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一种大功率可再生能源的应用现状设计
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2017-12-12
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1研究现状
现在新型的大功率可再生能源为风能和太阳能。新型风机单台的平均功率已经超过了2MW，并且有5MW的投入使用。在过去几年里，太阳能也从单机0.5MW提高到现在的单机1MW+.10MW的光伏发电站最为常见，同时高达60MW的电站也已经在运行。两者都需要通过逆变器连接到电网上，也都需要通过滤波器向电网提供低THD的正弦电流。
风机在发电侧有一个boost特性的变换器，将变化的发电侧电压变换为恒定直流电压使得并网逆变器可以最优化运行。与此相似，太阳能电池板向变换器提供和光照强度、环境温度、负载电流和功率成正比的电压。该可变输入电压范围超过1:2.通常大功率光伏并网逆变器不使用额外的前端变换器。
功率转换效率在所有参数中最为重要。现在，电力电子在风机中使用1200V和1700V硅元件，在太阳能电池中使用1200V硅元件（对于小功率单相电源使用600V）。通过选择合适的硅器件，使用更先进的半导体技术，可以减小变换器的损耗以提高系统的效率。本文并不讨论这些，因为在未来5到10年里，如果没有太大变化，IGBT仍然是首选的电力电子器件。
基于双馈感应电机的风机结构已经不再流行。所有使用双馈原理的风机厂商正在发展基于直驱式和传统四象限驱动的电机。
对于将两个串行的电力电子变换器放置在一个直驱式结构，风机变换器的效率可以达到96%~97%.这个效率是发电机的输出通过dV/dt滤波器、发电机侧变换器、直流母线、并网逆变器以及输出正弦滤波器后的效率。电力变换器的大小由价格和可靠性的需求决定。
可靠性也是一个很重要的因素。风车不能够停止工作，停止转动。为此，所有的元器件都需要良好的性能，同时也需要对结构进行设计，以使得当一个器件出现故障时还能够继续运行。对于几个MVA的大容量逆变器电源，需要很多数量的半导体芯片和开关模块的并联。
1.1 IGBT模块并联运行的解决方案
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明威廉希尔官方网站 、牵引传动等领域。
IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给NPN晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。三菱制大功率IGBT模块
（1）逆变器每一相为一个单元，每相有很多个IGBT模块并联，它们共用一个驱动。每个IGBT模块都有独立的门极电阻和对称的DC和AC连接。作为一个成功的例子，SEMIKUBE IGBT模块已经运用在太阳能领域。
（2）几个逆变器的相单元并联，分别使用独立的驱动。由于不同驱动的延时不同，需要小的AC输出的扼流圈。（SKiiP IPM 功率模块的并联）
（3）三相系统并联到一根直流母线上，每一相也有几个模块并联，每个系统使用独立的驱动。对于更大的功率，需要将几个三相逆变器并联使用。由于不同驱动延迟不同，依然需要AC输出的扼流圈。可以使用一个PWM信号和直流母线。
（4）三相逆变器并联运行，使用一个PWM控制器，需要额外控制并联逆变器的负载电流分配。（复杂PWM控制）
（5）使用低延迟的主从驱动，可以驱动几个并联运行的模块。不需要添加额外的电感，而且当一个半导体芯片损坏时，只会损坏一个开关模块。
（6）带有输入或输出端电流隔离的逆变器并联运行。其中每一个并联支路都是一个标准的、独立的、基础的单元，有不同的PWM和独立的控制器，如图1.
在一些风机结构中，发电机、整条驱动和中压变压器都被放在一个机舱中。这种情况下，机舱总重量会很大，但这却是使得低压发电机和中压电网间传输损耗可以被接受的唯一的方法。在另一些设计中，风机的驱动系统被置于底部，即塔的基部。电能在低压情况下传输距离达到100m，这会带来更高的损耗和成本。
标准的工业上基于硅技术的1700V IGBT模块对于1MW的三相逆变器必须并联使用;现阶段最大的单个三相逆变器为1.5 MW.因此对于几个发电机绕组，可以将独立的驱动系统简单的并联。同时，其可靠性要高于将同样数量的模块经过复杂并联后组成一个更大功率的变换器（见图1）。
图1 有3个发电机绕组和独立驱动系统的风机结构
1.2 风力发电机
风车是一种利用风力驱动的带有可调节的叶片或梯级横木的轮子所产生的能量来运转的机械装置。古代的风车，是从船帆发展起来的，它具有6-8副像帆船那样的篷，分布在一根垂直轴的四周，风吹时像走马灯似的绕轴转动，叫走马灯式的风车。这种风车因效率较低，已逐步为具有水平转动轴的木质布蓬风车和其它风车取代，如“立式风车”、“自动旋翼风车”等。风车在如今已很少用于磨碎谷物，但作为发电的一个手段正在获得新生。“装有发电涡轮机的农场”是由驱动发电机的大型风车组构成的。近代风车主要用于发电，由丹麦人在19世纪末开始应用，20世纪经过不断改进趋于成熟，功率最大达到15MW.
现在新型的大功率可再生能源为风能和太阳能。新型风机单台的平均功率已经超过了2MW，并且有5MW的投入使用。在过去几年里，太阳能也从单机0.5MW提高到现在的单机1MW+.10MW的光伏发电站最为常见，同时高达60MW的电站也已经在运行。两者都需要通过逆变器连接到电网上，也都需要通过滤波器向电网提供低THD的正弦电流。
风机在发电侧有一个boost特性的变换器，将变化的发电侧电压变换为恒定直流电压使得并网逆变器可以最优化运行。与此相似，太阳能电池板向变换器提供和光照强度、环境温度、负载电流和功率成正比的电压。该可变输入电压范围超过1:2.通常大功率光伏并网逆变器不使用额外的前端变换器。
功率转换效率在所有参数中最为重要。现在，电力电子在风机中使用1200V和1700V硅元件，在太阳能电池中使用1200V硅元件（对于小功率单相电源使用600V）。通过选择合适的硅器件，使用更先进的半导体技术，可以减小变换器的损耗以提高系统的效率。本文并不讨论这些，因为在未来5到10年里，如果没有太大变化，IGBT仍然是首选的电力电子器件。
基于双馈感应电机的风机结构已经不再流行。所有使用双馈原理的风机厂商正在发展基于直驱式和传统四象限驱动的电机。
对于将两个串行的电力电子变换器放置在一个直驱式结构，风机变换器的效率可以达到96%~97%.这个效率是发电机的输出通过dV/dt滤波器、发电机侧变换器、直流母线、并网逆变器以及输出正弦滤波器后的效率。电力变换器的大小由价格和可靠性的需求决定。
可靠性也是一个很重要的因素。风车不能够停止工作，停止转动。为此，所有的元器件都需要良好的性能，同时也需要对结构进行设计，以使得当一个器件出现故障时还能够继续运行。对于几个MVA的大容量逆变器电源，需要很多数量的半导体芯片和开关模块的并联。
1.1 IGBT模块并联运行的解决方案
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明威廉希尔官方网站 、牵引传动等领域。
IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给NPN晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。三菱制大功率IGBT模块
（1）逆变器每一相为一个单元，每相有很多个IGBT模块并联，它们共用一个驱动。每个IGBT模块都有独立的门极电阻和对称的DC和AC连接。作为一个成功的例子，SEMIKUBE IGBT模块已经运用在太阳能领域。
（2）几个逆变器的相单元并联，分别使用独立的驱动。由于不同驱动的延时不同，需要小的AC输出的扼流圈。（SKiiP IPM 功率模块的并联）
（3）三相系统并联到一根直流母线上，每一相也有几个模块并联，每个系统使用独立的驱动。对于更大的功率，需要将几个三相逆变器并联使用。由于不同驱动延迟不同，依然需要AC输出的扼流圈。可以使用一个PWM信号和直流母线。
（4）三相逆变器并联运行，使用一个PWM控制器，需要额外控制并联逆变器的负载电流分配。（复杂PWM控制）
（5）使用低延迟的主从驱动，可以驱动几个并联运行的模块。不需要添加额外的电感，而且当一个半导体芯片损坏时，只会损坏一个开关模块。
（6）带有输入或输出端电流隔离的逆变器并联运行。其中每一个并联支路都是一个标准的、独立的、基础的单元，有不同的PWM和独立的控制器，如图1.
在一些风机结构中，发电机、整条驱动和中压变压器都被放在一个机舱中。这种情况下，机舱总重量会很大，但这却是使得低压发电机和中压电网间传输损耗可以被接受的唯一的方法。在另一些设计中，风机的驱动系统被置于底部，即塔的基部。电能在低压情况下传输距离达到100m，这会带来更高的损耗和成本。
标准的工业上基于硅技术的1700V IGBT模块对于1MW的三相逆变器必须并联使用;现阶段最大的单个三相逆变器为1.5 MW.因此对于几个发电机绕组，可以将独立的驱动系统简单的并联。同时，其可靠性要高于将同样数量的模块经过复杂并联后组成一个更大功率的变换器（见图1）。
图1 有3个发电机绕组和独立驱动系统的风机结构
1.2 风力发电机
风车是一种利用风力驱动的带有可调节的叶片或梯级横木的轮子所产生的能量来运转的机械装置。古代的风车，是从船帆发展起来的，它具有6-8副像帆船那样的篷，分布在一根垂直轴的四周，风吹时像走马灯似的绕轴转动，叫走马灯式的风车。这种风车因效率较低，已逐步为具有水平转动轴的木质布蓬风车和其它风车取代，如“立式风车”、“自动旋翼风车”等。风车在如今已很少用于磨碎谷物，但作为发电的一个手段正在获得新生。“装有发电涡轮机的农场”是由驱动发电机的大型风车组构成的。近代风车主要用于发电，由丹麦人在19世纪末开始应用，20世纪经过不断改进趋于成熟，功率最大达到15MW.
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