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摘要：针对风电变流器易损坏且难于维护的问题，提出一种新型的变流器智能模块化技术，将电力电子模块模块化技术应用于风电变流器。该技术采用现场可编程门阵列构成底层控制的核心控制板，该芯片资源丰富、可靠性更高；且该控制系统具有在线智能故障诊断功能，能及时掌握变流器模块工作状况，在模块发生故障时可准确定位及时更换；通过PEBB模组并联的一致性和均流控制，有效抑制了模组间的环流。Matlab/Simulink仿真和实验验证该模块化技术的正确性和合理性。
关键词：风电变流器；PEBB模块化；FPGA；Matlab/Simulink
1基于PEBB模组的变流系统设计
现今的变流器技术总是针对不同发电系统设计不同变流系统，这无疑增加了风电组件的成本，且造成设计上的繁琐。而应用PEBB模组的通用性可很好地解决这些问题，无论是双馈发电系统还是直驱发电系统，都可通过选择不同数量的PEBB模组并联来组成通用的不同功率容量的风力发电系统。例如，根据当前风场使用的主流机型，设单个PEBB模组的容量为700kW，则对于2.5MW双馈风力发电系统来说，可采用3个PEBB模组组成其机侧变流器，1个PEBB模组组成其网侧变流器；对于同样是2MW的直驱风力发电系统来说，可采用4个PEBB模组组成其机侧变流器，4个PEBB模组组成其网侧变流器。由不同数量的PEBB模组可组合成1～5MW甚至更高功率等级的风电变流器。
2变流器模组的结构设计
2.1单个PEBB模组设计
PEBB模组将控制系统、驱动电路、IGBT模块、保护电路等集中在一起，构成一个独立的系统，简化了电路，具有良好的适应性和通用性。整个PEBB结构将IGBT模块、控制单元、驱动单元、电流传感器、直流电压传感器、辅助电源等变流器所需的重要零部件集成在一起，组成一个功能相对较完整和独立的模块。PEBB的每相半桥电路由4个并联的IGBT半桥电路组成，每个IGBT半桥电路的交流出线端通过均流电感并联在一起，以提高每个IGBT半桥单元的动态均流效果。IGBT模块的正负端通过复合母排连接到中间直流滤波电容的两极上。选用复合母排不但有助于减小IGBT开关过程产生的过电压，还可降低电磁干扰，提高PEBB的电磁兼容性能。底层控制主要由FPGA、A/D采样等组成。FPGA主要用以实现与上位机之间的通信数据交换，包括发送采集信号给上位机和读取上位机指令以生成PWM信号；它还用于对采集到的数据进行预处理。主电路中的传感器将采集到的电压电流信号传送到底层控制板，经过A/D采样、FPGA预处理再传送到主控制器和上位机，FPGA再读取上位机的指令以生成PWM信号给驱动板。
2.2模组与模组间的并联设计
一个PEBB模组包含有用于传输信号或连接的端口，该模块采用高速串行通信接口作为其端口，可保证各PEBB模组控制信号一致，避免环流造成变流器的损坏。几个PEBB模组通过通讯接口和连接接口，可组成PEBB系统。针对现有MW级风力发电机，不同的PEBB模组并联可组成不同功率需求的双馈变流器和全功率变流器。模组与模组之间通过直流母线并联连接，且每个模组通过自身的底层控制通过高速串行接口与主控制器达成信号的传输，这样能保证模组之间的信号一致，且一个模组的损坏不会影响到其他模组的工作。
3在线智能故障诊断的实现
在设计IGBT驱动电路时，使其具有采集功能，且驱动电路会将采集到的信号如IGBT饱和压降、Vce电压、结温等传送给底层控制板，再由底层控制板初步处理并通过高速串行接口传送到主控制器，再由主控制器传送到上位机。上位机对信号进行分析，判断是否需停止变流器工作并将指令传回主控制器，保证变流器不被损坏。与此同时主控制器将故障模块的具体位置信号传送到上位机，便于工作人员对损坏模块的拆除和安装，节省了工作人员对故障位置的检测时间。驱动电路通过A/D采样模块采集由传感器得到的IGBT信号，如电压、电流、温度信号。上位机获取这些信号后，结合离线采样数据库和当前数据参量进行对比，从而对IGBT进行在线故障预测，判断IGBT是否正常工作及是否老化。
4仿真验证
图1为4个PEBB模组并联的仿真波形，图2为突变负载的情况下，观测系统动态波形，选择功率容量的10%～90%作为突变负载的大小。仿真过程中已考虑到由于控制信号不同步可能产生的一个通常小于2μs的控制差异，同时还考虑到输出电抗器5%的制造误差，从仿真波形看出4个PEBB电流基本一致，动静态均流效果良好。
5实验验证
在实验室PEBB样机模型对单个PEBB内IGBT间动静态均流进行实验验证，总输出电流为430A（有效值），IGBT均流电感10μH。图3、图4为IG？BT模块并联的动静态均流的实验波形，其中图3为稳态并联均流实验波形，由实验波形可看出，4个模块的电流幅值、相位基本同步，具有良好的均流效果。图4为4个并联IGBT开通瞬间动态均流，可看出在IGBT开通瞬间，模块具有较小的均流误差，体现出良好的动态均流特性。通过图3、图4验证了单个PEBB模组内部设计的正确性和合理性。
6结论
该设计相对以往变流器的设计具有以下优势：1）通过模块化设计使得变流器结构更紧凑，同时由于其具备标准化、通用性、可扩充性，使其可通过小功率器件达到更高的功率等级，提高了元件在高压环境下的寿命，同时通用性还降低了其设计制造成本。2）通过将风电变流器模块化，在变流器某一部件故障时直接更换模块，极大地减少了维护时间，降低了设备的更换难度，在一定程度上解决了风力机变流器不易维护的难题。3）单个模组内采用模块并联方式，减少了外部电路连接的复杂性，并且具有更好参数一致性；模组与模组间采用高速串行通信接口并聯连接，达到控制信号的一致性，避免了模组间环流。4）采用FPGA作为底层控制板的核心元件，在对采集信号的预处理和与上位机进行数据交换时速度更快，稳定性更高。5）在线智能故障预测功能的应用，使得工作人员能随时掌握模块工作情况，便于提前做好更换故障模块的准备，减少了变流器损坏的风险并进一步减少了风能资源的浪费。
参考文献：
[1]冯江华.风电变流器的技术现状与发展[J].大功率变流技术，2013，（3）：5—11，34.
（作者单位：南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司））
关键词：风电变流器；PEBB模块化；FPGA；Matlab/Simulink
1基于PEBB模组的变流系统设计
现今的变流器技术总是针对不同发电系统设计不同变流系统，这无疑增加了风电组件的成本，且造成设计上的繁琐。而应用PEBB模组的通用性可很好地解决这些问题，无论是双馈发电系统还是直驱发电系统，都可通过选择不同数量的PEBB模组并联来组成通用的不同功率容量的风力发电系统。例如，根据当前风场使用的主流机型，设单个PEBB模组的容量为700kW，则对于2.5MW双馈风力发电系统来说，可采用3个PEBB模组组成其机侧变流器，1个PEBB模组组成其网侧变流器；对于同样是2MW的直驱风力发电系统来说，可采用4个PEBB模组组成其机侧变流器，4个PEBB模组组成其网侧变流器。由不同数量的PEBB模组可组合成1～5MW甚至更高功率等级的风电变流器。
2变流器模组的结构设计
2.1单个PEBB模组设计
PEBB模组将控制系统、驱动电路、IGBT模块、保护电路等集中在一起，构成一个独立的系统，简化了电路，具有良好的适应性和通用性。整个PEBB结构将IGBT模块、控制单元、驱动单元、电流传感器、直流电压传感器、辅助电源等变流器所需的重要零部件集成在一起，组成一个功能相对较完整和独立的模块。PEBB的每相半桥电路由4个并联的IGBT半桥电路组成，每个IGBT半桥电路的交流出线端通过均流电感并联在一起，以提高每个IGBT半桥单元的动态均流效果。IGBT模块的正负端通过复合母排连接到中间直流滤波电容的两极上。选用复合母排不但有助于减小IGBT开关过程产生的过电压，还可降低电磁干扰，提高PEBB的电磁兼容性能。底层控制主要由FPGA、A/D采样等组成。FPGA主要用以实现与上位机之间的通信数据交换，包括发送采集信号给上位机和读取上位机指令以生成PWM信号；它还用于对采集到的数据进行预处理。主电路中的传感器将采集到的电压电流信号传送到底层控制板，经过A/D采样、FPGA预处理再传送到主控制器和上位机，FPGA再读取上位机的指令以生成PWM信号给驱动板。
2.2模组与模组间的并联设计
一个PEBB模组包含有用于传输信号或连接的端口，该模块采用高速串行通信接口作为其端口，可保证各PEBB模组控制信号一致，避免环流造成变流器的损坏。几个PEBB模组通过通讯接口和连接接口，可组成PEBB系统。针对现有MW级风力发电机，不同的PEBB模组并联可组成不同功率需求的双馈变流器和全功率变流器。模组与模组之间通过直流母线并联连接，且每个模组通过自身的底层控制通过高速串行接口与主控制器达成信号的传输，这样能保证模组之间的信号一致，且一个模组的损坏不会影响到其他模组的工作。
3在线智能故障诊断的实现
在设计IGBT驱动电路时，使其具有采集功能，且驱动电路会将采集到的信号如IGBT饱和压降、Vce电压、结温等传送给底层控制板，再由底层控制板初步处理并通过高速串行接口传送到主控制器，再由主控制器传送到上位机。上位机对信号进行分析，判断是否需停止变流器工作并将指令传回主控制器，保证变流器不被损坏。与此同时主控制器将故障模块的具体位置信号传送到上位机，便于工作人员对损坏模块的拆除和安装，节省了工作人员对故障位置的检测时间。驱动电路通过A/D采样模块采集由传感器得到的IGBT信号，如电压、电流、温度信号。上位机获取这些信号后，结合离线采样数据库和当前数据参量进行对比，从而对IGBT进行在线故障预测，判断IGBT是否正常工作及是否老化。
4仿真验证
图1为4个PEBB模组并联的仿真波形，图2为突变负载的情况下，观测系统动态波形，选择功率容量的10%～90%作为突变负载的大小。仿真过程中已考虑到由于控制信号不同步可能产生的一个通常小于2μs的控制差异，同时还考虑到输出电抗器5%的制造误差，从仿真波形看出4个PEBB电流基本一致，动静态均流效果良好。
5实验验证
在实验室PEBB样机模型对单个PEBB内IGBT间动静态均流进行实验验证，总输出电流为430A（有效值），IGBT均流电感10μH。图3、图4为IG？BT模块并联的动静态均流的实验波形，其中图3为稳态并联均流实验波形，由实验波形可看出，4个模块的电流幅值、相位基本同步，具有良好的均流效果。图4为4个并联IGBT开通瞬间动态均流，可看出在IGBT开通瞬间，模块具有较小的均流误差，体现出良好的动态均流特性。通过图3、图4验证了单个PEBB模组内部设计的正确性和合理性。
6结论
该设计相对以往变流器的设计具有以下优势：1）通过模块化设计使得变流器结构更紧凑，同时由于其具备标准化、通用性、可扩充性，使其可通过小功率器件达到更高的功率等级，提高了元件在高压环境下的寿命，同时通用性还降低了其设计制造成本。2）通过将风电变流器模块化，在变流器某一部件故障时直接更换模块，极大地减少了维护时间，降低了设备的更换难度，在一定程度上解决了风力机变流器不易维护的难题。3）单个模组内采用模块并联方式，减少了外部电路连接的复杂性，并且具有更好参数一致性；模组与模组间采用高速串行通信接口并聯连接，达到控制信号的一致性，避免了模组间环流。4）采用FPGA作为底层控制板的核心元件，在对采集信号的预处理和与上位机进行数据交换时速度更快，稳定性更高。5）在线智能故障预测功能的应用，使得工作人员能随时掌握模块工作情况，便于提前做好更换故障模块的准备，减少了变流器损坏的风险并进一步减少了风能资源的浪费。
参考文献：
[1]冯江华.风电变流器的技术现状与发展[J].大功率变流技术，2013，（3）：5—11，34.
（作者单位：南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司））