基于直驱模块化多电平变换器的风力发电并网控制系统技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种无需加装滤波设备、对电网冲击小且便于
拓展的基于直驱模块化多电平变换器的风力发电并网控制系统。
背景技术
随着全球经济的发展，新能源的开发和利用受到越来越广泛的重视。风能，作为一
种清洁绿色的可再生能源，其市场也迅速发展起来。因此，风力发电并网控制系统具有
很高的实用意义。现在广泛应用于风力发电并网系统的接入技术主要有恒速恒频机组接
入和变速恒频机组接入。风力发电机组的出口频率一般在12～18HZ之间，随着风力发
电机组容量的上升，低速发电机无法满足并网控制的要求，进而需用增速齿轮箱将发电
机组的频率升高至工频附近。这不仅增加了设计的难度，也给安装和维护带来极大的不
便，同时机组的效率也不理想。
此外，考虑到我国风电场资源分布的特殊性，即我们风能资源主要集中于新疆、河
两走廊、内蒙和沿海地区，而电力消耗主要集中在我国东部，中部和南部地区，大容量
长距离的输电线路要求也随之升高。并且，风力发电机组在并网时对电网造成的冲击也
越来越大。其中，将风机输出电压变换为工频接入并网的变换器是风力发电并网控制系
统的关键设备。目前，变换器主要采用交-直-交的拓扑结构，该种结构复杂，有直流环
节，且效率较低。所以，解决上述问题以保证风力发电并网经济、可靠地运行是当务之
急。
中国专利申请号为200810220070.2的发明专利公开了一种基于矩阵式变换器的无
刷双馈风力发电机控制系统，该系统采用3×3双向开关矩阵式变换器，一侧连接无刷双
馈发电机组的控制绕组，另一侧接入电网。根据无刷双馈发电机的转子转速，进行交-
交变频，实现功率绕组的输出电能频率恒定，即变速恒频。但由于采用矩阵式变换器，
其输出谐波较大，需在电网侧加装滤波设备。并且，由于矩阵式变换器的特殊拓扑结构，
它的输出电压电平少，输出电流不连续，会对电网造成一定的冲击。另外，该系统仅涉
及单一风力发电机的并网控制，而就目前发展形势来看，大规模的风力发电机组是趋势
所至，若采用该系统应用于大规模的风力发电机组则需要与风力发电机数量相同的矩阵
式变换器，这势必会造成经济、占地、维护等众多问题，因此，该系统不能满足大规模
风力发电机组的发展需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于直驱模块化多电平变换器的风力发电并网控制系
统，以解决现有风力发电并网控制系统存在的安装维护不便以及输出谐波大，需加装滤
波设备；输出电流不连续，冲击电网且不能满足大规模风力发电机组发展需求的技术问
题。
为达到上述目的，本发明提供一种基于直驱模块化多电平变换器的风力发电并网控
制系统，分别与电网和风力发电机组连接，包括：直驱模块化多电平变换器、A/D采样
模块和主控制模块，其中，
直驱模块化多电平变换器一侧与电网相连，另一侧与风力发电机组经升压变压器后
的低频输电线路相连，用以进行变速恒频控制及功率控制，实现安全可靠经济的并网，
其进一步包括9×n级联单元模块矩阵；
A/D采样模块与直驱模块化多电平变换器连接，用以采集各单元模块的电器参数；
主控制模块分别与直驱模块化多电平变换器和A/D采样模块连接，用以根据A/D
采样模块采集的电气参数，给出每个单元模块的开关动作信号。
依照本发明较佳实施例所述的基于直驱模块化多电平变换器的风力发电并网控制
系统，其9×n级联单元模块矩阵包括9个桥臂，每个桥臂由一个缓冲电抗器及N个单
元模块级联而成，且级联桥臂为3×3阵列，阵列的一侧的三相输入端与电网相连，另一
侧的三相输出端与风力发电机组经低频升压变压器后的低频输电线路相连。
依照本发明较佳实施例所述的基于直驱模块化多电平变换器的风力发电并网控制
系统，上述的单元模块进一步包括：H桥单元、子A/D采样模块和子控制模块，其中，
H桥单元为由四个IGBT开关与电解电容搭建而成的单相逆变器；
子A/D采样模块与H桥单元连接，用以采集电容电压；
子控制模块分别与H桥单元和子A/D采样模块连接，用以与主控制模块进行通讯，
传输电压信息，接收控制信号，驱动4个IGBT开关。
依照本发明较佳实施例所述的基于直驱模块化多电平变换器的风力发电并网控制
系统，其主控制模块采用阶梯波调制及排序选择的电容电压平衡方法输出波形调制。
依照本发明较佳实施例所述的基于直驱模块化多电平变换器的风力发电并网控制
系统，其主控制模块将级联单元模块矩阵等效为电流源矩阵，进而进行电流闭环控制。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
1、该系统不需要将风力发电机组的频率升至工频附近，可省去机组杆塔上方的增
速齿轮箱，不仅降低成本，还能提高系统运行的可靠性。
2、该系统采用低频输电较工频输电可达到更长的距离，且损耗低。
3、该系统可实时调节直驱模块化多电平变换器的低频侧频率，以提高风力发电机
组的整体运行效率。
4、该系统可根据系统潮流情况控制低频侧电压，调节低频侧无功潮流，满足系统
电能质量和无功配置的要求。
5、该系统采用模块化设计，便于根据不同的系统容量进行拓展，能够满足大规模
风力发电机组的发展需求。同时，冗余设计使得维护更加便利；
6、相较于传统的两电平与三点平输出，该系统采用多电平输出，其谐波含量大大
减少，且输出电流连续，故在并网侧无须加装额外的滤波设备，同时对电网冲击较小。
附图说明
图1为本发明基于直驱模块化多电平变换器的风力发电并网控制系统的整体结构
示意图；
图2为本发明实施例的直驱模块化多电平变换器的单元模块的结构示意图；
图3为本发明实施例的直驱模块化多电平变换器的控制原理图；
图4为本发明实施例的直驱模块化多电平变换器的等效电路图。
具体实施方式
下面将结合附图详细讲解本发明专利提供的基于直驱模块化多电平变换器的风力
发电并网控制系统结构和原理。
请参阅图1，一种基于直驱模块化多电平变换器的风力发电并网控制系统，包括：
直驱模块化多电平变换器10、A/D采样模块20和主控制模块30。直驱模块化多电平变
换器10一侧与电网40相连，另一侧与风力发电机组50经升压变压器后的低频输电线
路相连，用以进行变速恒频控制及功率控制，实现安全可靠经济的并网，其包括9×n级
联单元模块矩阵，且9×n级联单元模块矩阵包括9个桥臂，每个桥臂由一个缓冲电抗器
及N个单元模块级联而成，如图所示，级联桥臂为3×3阵列，阵列的一侧的三相输入端
与电网40相连，另一侧的三相输出端与风力发电机组50经低频升压变压器后的低频输
电线路相连。A/D采样模块20与直驱模块化多电平变换器10连接，用以采集各单元模
块的电器参数；主控制模块30分别与直驱模块化多电平变换器10和A/D采样模块20
连接，用以根据A/D采样模块20采集的电气参数，给出每个单元模块的开关动作信号。
请再参阅图2，单元模块包括H桥单60、子控制模块70和子A/D采样模块80。H
桥单元60包括4个IGBT开关和1个电解电容，如图所示连接，4个IGBT开关和1个
电解电容搭建成一单向逆变器。子A/D采样模块70与H桥单元60连接，用以采集电
容电压。子控制模块80分别与H桥单元60和子A/D采样模块70连接，用以与主控制
模块30进行通讯，传输电压信息，接收控制信号，驱动4个IGBT开关。
本发明的主控制模块采用阶梯波调制及排序选择的电容电压平衡方法输出波形调
制，并将级联单元模块矩阵等效为电流源矩阵，以进行电流闭环控制。请参阅图3，控
制算法部分以TI公司C2000系列的TMS320F2812高速数字信号处理芯片为核心，其
功能为根据A/D采样模块部分检测的各电器参数计算直驱模块化多电平变换器的各路
调制信号，进行并网及功率控制。外部时钟为30MHZ的晶振，给DSP芯片提供时钟信
号。
由于DSP芯片PWM端口较少，远不能满足驱动所有级联模块中的开关的要求，
且I/O口有限，无法连接所有单元模块，故须额外芯片进行脉冲分配及信号采集。选取
Xilinx公司Spartan-3AN系列的XC3S400AN芯片来完成辅助功能。利用9块
XC3S400AN芯片分别对应直驱模块化多电平变换器的九个桥臂。其功能是DSP的调制
信号，进行阶梯波调制，并根据该桥臂各电容电压值进行电压平衡控制；同时与该桥臂
内的所有子控制模块通讯，接受采样信息，传输控制信号。
本发明将级联单元模块矩阵等效为电流源矩阵，进而进行电流闭环控制。请参考图
4，将直驱模块化多电平变换器的各桥臂等效成电流源。电网侧三相电流分别为Ia1，Ib1，Ic1，
风力发电机组侧三相电流分别为Ia2，Ib2，Ic3。
若三相完全平衡，则每个等效电流源的指令电流信号如下：
I S = 1 3 · ( I a 1 - I a 2 ) ( I a 1 - I b 2 ) ( I a 1 - I c 2 ) ( I b 1 - I a 2 ) ( I b 1 - I b 2 ) ( I b 1 - I c 2 ) ( I c 1 - I a 2 ) ( I c 1 - I b 2 ) ( I c 1 - I c 2 ) - - - ( 1 ) ]]>
考虑到电容电压的平衡，则电网与风力发电机组的有功功率平衡：
P = 3 2 · V 1 · I 1 d = 3 2 · V 2 · I 2 d - - - ( 2 ) ]]>
则三相直轴电流的幅值为：
I 1 d = 2 · P 3 · V 1 = I 2 d · V 2 V 1 - - - ( 3 ) ]]>
同理三相交轴电流的幅值为：
I 1 q = 2 · Q 1 3 · V 1 I 2 q = 2 · Q 2 3 · V 2 - - - ( 4 ) ]]>
根据交轴电流幅值与直轴电流幅值，可算出电网侧与风力发电机组侧三相交流电幅
值：
I 1 = I 1 d 2 + I 1 q 2 I 2 = I 2 d 2 + I 2 q 2 - - - ( 5 ) ]]>
也可求出三相交流电流与电压的相位差：
综合式(5)与式(6)可以求出变换器两侧交流电流指令值：
并根据式(1)即可得到直驱模块化多电平变换器9个桥臂的交流电流指令信号，通
过阶梯波调制及电容电压平衡控制，就可实现并网控制及功率控制。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
1、该系统不需要将风力发电机组的频率升至工频附近，可省去机组杆塔上方的增
速齿轮箱，不仅降低成本，还能提高系统运行的可靠性。
2、该系统采用低频输电较工频输电可达到更长的距离，且损耗低。
3、该系统可实时调节直驱模块化多电平变换器的低频侧频率，以提高风力发电机
组的整体运行效率。
4、该系统可根据系统潮流情况控制低频侧电压，调节低频侧无功潮流，满足系统
电能质量和无功配置的要求。
5、该系统采用模块化设计，便于根据不同的系统容量进行拓展，能够满足大规模
风力发电机组的发展需求。同时，冗余设计使得维护更加便利；
6、相较于传统的两电平与三点平输出，该系统采用多电平输出，其谐波含量大大
减少，且输出电流连续，故在并网侧无须加装额外的滤波设备，同时对电网冲击较小。
以上所述，仅是本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，
任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何
简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。