2019年11月22—23日，第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开，本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。天津瑞能电气有限公司研发总监赵家欣博士在会上为大家带来了题为《大功率并联变流技术研究》的精彩演讲。
以下为演讲实录：
今天这个题目可能是一个老话题，但是对于变流器来讲它也是一个长期的话题，今天我主要是和大家汇报一下我们变流器在老话题上在技术上有哪些进步。
先说一下我们为什么要使用大功率并联的变流技术。
首先是风电发展的这几个方向：大型化是毋庸置疑的，之前我记得这个图是和空客比较；另外一个是海上风电，数字网络化和能源网络化依然是发展的趋势，能源网络化更多是基于数字网络化的开展获取实施。不管是大型化还是海上风电，它都需要变流器具备这种大功率的变流技术。
变流技术目前在电压等级上主要有三个类型：一个是低压就是我们常用的690V的电压等级；另外一个是中压1140V也好，3300V也好；还有一个是我们在研也认为是以后的方向就是基于10千伏的中高压。那我们基于针对这三个690V的低压、1140V的中压和10千伏的中高压方向进行深入的开发和研究，为什么这样去选择呢？主要是不管是690，1140还是10千伏基于都是1700VIGBT平台，而这个不管是功率模块、驱动还是电源本等技术是成熟的，功率可靠性高，我们发现这三款做出来经济性好、输出特性是最好的。所以我们出现的这四种方面。
我们做了一系列的方案比较，低压、中压、高压的究竟它的优势在哪里？哪块更好一点呢？我们以5MVA的变流器为例发现额定电流，可以发现电流器的成本肯定是随着电压等级的逐步抬升而越来越高，成本都会远远高于低压。但是高压有什么样的好处？如果变流器放在塔底的情况下，它的线缆成本会成倍增加，如果这样的话用于线缆成本，其实变流器这种控制部件在整个风机里占到很小的一部分，相反线缆占到一个大头，这样的话总体成本随着电压的升高是逐步降低的。在拓扑结构上，低压就是传统的两电平，中压肯定是用三电平的方案，中高压一定是多电平。最后我要讲的可以看到在扩容方式上不管是低压还是中压的比较好的扩容方式就是电容器的并联，当然最原始的就是单横扩容，就是把器件用得容量越来越大，但是这种方式并不好，所以我今天的主题就是大功率并联变流器的并联。
这种并联特别适合于中低压的场合，优点就是易于产品快速设计、易于物料归一化，归一化之后造成直接的优势就是我的测试验证、产品成本低、可靠性高，最终带来的客户收益率会提高。
我们如果把变流器比作一个人体，大家可以看到基本上人体的三个主要部件一个是骨骼肌肉造成整个框架，神经网络是大脑里的神经元，最后一个是智力水平。这三块究竟对应的是变流器的哪几块？骨骼肌肉对应的就是功率平台，整个主回路的功率流；神经系统对应的就是控制平台，我们的信号是如何采样进来的？如何进行综合计算的，控制板卡或者是中央控制器，如果把计算出来的信号下发到功率器件上让它动起来；智力水平就是我们的算法平台，就是芯片嵌入什么样的算法，怎么样实现基于模型的电压电流双闭环或者是功率的控制，实现咱们现在比较先进的虚拟控制机等等。那这三块究竟有什么样的技术难点？首先是功率平台关键是在于拓扑方案的训练，拓扑方案有很多，究竟选择哪种拓扑方案更为合适？控制平台主要是我们如何兼容扩展，随着机组的扩大，你的单一的控制板和机组的资源无法满足，这就需要让控制平台去扩容，扩容起来如果没有进行的统一的规范化是很难。最终在算法平台是环流抑制。
接下来我展示一下我认为的分享应该是怎么样的。
首先是大功率并联拓扑方案设计以两台为例。比较常用的一共有6种，这边的主线是不共母线，就是DC端不连在一起，那边是把DC端连在一起，另外一个是VC端怎么处理，这个就是我的网速用多绕组的电压器，这样叫全隔离的方案，还有一种不共母线的半隔离方案，最底下的一个叫无隔离方案，可以看到机侧网更恰当一些，从整个硬件可以看到兼容性最好的肯定是底下这个，因为最底下的无隔离方案可以应用于半隔离或者是全隔离的，对于变流器都一样，所以它对不管是这边的变压器也好对电器也好都没有太大的压力，多绕组也可以用。这种拓扑究竟选哪个更好？其实各有各的优势，那我们选择最底下的主要目的是便于扩展，便于应用。它的好处就是对变压器、电机无特殊要求，适应性强，并联拓展性强。这个方案有没有一些问题？也有，这是我最后和大家说的。
这两个方案是共母线好还是不共母线好？我们发现对于两电平来说不共目线的并联拓扑是最好的，因为扩展性极强，而且不受物理环境的安装制约。大家知道想把直流进行扩容是非常难的，因为直流端母线容量要做大，而且通常要用铜排，如果想用线缆的话，最好是交流扩容，交流扩容就没有这种方式，直接把这两端用线缆直接连就可以了。对于共母线来讲最好是三电平的拓扑，因为三电平的控制目标是让中点电位平衡，传统的方式很难实现重点、谐波、效率同步优化。
下面说一个关于控制平台怎么扩容。
把控制平台比作身体的神经网络，神经网络最核心的部分就是人的大脑，同样对照控制器最核心的部分就是中央控制器就是相关的板卡，一般分为核心板卡，比如我们的DSP、FPGA还有外设板卡比如发破的这些电路。它扩容的时候有一些问题，对于核心板卡扩容的问题就是计算资源不足，算法成倍的增加想增加更多的阻尼的特征，增加各种各样的算法，会发现不太够用，需要扩容；对于调理电路就是通道数量不足。外设扩展，那引发的问题是核心板卡不变，所以我的计算资源是无法增加的，除非我换芯片，换芯片的话可供选择的芯片就这几款，很困难。主控制器外设板不再是外设板，有主控制器进行运算，由主控制器发到从控制器，引发的问题确实解决了单一外出扩展的一些不好的地方，但是同样有些问题就是一致性兼容性是比较低的，就的主从不能替代，主占据核心的位置，容错性也一样，一旦容错坏了这系统就崩溃了。
我们比较推荐的方案就是对等性的扩容，没有主从之分。这是在实际的应用案例，这是我们开发的一款基于高压直挂式APF的产品，你的控制间隙要非常短，计算资源要特别多，而且是高压的，那么外设板也有很多，所以我们采用三种中央控制器并联。在风电以后的发展上尤其是由低压走向中压、高压一定会遇到扩容的方式。这种中央控制器的好处是我们现在已经升级到的整体的控制盒采用DSP28377，我们和西门子做了长期的战略新的合作，发现20US最小控制周期在世界上都是领先的水平。支持对等式扩展，计算资源、接口数量无理论上限。控制器间采用私有协议，单位之周期内实现关键变量的传输，控制器具备联合组网计算能力。单台控制器采用模块化插卡式设计，根据项目需求增减外社板卡，减少不必要浪费配置高速USB接口，便于拓展存储空间，确保海量数据收录。
最后说一下这个算法平台。
刚才说了这种无隔离的并联有好处，但是也有坏处，有哪些坏处？在这幅图上就能展示出来，我们的系统环流分成两部分：一中是交叉环流，一中是零序环流。交叉环流的特点是不共母线，而零序环流贯穿整个母线。在这种情况下，我们全隔离方案其实是根本不存在这种环流的，因为整个环流路径被物理隔离了，不存在这种交互；而对于半隔离并联的话存在这种零序，但是不存在这种交叉环流，哪边被隔离哪边都不存在。对于无隔离的并联方案这两个都存在，存在就有问题，就需要一定的方法去解决，我们只不过把硬件的解决方式变成了软件用算法实现的。
这是一个常规的控制方式，一般的情况下包括整个外环一般是母线还有无功的控制外环发出的电流控制指令值，进行常规的电流计算，最后进行常规的调值发出PWM。在并联中会发出什么问题？首先交叉环流、零序环流是路径会不一样，被控对象与正常电流不同，所以我们采用常规的电流器是无法实现对环流的有效抑制；第二个是常规调制算法基于αβ平面的，无法生成零序分量，无法抑制这种零序的环流；最后通过我们的研究发现，环流大小与母线的波动程度有关，但是传统的PI控制有一个问题，是无法兼顾快速性和静态波动抑制。所以这三种都需要进行升级。
这个是我们推荐的一种控制模式，可以发现最大的就是控制器这一块不仅有常规控制器，还有交叉环流和零序环流的控制器，对于母线的控制上常规的PI控制进行一个升级。整体的解决方案就是首先在常规电流控制基础上并联零序/交叉环流控制器，解除控制键的耦合效应，最终实现环流有效抑制，单位全隔离、半隔离相同的输出特性；我们采用的三维调制技术；最后一个是和高校合作把自抗扰控制技术应外在母线电压控制环，实现静动态条件下有效抑制母线电压波动，进一步抑制系统环流。
最后说一下瑞能的两个案例。
一个是我们基于这种不共母线的拓扑方案开发出3-7MW的全功率的变流器，这种变流器是支撑无隔离的变流方案，我们以1.5MW和2MW为最小的交直交单元，最大可以扩容到6并联，也就说这款变流器最大可以扩到12MW，而且1.5和2MW长期在场，整体的效率因为我们采用调制算法效果可以达到97.8%，这是我们经过第三方的测试得出的结论，同时功率偏差很低。
另一款就是三电平的控制器，是共母线的并联拓扑，同样支持无隔离的方案，都可以用于无隔离、半隔离、全隔离，就是我的机侧单一绕组也没有问题，可以看到这些共母线设计做到效率、功率偏差、中点定位统一的优化，这是共母线所能达到的更好的效果，而不共母线3.0达不到这种效果。
最后做一下总结。
首先并联技术我们认为适用于中低压的场合，易于产品的快速设计、物料归一化，最终给客户带来更大的收益；还有功率拓扑方面，无隔离系统兼容性高、并联扩展性强；其中，两电平拓扑推荐不共母线；三电平推荐共母线；控制系统方面随着并联数量和性能精度要求的提升，我们推荐无主从对等式的控制器方式解决上述的问题。而在算法方面无隔离的系统有一个问题就是环流问题突出，我们对电流内环、母线外环及调制方法做多元优化可有效抑制系统环流；最后基于大功率并联技术开发690V3-7MW系列两电平和1140V4-10MW的三电平技术。
