摘要
湖南大学电气信息工程学院的研究人员sqdnm、zxdcg等在2018年第16期《电工技术学报》号提出，模块化多电平逆变器(MMC )的电容电压低频纹波问题限制了直接驱动式永磁风力发电等低频工作时的应用
针对这一问题，提出了基于改进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，该方案不会带来共模电压的影响问题。 首先阐述了系统的总体结构特点和专用高频能量通道在系统中的作用及其设计原则，然后深入分析了高频电流抑制MMC电容器电压低频纹波的工作机理，接着介绍了系统的控制方案和详细的控制方法，最后介绍了Matlab/在Simulink平台上建立5MW/10kV中压风力发电系统进行仿真研究，建立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。 其中直驱永磁风力发电机组以其独特的优势成为风力发电中最有前景的机型[ 1，2 ]。 但是随着机组容量的增大，特别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方案难以满足要求，而提高电压等级可以提高系统效率，减少损耗，降低成本。
现在，市场上已经出现了3~4kV电压水平的风力发电系统。 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力发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]设计了一种新型10kV中压永磁风力发电机，无需升压变压器即可直接连接。 因此，中压化是风力发电技术未来的发展趋势。
在变流系统中，受限于功率器件的耐压水平，采用多水平技术是实现中压化的现实策略。 其中，三电平中点箝位型(Neutral-Point-Clamped，NPC )转换器是目前中压风电系统中主要采用的方案(6、7 )。 但是，由于功率器件发展水平的限制，三电平换流方式仍然难以实现6kV以上的电压电平输出。 增加电平数可以获得更高的输出电压，但控制设计更复杂，系统可靠性下降[8]。
与传统多电平换流技术方案相比，模块化多电平换流器(MMC )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、运行目前，MMC已广泛应用于高压直流(HVDC )输电系统、静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC )等领域[10-13]。 但是，MMC在风力发电领域的研究并不多见[14]。 目前中压风力发电机电压水平较低(如3.3kV )，采用传统的三电平逆变器可以满足基本要求。
但是，随着机组容量的持续增大，采用更高电压电平(如10kV )的中压换流系统是必然趋势，在这方面MMC具有天然优势。 需要解决的问题是，MMC自身在低频应用时，存在电容器电压波动大的问题，波动的大小与电流频率呈反比关系[ 15，16 ]。 直驱永磁风力发电系统通常在几Hz至十几Hz的低频范围内工作，容量波动大的问题变得突出。 这与MMC在高压变频器领域面临的挑战相似[ 17，18 ]。
针对MMC电容电压的低频纹波问题，许多文献提出了多种针对性的解决方案[ 19，20 ]。 其中，许多方案是基于“高频共模电压高频电流注入”的方法，可以有效抑制低频纹波的产生，但高频共模电压的注入会使电机产生严重的绝缘和轴电流问题，损伤轴承，影响电机寿命[21，]
为了在抑制电容电压纹波的同时避免共模电压的影响，本文提出了一种基于改进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，本方案设计了专用的高频能量通道
基于改进图MMC的中压风电系统拓扑结构
图7实验台的照片
结论
MMC在直接驱动永磁风力发电等低频情况下最大的挑战是电容器电压的低频纹波问题，本文提出了一种基于MMC改进的中压风电系统拓扑结构，介绍了其工作原理和控制方法。 该方法不注入共模电压就能有效抑制电容电压的低频纹波。 仿真分析和实验结果验证了本方案的有效性。
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电工技术学报
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