多，导致整体性价比较低，因此价格优势并不大。

1.6 级联H桥型逆变器

级联H 桥多电平逆变器是目前工业应用较为成熟的一种拓扑结构，见图10。国内外有多家公司的变频器逆变部分都是基于H 桥级联多电平拓扑的，例如美国罗宾康(Robicon)公司的HARMONY 系列变频器。电网电压经变压器降低到所允许的电压，在逆变器各相中，串入单相逆变器，实现高压输出，直接供给高压电动机。这种方式不需要输出变压器，电

流波形接近正弦，其输出电压的高低范围由串入的单相逆变器数量决定。由于采用直接高压输出，内部省去了升压变压器，故有体积小、效率高、输出频率范围宽等优点，应用较为广泛，但是需要有多组独立的直流母线。

2 调制策略

调制策略的选择对于逆变器是至关重要的，不同的调制策略，在可靠性、谐波含量、成本等方面对逆变器都有重要影响。目前常用的调制策略有如下几种：优化PWM 策略、基于载波及载波组的PWM策略、空间矢量调制(Space Vector PWM, 简称SVPWM)、载波相移正弦波脉宽调制(Carrier phaseshifted SPWM，简称CPS-SPWM)、错时采样空间矢量

调制(Sample Time Staggered SVM，简称STS-SVM)等。

2.1 优化PWM策略

优化PWM 策略是基于输出电压波形的傅里叶级数表达式，以消除低次谐波、总谐波畸变率最小和转矩脉动最小等要求为目标函数，求解PWM 脉冲波形的一种方法。其中特定谐波消除调制方法(Selected Harmonic Eliminated Modulation，简称

SHEM)是最常用的优化PWM 方法。但由于优化PWM方法需要采用数值方法计算大量的开关角度，实时在线计算较为困难。另外由于开关模式已被预先设定，这种方法在控制上的灵活性较差，主要应用在一些对输出电压调节要求不高的场合，如静止无功补偿器等。

2.2 基于载波及载波组的PWM技术

基于载波的PWM 技术是基于采样控制理论中“冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同”的结论。通常选择载波为三角波，根据载波与调制波的相交点作为开关状态切换的依据，原理简单，算法也比较成熟。

基于载波组的PWM 技术是单一载波PWM 的延伸和推广，可广泛应用于具有多组开关的拓扑中，根据载波组中各载波的相位关系，还可以进一步细分为如图11所示的A、B、C 三种。

2.3 空间矢量调制

空间矢量调制以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子的理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量去逼近基准磁链圆，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态。与载波调制相比，SVM方法具有直流电压利用率高、谐波性能好、易于数字化实现等诸多优点。

因此在二电平逆变器和三电平NPC 逆变器中得到了广泛的研究和应用，在二电平逆变器中的应用较为成熟。但随着电平数的增加，逆变器空间电压矢量数目急剧增加，增加了SVM方法选择空间电压矢量的难度，使得多电平SVM 方法大多都十分复杂，实现起来需要较多的计算时间。

2.4 载波相移正弦波脉宽调制

CPS-SPWM 技术由于能在大功率场合实现SPWM 技术，可以极大地改善输出波形，减小输出谐波，从而相应减小了滤波器的容量，降低了成本，并可以提高系统等效开关频率和传输带宽，但需要增加相应的控制电路和脉冲产生电路。

2.5 错时采样空间矢量调制

STS-SVM是受CPS-SPWM技术启发，融合SVM调制方法而得到一种适合多电平变流器的空间矢量调制方法。简而言之就是将各变流器单元的采样时间错开。具体地讲，在组合变流器中，n个变流器单元在相同频率调制比KC、幅度调制比m下，进行SVM调制;各变流器单元采样时间依次相位差为2π/nKC。

STS-SVM技术比较于载波CPS-SPWM技术，有电压利用率高，开关频率小，易于数字实现等特点。

3 结语

美国Robicon 公司开发成功功率单元串联的高压变频器，由于它谐波含量低、功率因数高等优点，被称为“完美无谐波”变频器，在我国的市场上占据了一定的优势。在多电平逆变器领域，Siemens、ABB、GE等公司相继开发成功中点箝位的三电平高压逆变器，其拓扑结构相同，但所用的功率器件不同，如Siemens 采用IGBT，ABB 采用IGCT。我国成都佳灵电气制造有限公司自主研制开发、拥有自主知识产权的直接串联IGBT高压逆变器，申请了多项专利。

这种拓扑结构类似于低压变频器的拓扑结构，只是功率器件由单个IGBT改换为几只IGBT的串联所取代。风电系统中所需的大功率逆变器无论从拓扑选型上还是从调制策略上正在日趋成熟，预计在近几年会有大规模的发展。

作者简介：

李建林(1976-)，男，博士，中科院电工所助理研究员，研究方向为电力电子技术、变速恒频风力发电技术。

胡书举(1978-)，男，中科院电工所博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动、风力发电控制技术。

许洪华(1967-)，男，中科院电工所可再生能源研究部主任，研究员，博导，研究方向为风力发电、太阳光伏发电以及电力电子技术。