多电平变流器在风力发电系统中的应用

　　0 引言

　　随着环境、能源问题的日益严峻，可再生资源的开发利用已经成为国际热点。风能作为一种可再生洁净绿色能源，不但对环境没有破坏，而且取之不尽，用之不竭。双馈感应电机变速恒频风力发电技术具有功率变换器的容量小，成本低等特点，是目前应用广泛的技术之一[1-4]。相比于采用双馈感应电机发电的风力系统，直驱型风力发电技术省去了齿轮箱，减小了系统维护费用和体积，具有很好的应用前景[5]。目前，直驱型风力发电技术正成为国内外研究的热点之一。

　　直驱型风力发电系统的变速恒频控制是把永磁发电机发出的交流电通过变流器转变为与电网同频的交流电，因此变频器的容量与系统的额定容量相同，需要全功率变换器。在现有器件耐压水平未取得突破性进展时，多电平技术因其具有输出谐波含量小、控制灵活等特点[6-7]，非常适合应用于直驱型风力发电系统，因此，多电平变流器在直驱型风力发电系统中具有广阔的应用前景。

　　1 多电平变流器中点电位不平衡机制

　　由于N电平变流器中引入了N 1个直流母线电容，因此直流母线电容的充放电平衡控制对中点电位的平衡有重要的影响。直流侧电容由于一个周期内流入和流出的电流不同，会造成某些分压电容总在放电，而另一些则总在充电，电容电压充放电不均衡，导致输出电平不准确。这会提高对主管阻断耐压的要求，增大线电压谐波含量，对整个系统工作不利。为了更清晰地分析多电平中点电位不平衡机制[8-11]，本文对三电平电路进行分析。这种分析也适用于更高的电平。

　　电平变流器控制中，不同的开关状态对中点电位不同的充放电作用。如图 2 所示，大矢量对中点电位没有影响;小矢量的 2 种冗余开关状态对中点电位的影响刚好相反。如图 1 所示，对于 a 相电路，电压矢量 Upoo引起的中点电位电流 iNP=ia，电压矢量Uonn引起的中点电位电流 iNP= ia，因此可充分利用0 电平的冗余状态，适当选择合适的开关状态，使整个周期中点的充放电大致平衡。对于三电平三相电路中点电位的平衡问题，空间矢量中的长矢量和零矢量对中点电位没有影响，中矢量对中点电位的影响不能消除，是个不控量，因此只能从短矢量的冗余开关状态进行优化选择。总结三电平中各开关矢量对中点电位的影响，如表 1 所示。

　　2 抑制中点电位不平衡控制算法

　　2.1 60°坐标系变换的空间矢量调制策略

　　本文采用了基于 60°坐标系的空间矢量调制策略，并引入开关损耗最小与三相桥臂输出电流和重点电位检测的中点平衡算法。