一种基于改进模块化多电平换流器的中压风电系统及其控制方法
湖南大学电气与信息工程学院的研究人员关维德、黄守道等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文指出，模块化多电平换流器（MMC）的电容电压低频纹波问题限制了其在直驱永磁风力发电等低频工作场合的应用。
针对此问题，提出一种基于改进MMC的中压风电系统拓扑结构及其控制方法，与传统的基于“高频共模电压+高频电流注入”的低频纹波抑制方案相比，所提方案不会带来共模电压影响问题。首先阐述系统的总体结构特点以及专用高频能量通道在系统中的作用及其设计原则，然后深入分析通过高频电流抑制MMC电容电压低频纹波的工作机理，接着介绍系统的控制方案及详细控制方法，最后在Matlab/Simulink平台上建立5MW/10kV中压风力发电系统进行仿真研究，并搭建2kW实验平台进行实验验证。仿真和实验结果证明了所提方案的正确性和有效性。
近年来，风力发电已成为应用规模最大、发展前景最好的新能源发电方式。其中，直驱永磁型风电机组以其独特的优势成为风力发电中最有前途的机型[1,2]。但随着机组容量的不断增大，尤其是海上大容量风电机组的发展，风电系统采用传统的低压690V方案已经难以满足要求，而提高电压等级能够提高系统效率、减小损耗、降低成本。
目前，市场上已经有3～4kV电压等级的风电系统面世。伴随着绝缘材料技术的进步，ABB公司利用高压绝缘绕组技术开发了海上风电用中压永磁同步发电机Windformer，输出电压达20kV，容量达3～5MW[3,4]。文献[5]设计了不用升压变压器可直接并网的新型10kV中压永磁风力发电机。因此，中压化是风力发电技术的未来发展趋势。
变流系统方面，受功率器件耐压水平限制，采用多电平技术是实现中压化的现实方案。其中，三电平中点钳位型（Neutral-Point-Clamped, NPC）换流器已成为当前中压风电系统主要采用的方案[6,7]。然而，受功率器件发展水平限制，三电平换流方案仍难以实现6kV以上电压等级输出。虽然采用更多的电平数可以获得更高的输出电压，但是控制设计将会更复杂，且导致系统可靠性降低[8]。
与传统的多电平换流技术方案相比，模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）具有模块化设计、器件驱动触发时序要求低、扩展性好、开关频率低、运行损耗低等诸多优势[9]。目前，MMC已广泛应用于高压直流（High Voltage Direct Current, HVDC）输电系统、静止无功补偿器（Static Var Compensator, SVC）等领域[10-13]。 然而，MMC在风力发电领域的研究并不多见[14]，原因在于目前中压风力发电机电压等级偏低（如3.3kV），采用传统三电平换流器已能满足基本要求。
但是，随着机组容量的继续增大，采用更高电压等级（如10kV）的中压换流系统将是必然趋势，在这方面，MMC具有天然的优势。需要解决的问题是，MMC本身存在低频应用场合下电容电压纹波大的问题，且纹波大小与电流频率成反比关系[15,16]。直驱永磁风电系统通常工作在几Hz到十几Hz的低频率范围，电容纹波大的问题会很突出，这点与MMC在高压变频领域遇到的挑战类似[17,18]。
针对MMC的电容电压低频纹波问题，诸多文献提出了多种针对性的解决方案[19,20]。其中，大多数方案均是基于“高频共模电压+高频电流注入”的方法，虽能够有效抑制低频纹波产生，但是高频共模电压的注入会导致电机产生严重的绝缘与轴电流问题、甚至损坏轴承，影响电机寿命[21,22]。
为了在抑制电容电压纹波的同时避免共模电压的影响，本文提出一种基于改进MMC的中压风电系统拓扑结构及其控制方法，与传统的基于“高频共模电压+高频电流注入”的方案相比，本方案通过设计专用的高频能量通道来抑制MMC电容电压低频纹波问题，不存在共模电压注入问题。
图1 基于改进MMC的中压风电系统拓扑结构
图7 实验平台照片
MMC用于直驱永磁风力发电等低频场合的最大挑战是其电容电压低频纹波问题，本文提出了一种基于改进MMC的中压风电系统拓扑，介绍了其工作原理和控制方法。该方法可以在不注入共模电压的前提下有效抑制电容电压低频纹波。仿真分析和实验结果验证了本文方案的有效性。