一、风电机组多电平变流器数字化控制技术概述

多电平变流器是一种电力电子装置，主在用于在交流和直流之间转换电能，通过使用多个电平（即不同的电压水平）来近似正弦波形，从而减少谐波失真问题，提高电能质量。在当代可再生能源领域内，风电机组是一个非常重要的组成部分，其高效稳定的运行，依赖于多个子系统之间的协同配合。通过应用多电平变流器数字化控制技术，可对多电平变流器运动过程进行实时监测，并对多电平变流器输出效果进行智能化调整，从而协助多电平变流器高效且顺利的完成电能与电功率的相互转换，确保能量流动的平衡性与高效性，促进风力发电系统的运行效率和稳定性的大幅度提升，以便于更好的应对电网的变化和需求。

二、数字化风电机组多电平变流器的功能优势

基于数字化技术的风电机组多电平变流器，集成了实时监控和远程运维两大主要功能，具有全面监控、智能诊断、兼容设计、安装灵活四大核心优势，可同时满足实时监控、远程监控所生成的大数据存储需求。为风电机组多电平变流器设备运维提供了更加高效、便捷、智能的远程控制机制。在相关数字化软件平台当中，设置了全场概览、关键参数监控、实时趋势分析、查询统计、远程运维、智能分析、系统信息、变量监控、实时事件、虚拟示波器、波形分析、事件记录、参数管理、配置管理等十余个功能模块。借助这些功能，相关工作人员可对多电平变流器进行灵活配置与深入管控，针对全部数据进行高效分析与综合运用。同时，还可以设置故障报警阈值，当风电机组多电平变流器发生异常时及时报警，并且根据故障数据自动给出故障原因及处理建议，具有单机、多机部署模式。作为风电机组的核心部件，多电平变流器的高效监控、主动运维对风电机组的稳定、可靠运行起到关键作用，为提高风电机组多电平变流器的运维效率给予巨大助力，极大的满足了风电项目的智慧化运维需求。

三、风电机组多电平变流器数字化控制技术应用

（一）风电机组多电平变流器实时监控系统

在风力发电机多电平变流器监控系统中，引进数字化通信模块，不仅可以对多电平变流器的数据采集、数据转换、数据存储等需求。同时，通过以太网与PC界面进行连接，从而完成设备发现、上传数据、下发数据、下发控制指令等多重功能。用户可通过在PC机上操作，实现波形显示与存储，参数设置与存储，故障记录等功能，使风力发电机组多电平变流器得到智能化控制。图1、图2为常见的风电机组的常见拓扑图：

图1 永磁同步风力发电机组单背靠背多电平变流器拓扑结构示意图

图2 双馈风力发电机组单套背靠背多电平变流器拓扑结构示意图

该系统的工作方法为：

1.数字化通信模块与多电平变流器协议的转换

现阶段，风电机组中的多电平变流器的DSP芯片最高通信速率可达115200bps，与那些动辄上兆速率的USB、以太网、CAN等通信设备相比，在多串口通信速率方面可以说是捉襟见肘，难以对DSP中的大量数据进行高效处理。在这种情况下，亟需一套先进科学的行之有效的通信协议对其提供技术支持。在现有通信协议中，ModBus协议具有较高的参考价值。该协议是一个主从协议，可在遵循ModBus协议基本格式的前提下，对其进行相应的修订，使其符合风电机组多电平变流器在线监管的实际需求。

2.通信模块与PC界面协议的相互转换

PC界面与通信模块之间，利用以太网TCP/IP通信，若干个PC界面可与同一网段内的若干设备建立连接。TCP/IP协议的网络层选择IP协议，主要功能是对要发送的数据加上报头，再发送给物理层，同时还要接受由链路层传来的数据包并对其处理。CP/IP协议的传输层选择UDP协议，并制定相应内容。图3为基于超强的CPU+FPGA计算精度，可将风力发电机组以及变流器等电力电子拓扑结构部分运行在FPGA上，利用丰富的IO接口可实现变流器控制对接闭环测试，实时仿真步长可做到1us。

图3 基于数字技术 超强的CPU+FPGA计算精度

因风轮叶片以及转轴与传动系统时间惯量常数比较大，则可实时运行在CPU上，实时仿真步长可做到50-100us。

3.PC界面软件设计

PC界面软件，采用主流的“三层构架”进行设计。从顶至下分别为GUI（Graphical User Interface）层、设备层、通信层。GUI层采用MDI结构，配合经过专业美化设计的界面，轻易可以实现多个设备、多种功能同屏显示，其中包括参数/变量列表、示波器、用户自定义的图形化界面等等。设备层封装在一个独立的DLL（DynamicLink Library）中，它是界面软件的核心。软件在网络上发现风电多电平变流器设备后，设备层就将其映射为一个“设备”，它有存储空间、读取方法、写入方法、故障标志、示波器采样完成标志等一系列电力电子设备应有的属性和方法。通信层同样封装为一个独立DLL，它封装了网络通信协议、通信超时、超时重发等功能，方便设备层进行调用。利用DLL的好处是，今后功能进行扩展时，不用将整套软件进行发布，而可以根据改进的部分而发布一个新的DLL文件即可。

图4  PC界面软件设计 

（二）风电机组多电平变流器测试系统

多电平变流器的作用是将风力发电机组产生的交流电转换为适合输送到电网的直流电。这一功能属性，决定了风电机组多电平变流器测试系统需要肩负起对风力发电机组当中所有多电平变流器进行性能测试和设备验证的职能。相关人员在借助数字化技术制订风电机组多电平变流器数字化控制方案时，至少包括以下几个方面：

1.输电系统模拟

在针对数字化控制系统进行规划设计时，可以模拟一项包括电压、频率和电网扰动在的内电网条件。基于这一条件，测试所有变流器在不同电网条件下的性能表现。还可以借此机会，验证其是否符合电网要求。

2.风机模拟和负载

运用数字技术模拟风力发电机组的动态特性以及风速、风向的变动。在此基础上，对多电平变流器的响应能力和控制能力进行相应的测试。同时，还可以通过模拟负载变化情况，对多电平变流器在不同负载条件下的稳定性和效率进行多角度分析。

3.控制系统测试

利用数字技术对包括对响应时间、稳定性、电网同步等方面在内的变流器控制系统进行测试验证，目的是确保变流器能够正常运行，并且能够与电网相互协调兼容。

4.数据采集与分析

通过数据采集与分析技术，对多电平变流器的性能指标进行综合评估，并且为后续方案优化和故障诊断提供数据支持。

5.效率和功率因数测试

通过对变流器的效率和功率因数进行测量，可对其电能转换效率进行评估，为确认是否满足性能要求和标准提供参考依据。

6.保护和安全测试

针对风电机组中多电平变流器的电压保护、过电流保护、短路保护等功能进行测试，确保多电平变流器在故障情况下依然处于正常运行状态。

具体的测试内容包括：电网适应性测试、宽频振荡阻抗特性测试、高/低压穿越测试、外部无功小扰动测试等。除此之外，还可以有效避免因控制器引起的“炸机”现象，为企业提供高效、安全的测试平台。测试方法如下：

（1）电网适应性测试

此项测试依据的是《风力发电机组电网适应性测试规程》，测试项目应该包括电压偏差适应性、频率偏差适应性、三相电压不平衡适应性、闪变适应性和谐波电压适应性。只有通过上述测试，才能确保风电机组的正常运行5]。

（2）宽频振荡阻抗特性测试

在测试时，根据《风电场阻抗特性评估技术规范》，利用电压扰动注入法扫描阻抗。可将有功出力设置为10%、30%、40%、60%、80%、90%等多种工况，在这些工况条件下，对风电机组阻抗进行扫描，并给出风电机组2.5Hz-1000Hz范围内的正序阻抗和负序阻抗。如果发现振荡风险，应优先针对控制参数进行优化，通过阻抗重塑来抑制振荡的发生。

（3）高/低电压穿越测试

根据《风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》《风电场接入电力系统技术规定》相关标准对风电机组在瞬时电压跌落/上升等工况下的反应能力进行测试，确保风电机组在电网电压波动时依然能够平稳运行。

（4）外部无功小扰动测试

根据外部无功小扰动测试要求，通过设置风电机组母线投切电容器模拟不同无功注入风电机组，测试风电机组能否在上述情况下正常运行。

风电机组多电平变流器数字化控制技术效益分析

随着世界各国风力发电技术的飞速进展，风力发电系统的建设规模越来越大，系统复杂程度也随之大幅增加。在这种情况下，如果保证风力系统各组成部分的稳定运行，成为人们广泛关注的焦点，更是风电机组所属企业可持续发展的关键[6]。大风力发电系统中，多电平变流器是非常重要的执行部件，它能够对电机转子速度进行优化，并且将风速波动所产生的功率波动转换成电能，使其平滑的注入电网当中，使发电系统获得更大的功率因数，降低了发电过程中对齿轮箱的冲击，大大减少注入电网的闪变。对多电平变流器中电力电子器件的稳定运行进行监测以及故障诊断对保障整个发电系统安全有效运行具有重大现实意义。从经济角度考虑，随着大批大型风力发电机组的并网发电，对多电平变流器的要求也越来越高，同时造价也比较昂贵。同时由于大型风力发电系统载荷较大，不像小风机那样容易拆装、更换，且造价昂贵，因此一旦出现故障，将会对发电系统带来巨大麻烦和经济损失。另外，基于数字化技术，在针对那些已经出厂的多电平变流器技术更新和售后服务时，不再依靠人工经验，而而采用远程动态监测风力发电机多电平变流器，实现在线诊断，从而减少因人为失误导致的并网故障，保护电力电子器件，提高系统的可靠性，对于风力供电企业而言，无疑具有巨大的经济效益。

以重庆黔江麒麟二期风电场项目为例，该风电场监控系统由风电机组、 110kV 升压站两个监控子系统组成，两个子系统均采用计算机监控方式，在升压站网络上通过通信服务器互联。风电场风电机组监控系统专供风电机组的自动监视和控制，并由风电机组厂家成套提供。风力发电机组正常采用集中监控方式，由中控室运行人员通过风力发电机组计算机监控系统的人机接口，对风电场内所有风力发电机组进行集中远方监视和控制。在每台风力发电机的现地控制柜上，
运行人员可通过控制柜上的人机接口对风力发电机组进行现地监视和控制。在风力发电机组运行过程中，控制柜能连续监视风力发电机的转速，控制制动系统使风机安全运行。该电场通过引进数字化风电机组多电平变流器，使不依赖集中监控系统的情况下，便可以针对多电平变流器运行状态、系统故障进行实践监测，从而保证风机设备的正常运行，为企业经济效益提供了有力保障。 

结语：在数字经济时代背景下，风电业务需要依托云计算、大数据、物联网等一系列先进技术，构建起数字化控制平台，针对多电平变流器这一类关键部件进行全过程、全方位的远程在线监控。确保风电机组当中所有变流器的协同作业与高效配合，最终达到提高运营效率、降低运营成本的目的，推动风力发电企业尽早完成智能化、绿色化、生态化转型。

参考文献：

[1]雷磊.永磁直驱式风电变流器整流侧过电压抑制方法[J].电工技术，2024，(14):201-203+206.

[2]王国强，吴杰.风电场并网系统中机侧变流器简化模型分析[J].电气技术与经济，2024，(07):162-165+170.

[3]刘涛.多电压源风电机组并网运行频率稳定技术研究[D].电子科技大学，2024.

[4]李林.基于寻优算法的风电并网变流器控制参数辨识方法[J].吉林大学学报(信息科学版)，2024，42(02):333-338.

[5]王鹏龙.双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力的分析[J].集成电路应用，2023，40(10):186-187.

[6]陈波.直驱永磁风电机组电磁暂态仿真与稳定性分析[J].电力安全技术，2023，25(09):11-16.

作者简介：何旭阳（1996.05—），男，汉族，重庆酉阳人，助理工程师，本科学历，研究方向：风电及水电生产运行管理。