基于模塊化多電平逆變器的新型風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計

武 靜，盧 果，張坤平

（1 許昌電氣職業(yè)學(xué)院 河南 許昌 461000）

（2 許繼電氣股份有限公司 河南 許昌 461000）

0 引言

風(fēng)電作為一種可再生能源形式，在全球電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中的占比正在逐年上升。 風(fēng)電系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化越來越受到工程師和研究人員的關(guān)注。 風(fēng)機(jī)作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵設(shè)備，其電氣系統(tǒng)的性能直接影響整個風(fēng)電場的輸出質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。 而逆變器，特別是多電平逆變器，已經(jīng)被證明是提高風(fēng)電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。 模塊化設(shè)計方法進(jìn)一步推動了多電平逆變器技術(shù)的發(fā)展，使其更加靈活、高效和可靠。 本文提出的設(shè)計方法不僅提高了風(fēng)電系統(tǒng)的性能，還降低了其成本和復(fù)雜性。

1 風(fēng)電系統(tǒng)的重要性和應(yīng)用背景

風(fēng)電作為當(dāng)今世界的綠色能源之一，日益受到全球關(guān)注。 在過去的幾十年中，風(fēng)能技術(shù)得到了快速的發(fā)展，風(fēng)電系統(tǒng)從小規(guī)模的離網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展到了大型的電網(wǎng)連接系統(tǒng)，為全球電網(wǎng)供應(yīng)了大量的清潔能源。

風(fēng)電系統(tǒng)的重要性主要體現(xiàn)在其對環(huán)境的友好性。隨著全球氣候變化的日益加劇，溫室效應(yīng)和化石燃料消耗帶來的環(huán)境污染問題成為人們關(guān)注的焦點。 與化石燃料相比，風(fēng)電是一種無污染的能源，不會排放有害的二氧化碳和其他溫室氣體。 這意味著風(fēng)電系統(tǒng)可以有效地幫助緩解全球氣候變化帶來的壓力。

風(fēng)電系統(tǒng)也在經(jīng)濟(jì)層面上顯示出其重要性。 與化石燃料不同，風(fēng)能是一種無盡的自然資源，不會枯竭。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電系統(tǒng)的成本逐漸降低，使得風(fēng)電成為一種在許多地區(qū)都具有競爭力的能源［1］。 這為許多國家提供了一個經(jīng)濟(jì)有效的方式來滿足其日益增長的能源需求。

風(fēng)電系統(tǒng)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。 許多國家已經(jīng)將風(fēng)電系統(tǒng)納入其能源政策的核心部分，提供了大量的政策和經(jīng)濟(jì)支持來推廣風(fēng)電技術(shù)。 這些國家已經(jīng)認(rèn)識到，風(fēng)電不僅可以提供清潔的能源，還可以創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 模塊化多電平逆變器技術(shù)的概述

2.1 模塊化多電平逆變器技術(shù)的基礎(chǔ)原理與特點

傳統(tǒng)的兩電平逆變器使用兩個電壓級（通常是0V 和某一直流電源電壓）來產(chǎn)生交流輸出。 而多電平逆變器則使用三個或更多的不同電壓級來產(chǎn)生交流輸出。 電壓級通常由多個直流電源或電容器提供。 通過自適應(yīng)地控制電壓級之間的轉(zhuǎn)換，可以得到更加接近正弦波的交流輸出波形。 模塊化多電平逆變器的一個關(guān)鍵特點是其模塊化的設(shè)計。 每個模塊都是一個獨立的逆變器單元，可以產(chǎn)生一定數(shù)量的電壓級。 通過將這些模塊串聯(lián)或并聯(lián)，可以得到更多的電壓級，從而產(chǎn)生更高質(zhì)量的交流輸出。 這種模塊化設(shè)計不僅簡化了系統(tǒng)的設(shè)計和制造，還提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。 當(dāng)需要更高功率或更多電壓級時，只需增加更多的模塊即可。 模塊化多電平逆變器還具有許多其他優(yōu)點。 由于其輸出波形更加接近正弦波，所以諧波含量較低，電磁干擾也較小。 這意味著可以減少甚至消除輸出濾波器，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計和降低成本。 同時，由于使用了多個電壓級，所以逆變器的開關(guān)壓降和開關(guān)損耗都減少了，從而提高了系統(tǒng)的效率［2］。

2.2 模塊化多電平逆變器的主要類型及其工作機(jī)制

模塊化多電平逆變器是當(dāng)代電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，特別是在中高壓輸電過程中有較為廣泛的應(yīng)用。 與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，模塊化多電平逆變器提供了更多的電壓級，從而改善了輸出波形的質(zhì)量。

下面將詳細(xì)介紹模塊化多電平逆變器的主要類型及其工作機(jī)制。

首先，常用的中性點鉗位（neutral point clamped，NPC）多電平逆變器的基本結(jié)構(gòu)包括兩個主電容器，它們共享一個中央點。 NPC 逆變器的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但由于其電容器電壓平衡的挑戰(zhàn)，可能需要更復(fù)雜的控制策略。 其次是飛輪式多電平逆變器。 這種逆變器使用一系列的電容器，通過控制開關(guān)的狀態(tài)，可以產(chǎn)生多個電壓級［3］。

模塊化多電平逆變器采用模塊化的設(shè)計，每個模塊都是一個完整的逆變器單元。 通過將這些模塊并聯(lián)或串聯(lián)，可以得到所需的電壓級和功率輸出。 模塊化設(shè)計不僅提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，還簡化了維護(hù)和修復(fù)。 模塊化多電平逆變器技術(shù)包括多種不同的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制。

3 風(fēng)電系統(tǒng)的基本組成與工作原理

3.1 風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)的工作原理及其組成

風(fēng)機(jī)，作為風(fēng)電系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。 風(fēng)機(jī)的電氣系統(tǒng)是實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵部分，包括了各種傳感器、控制器、發(fā)電機(jī)和其他相關(guān)電氣設(shè)備。 風(fēng)機(jī)的工作原理是空氣的流動帶動風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)風(fēng)吹過風(fēng)葉時，由于風(fēng)葉的特殊形狀和角度，會產(chǎn)生升力，使風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)。 這種旋轉(zhuǎn)運動通過主軸傳遞到發(fā)電機(jī)，驅(qū)動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生電能。 發(fā)電機(jī)是風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)的核心部分。 根據(jù)其工作原理和結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)通常使用兩種類型的發(fā)電機(jī)：同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)點是其輸出電壓和頻率與轉(zhuǎn)速同步，但需要額外的勵磁系統(tǒng)。 異步發(fā)電機(jī)則不需要勵磁，但其輸出電壓和頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān)［4］。 風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)通常與齒輪箱連接，齒輪箱的作用是將風(fēng)葉的低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)所需的高速旋轉(zhuǎn)。 齒輪箱的傳動比是其關(guān)鍵參數(shù)，定義為風(fēng)葉轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之比。

風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)是另一個關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)監(jiān)控和控制風(fēng)機(jī)的運行。 控制系統(tǒng)通常包括風(fēng)速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器和其他相關(guān)傳感器。 這些傳感器實時監(jiān)測風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂破鳌?中央控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)調(diào)整風(fēng)機(jī)的工作參數(shù)，如調(diào)整風(fēng)葉的角度或改變發(fā)電機(jī)的勵磁電流，以確保風(fēng)機(jī)的安全和高效運行。 風(fēng)機(jī)的電氣系統(tǒng)還包括變流器和電網(wǎng)接入設(shè)備。 變流器的作用是將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)所需的標(biāo)準(zhǔn)電壓和頻率。 電網(wǎng)接入設(shè)備則確保風(fēng)機(jī)的輸出電能可以安全、穩(wěn)定地接入電網(wǎng)。

3.2 風(fēng)電系統(tǒng)的電網(wǎng)接入與調(diào)度的工作原理概述

風(fēng)電系統(tǒng)的電網(wǎng)接入與調(diào)度是確保風(fēng)電能夠有效、穩(wěn)定地供應(yīng)給電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 這涉及風(fēng)電與電網(wǎng)的相互作用、電能的傳輸和分配以及風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的協(xié)同運行。 電網(wǎng)接入是指風(fēng)電系統(tǒng)將其產(chǎn)生的電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的過程。 為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，風(fēng)電系統(tǒng)通常配備有變流器和變壓器。 變流器的作用是將風(fēng)電機(jī)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)匹配的電壓和頻率。 而變壓器則負(fù)責(zé)將電能從風(fēng)電場的低電壓級升壓到電網(wǎng)所需的高電壓級。

風(fēng)電系統(tǒng)的輸出電壓和頻率可能會隨風(fēng)速的變化而變化，為了確保風(fēng)電可以穩(wěn)定地接入電網(wǎng)，需要一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)來實時監(jiān)控和調(diào)整風(fēng)電系統(tǒng)的輸出。 這通常通過無功功率控制和電壓控制來實現(xiàn)。 無功功率控制是指調(diào)整風(fēng)電系統(tǒng)的無功輸出來維持電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定，而電壓控制則是通過調(diào)整風(fēng)電機(jī)的勵磁電流來改變其輸出電壓。 電網(wǎng)調(diào)度是指根據(jù)電網(wǎng)的實時需求和風(fēng)電系統(tǒng)的輸出能力，制定和執(zhí)行電能的分配和傳輸計劃。 由于風(fēng)速的不確定性和隨機(jī)性，風(fēng)電的輸出可能會時刻變化。 為了確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，電網(wǎng)調(diào)度中心需要實時監(jiān)控風(fēng)電系統(tǒng)的輸出和電網(wǎng)的負(fù)荷情況，根據(jù)預(yù)測和實際數(shù)據(jù)來調(diào)整風(fēng)電系統(tǒng)的運行計劃［5］。

在風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的協(xié)同運行中，風(fēng)電的優(yōu)先級通常較高。 這意味著當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)有足夠的輸出時，會優(yōu)先供應(yīng)給電網(wǎng)，而其他類型的電源，如火力發(fā)電或核電，可能會被調(diào)整或減少。 這是因為風(fēng)電是一種清潔、可再生的能源，其運行成本低且無污染。 風(fēng)電系統(tǒng)的電網(wǎng)接入與調(diào)度還涉及與其他電源和負(fù)荷的協(xié)同控制。 當(dāng)風(fēng)電輸出不足時，可能需要啟動儲能設(shè)備，如蓄電池或蓄能水庫，來補(bǔ)充電網(wǎng)的供電。 通過需求側(cè)管理，調(diào)整部分負(fù)荷的運行時間，以匹配風(fēng)電的輸出。 風(fēng)電系統(tǒng)的電網(wǎng)接入與調(diào)度的目標(biāo)是確保風(fēng)電能夠穩(wěn)定、高效地供應(yīng)給電網(wǎng)，同時滿足電網(wǎng)的運行和安全要求。 為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要一個先進(jìn)的控制和調(diào)度系統(tǒng)，結(jié)合風(fēng)速預(yù)測、電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控和風(fēng)電系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，制定和執(zhí)行合理的運行計劃。

4 基于模塊化多電平逆變器的風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計

4.1 主要組成模塊及其功能描述

基于模塊化多電平逆變器的風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計強(qiáng)調(diào)高效、穩(wěn)定和可擴(kuò)展性的重要性。 這種設(shè)計采用模塊化的方式，將風(fēng)電系統(tǒng)的不同功能部分分解為獨立的模塊，從而簡化設(shè)計和優(yōu)化性能。

風(fēng)能捕獲模塊負(fù)責(zé)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 這一模塊主要由風(fēng)輪、主軸和齒輪箱組成。 風(fēng)輪的設(shè)計和形狀決定了其在特定風(fēng)速下的性能和效率。 主軸將風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)運動傳遞到齒輪箱，齒輪箱則將這一低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為適合發(fā)電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)。

發(fā)電機(jī)模塊則負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。 根據(jù)其工作原理和結(jié)構(gòu)，可以選擇不同類型的發(fā)電機(jī)，如永磁同步發(fā)電機(jī)或雙饋異步發(fā)電機(jī)。 發(fā)電機(jī)的設(shè)計和選擇直接影響風(fēng)電系統(tǒng)的效率和性能。

模塊化多電平逆變器模塊是這種風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計的核心部分，它接收來自發(fā)電機(jī)的交流電，并將其轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)匹配的電壓和頻率的交流電。 由于采用了模塊化設(shè)計，這種逆變器可以根據(jù)需要輕松擴(kuò)展，增加更多的電壓級或功率輸出。

基于模塊化多電平逆變器的風(fēng)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)模塊化多電平變流器、直流濾波電容、網(wǎng)側(cè)模塊化多電平變流器、并網(wǎng)變壓器和電網(wǎng)構(gòu)成。 相對于現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，本文設(shè)計的模塊化多電平逆變器方案，采用低耐壓值的電力電子器件構(gòu)成，可以做到輸出更高的電壓與更大的功率。 模塊化多電平逆變器采用載波移相脈沖寬度調(diào)制，降低了交流側(cè)輸出電壓的變化率（dv／dt），可以使用較簡單的交流濾波器，或無需使用交流濾波器。 圖1 展示了基于模塊化多電平逆變器的風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電與并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計架構(gòu)。

圖1 風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電與并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要架構(gòu)

4.2 風(fēng)電系統(tǒng)模塊化的優(yōu)化與集成

模塊化設(shè)計在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，旨在通過系統(tǒng)的優(yōu)化與集成提高性能，降低成本并增強(qiáng)可維護(hù)性。 基于模塊化多電平逆變器的風(fēng)電系統(tǒng)，通過靈活地組合不同的模塊，可以實現(xiàn)對各種應(yīng)用和環(huán)境的適應(yīng)。 模塊化設(shè)計使得風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)化更為靈活，每個模塊都可以獨立地進(jìn)行優(yōu)化，以滿足特定的性能、效率或成本要求。 逆變器模塊可以根據(jù)輸出電壓和頻率的需求進(jìn)行優(yōu)化，而發(fā)電機(jī)模塊則可以根據(jù)轉(zhuǎn)速和輸出功率進(jìn)行優(yōu)化。 這種獨立的優(yōu)化方式，不僅簡化了設(shè)計過程，還使得系統(tǒng)的性能更加出色。

在模塊化風(fēng)電系統(tǒng)的設(shè)計中，還需要考慮到模塊的可擴(kuò)展性。 由于風(fēng)電場的規(guī)模和需求可能會隨時間變化，因此，風(fēng)電系統(tǒng)需要具有很好的可擴(kuò)展性，以適應(yīng)這些變化。模塊化設(shè)計使得這種擴(kuò)展變得更為簡單，只需增加或替換特定的模塊，而無需對整個系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的改造。 為了實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的模塊化優(yōu)化與集成，需要采用先進(jìn)的設(shè)計工具和方法。 這些工具和方法可以幫助工程師評估不同模塊的性能和成本，確定最優(yōu)的組合方式，并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運行。 圖2 展示了模塊化多電平逆變器的具體架構(gòu)。

圖2 模塊化多電平逆變器的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用多個子模塊的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個子模塊都可以視為一個電力處理單元。 每個子模塊在功能、結(jié)構(gòu)上基本相同，這種設(shè)計方案使得系統(tǒng)的冗余性得到提高，即使某個子模塊出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍可以繼續(xù)運行。 子模塊之間通過一系列的連接線相互連接，這些線路不僅用于電力傳輸，還涉及數(shù)據(jù)和控制信號的交換。 為了確保所有子模塊正常工作，需要一個集中的控制單元，當(dāng)風(fēng)電場的功率需求變化時，可以靈活地啟動或關(guān)閉特定的子模塊，使得風(fēng)電系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的運行狀態(tài)。

基于模塊化多電平逆變器的風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計，通過系統(tǒng)的優(yōu)化與集成，實現(xiàn)了更高的性能、更低的成本和更好的可維護(hù)性。 這種設(shè)計方法為風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供了一個強(qiáng)大的工具，使得風(fēng)電能夠更好地滿足未來的能源需求。 圖3 展示了所設(shè)計的基于模塊化多電平逆變器的風(fēng)電系統(tǒng)在常規(guī)擾動存在下的伯德（Bode）圖，證明了所提出設(shè)計方案的穩(wěn)定性。

圖3 基于模塊化多電平逆變器的風(fēng)電系統(tǒng)在常規(guī)擾動下的伯德圖

5 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)電作為一種可再生能源技術(shù)，已經(jīng)成為電力產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵組成部分，其核心在于將風(fēng)能高效、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化為電能。 這種轉(zhuǎn)化涉及多個步驟，包括風(fēng)能的捕獲、機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換、電能的調(diào)制和優(yōu)化以及電能的傳輸和分配。 模塊化多電平逆變器技術(shù)為這一轉(zhuǎn)化過程提供了一個高效、靈活和可靠的解決方案。 通過模塊化設(shè)計，風(fēng)電系統(tǒng)可以靈活地適應(yīng)各種應(yīng)用和環(huán)境，實現(xiàn)更高的性能和更低的成本。 模塊化設(shè)計還簡化了系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展，提高了其可靠性和可維護(hù)性。 基于模塊化多電平逆變器的風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計為風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供了一個強(qiáng)大的工具，使得風(fēng)電能夠更好地滿足未來的能源需求。