風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大功率變流器的應(yīng)用初探

朱孝清

摘 要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)中大功率變流器的需求越來(lái)越大。文章根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)中大功率變流器的原理及大功率電子器件對(duì)中大功率變流器發(fā)展的影響進(jìn)行總結(jié)，并從器件串并聯(lián)型大功率變流器、多電平大功率變流器、并聯(lián)變流器、多電平結(jié)合多重化型變流器、級(jí)聯(lián)H橋型多電平變流器五方面，論述了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大功率變流器的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；大功率變流器；器件串并聯(lián)；多電平

中圖分類(lèi)號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）09-0157-02

Abstract： With the development of society， the demand of wind power system for medium and large power converter is increasing. In this paper， the principle of medium and large power converters and the influence of high power electronic devices on the development of medium and large power converters are summarized. And from five aspects， i.e.， the device series-parallel type high-power converter， multi-level high-power converter， parallel converter， multi-level combined multi-heavy type converter and cascaded H-bridge multilevel converter， the application of large power converter in wind power system is discussed.

Keywords： wind power system； high-power converter； device series-parallel； multilevel

前言

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，很多風(fēng)力發(fā)電拓?fù)湟脖蝗藗冮_(kāi)發(fā)出來(lái)，就目前實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍然是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的主流。在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)之中，電能需要經(jīng)過(guò)變流器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)上傳，這也要求相關(guān)功率器件必須具備較高的功率等級(jí)。但由于材料等因素的限制，很多功率器件的自身容量有限，為后續(xù)設(shè)計(jì)工作提升了難度。

1 中大功率變流器的原理

在1976年，人們?cè)O(shè)計(jì)出了第一臺(tái)中大功率變流器，并將其命名為強(qiáng)迫交換相交-交變流器，該變流器也可以被稱(chēng)作是矩陣變流器，主要結(jié)構(gòu)原理如下：在m×n個(gè)雙向四象限開(kāi)關(guān)陣列排列過(guò)程之中，可將n項(xiàng)負(fù)載搭載到m項(xiàng)的電網(wǎng)之中，而3×3個(gè)開(kāi)關(guān)所組成的三相矩陣變流器則更具有代表意義。與自然型換流器相比，二者具有很強(qiáng)的相似性，尤其是在波形輸出方面，都是按照一定的順序進(jìn)行采樣之后而合成的。但強(qiáng)迫型變流器的采樣周期是變化的，變化周期與電源有直接關(guān)系。站在另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，電壓輸出波形是根據(jù)樣板中電壓采樣周期的“切塊”順序排列而來(lái)。為了與樣板更加接近，輸出電壓在采樣率的確定上應(yīng)高于輸入和輸出功率。在采樣控制過(guò)程中，還要保證輸出電壓各個(gè)周期中的平均值與參考值相接近。只有這樣，合成波形的頻率才能進(jìn)行改變，并與參考波形的低次頻率保持相同。

中大功率變流器的電子開(kāi)關(guān)以雙向四象限開(kāi)關(guān)為主，能夠在兩個(gè)方向之中對(duì)導(dǎo)通電流進(jìn)行阻斷。但在實(shí)際采購(gòu)過(guò)程中，很難遇到符合要求的類(lèi)型，尤其是功率較大的變流器。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體器件進(jìn)行組合建設(shè)，為確保換流的正確性，雙向四象限開(kāi)關(guān)需要對(duì)兩個(gè)方向的電流實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。

2 大功率電力電子器件對(duì)中大功率變流器發(fā)展的影響

2.1 絕緣柵雙極晶體管

絕緣柵雙極晶體管簡(jiǎn)稱(chēng)IGBT，成功研制時(shí)間為1988年。截止到目前，市場(chǎng)中IGBT的最大電壓已經(jīng)達(dá)到6500V，最大電流也將達(dá)到了2400A。通常情況之下，IGBT以模塊形式進(jìn)行封裝，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊之中，會(huì)存在很多個(gè)IGBT芯片。例如，在3300V/1300A的模塊之中，便包含著36塊芯片和450多根連接線。這些芯片在并聯(lián)固定過(guò)程中，一般會(huì)固定在一個(gè)部位上，以此來(lái)提升晶體管的絕緣和導(dǎo)熱特性。另外，這種模塊形式也很容易在散熱器上得到安裝。雖然大功率的IGBT模塊具有很強(qiáng)的特性和優(yōu)勢(shì)，如容易對(duì)短路電流進(jìn)行保護(hù)、對(duì)電源提供保護(hù)等，但也存在很多缺點(diǎn)和不足，如開(kāi)關(guān)損壞之后造成開(kāi)路等，讓大功率變流器的實(shí)際應(yīng)用受到了嚴(yán)重阻礙[1]。

2.2 集成門(mén)極換流晶閘管

集成門(mén)極換流晶閘管簡(jiǎn)稱(chēng)IGCT，由日本東芝公司成功研制出來(lái)，這種晶體管具備IGBT的很多優(yōu)點(diǎn)，如飽和壓降較低、安全工作區(qū)域較寬等。另外，IGCT還具備自身特點(diǎn)，可對(duì)不對(duì)稱(chēng)的正反向電壓進(jìn)行阻斷，以此來(lái)保證電壓源PWM的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。除此之外，IGCT在使用過(guò)程中耗損量很低，可降低風(fēng)力發(fā)電企業(yè)在變流器中的投入成本，同時(shí)也能增加相關(guān)工作的有效性。例如，在300KVA變流器使用過(guò)程中，不需要串聯(lián)和并聯(lián)也能完成工作。截止到目前，人們所研制的IGCT已經(jīng)達(dá)到了9KV/6KV水準(zhǔn)，而很多6.5KV的器件已經(jīng)在市場(chǎng)中開(kāi)始供應(yīng)。也正是由于這種發(fā)展因素的促使，讓IGCT有希望成為高壓低頻電流器的最優(yōu)選擇。但從實(shí)質(zhì)上來(lái)說(shuō)，IGCT仍然屬于GTO行列，知識(shí)解決了GTO中門(mén)極驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題。由于門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路中存在很多電容器，在實(shí)際工作中需要消耗大量的功率才能完成相應(yīng)工作，從而對(duì)整體工作效率產(chǎn)生了極大影響。在加上短路故障出現(xiàn)之后，固定開(kāi)關(guān)無(wú)法得到及時(shí)切斷，導(dǎo)致短路保護(hù)措施的嚴(yán)重缺失，這對(duì)于中大功率變流器的發(fā)展十分不利。

2.3 MOS可關(guān)斷晶閘管

MOS可關(guān)斷晶閘管簡(jiǎn)稱(chēng)MTO，發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)的目的是將IGCT集成電路中的MOSEET去除，由于發(fā)電系統(tǒng)的整體運(yùn)行作用，MOSEET被帶入了功率器的內(nèi)部。因此，MTO外部的驅(qū)動(dòng)電路中只含有較少的電路元件，但這些元件均具有較高的可靠性，這一點(diǎn)與IGCT十分相似。當(dāng)母線電壓超過(guò)3KV之后，IGCT和MTO之中的功率便會(huì)得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果母線電壓低于3KV，IGBT模塊顯然更具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大功率變流器的具體應(yīng)用

3.1 器件串并聯(lián)型大功率變流器

器件串并聯(lián)型大功率變流器的電路結(jié)構(gòu)為交-直-交電流源模型，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要采用功率器件GTO與兩電平逆變器串聯(lián)達(dá)到高壓變電效果，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器容量的有效提升。從實(shí)際結(jié)構(gòu)理論中可以看出，器件串并聯(lián)型大功率變流器的前段采用的是脈沖晶閘管的整流模式，在中間還要連接一個(gè)電抗器之后，在與GTO兩端的電平逆變器進(jìn)行串聯(lián)，如此一來(lái)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì)變的更加簡(jiǎn)單，故障點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)減少。在器件串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的作用之下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì)變的更加簡(jiǎn)單，功率器件個(gè)數(shù)也會(huì)得到相應(yīng)減少。但由于器件的串聯(lián)，也會(huì)為整個(gè)電路帶來(lái)分壓不均勻等問(wèn)題，器件的并聯(lián)會(huì)帶來(lái)均流問(wèn)題。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求也會(huì)大大提升，應(yīng)盡量做到串聯(lián)器件的及時(shí)導(dǎo)通和關(guān)閉，避免出現(xiàn)電壓不均等問(wèn)題，導(dǎo)致變流器出現(xiàn)崩潰性問(wèn)題[2]。

3.2 多電平大功率變流器

多電平大功率變流器的實(shí)際本質(zhì)主要依賴(lài)于逆變器的“多電平逆變”功能，在與兩電平變流器的對(duì)比之下，存在以下優(yōu)點(diǎn)：該變流器中的單個(gè)器件所承受的電壓應(yīng)力相對(duì)較小，很容易實(shí)現(xiàn)高壓功率的直接應(yīng)用；在開(kāi)關(guān)頻率相同的情況之下，輸出的波形與正弦波更為接近，同時(shí)還能降低電磁干擾等問(wèn)題。例如，在ABB公司所生產(chǎn)的ACS系列變流器之中，主要以三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主，內(nèi)部逆變器的部分功率器利用IGCT進(jìn)行了代替，從而增加了電壓的輸出等級(jí)。在法國(guó)ALSTOM的研究過(guò)程中，以IGCT為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出了飛躍電容型五電平變流器，該變流器具有很多優(yōu)點(diǎn)，如多電平輸出、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等，可對(duì)高壓運(yùn)行要求進(jìn)行全面滿(mǎn)足，但缺點(diǎn)是電容器的安裝數(shù)量較多，需要極為復(fù)雜的技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一控制，還需要對(duì)電容預(yù)充電電路進(jìn)行控制。

3.3 并聯(lián)變流器

在并聯(lián)電流器使用過(guò)程中，通過(guò)多個(gè)變流器單元的并聯(lián)，從而完成向整個(gè)電網(wǎng)進(jìn)行功率傳輸。例如，德國(guó)BEN-NING電子有限公司所生產(chǎn)的變流器便是采用這種并聯(lián)電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該類(lèi)型變流器具有以下特點(diǎn)：首先，利用復(fù)雜的高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)和高質(zhì)量的電子元器件，來(lái)促使整個(gè)變流單元的結(jié)構(gòu)更加緊密，實(shí)現(xiàn)變流效率的有效提升；其次，在多個(gè)逆變單元并聯(lián)過(guò)程之中，可增加冗余單元的數(shù)量，提升整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性；再次，可對(duì)所有單元中的安全設(shè)計(jì)進(jìn)行全面監(jiān)控，并進(jìn)行不間斷供電。并聯(lián)變流器提高了發(fā)電系統(tǒng)中的電流等級(jí)，促使變流器的功率也實(shí)現(xiàn)了提升。

3.4 多電平結(jié)合多重化型變流器

在該種變流器應(yīng)用過(guò)程中，主要將多電平和多重化變流器的優(yōu)點(diǎn)匯集在一起，通過(guò)多個(gè)中壓三電平PWM模塊串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出。也正是由于此結(jié)構(gòu)的雙向作用，構(gòu)成了一個(gè)完整的無(wú)諧波系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行重疊和整流，促使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)達(dá)到國(guó)際要求和標(biāo)準(zhǔn)。在該變流器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用到了高壓整流二極管和IGBT，促使主回路之中的器件使用量大大降低，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，將變流器的綜合效率提升到了98%。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，有很多變流模塊采用的是12脈沖整流以及二極管箝位三電平拓?fù)洌坏黾恿似骷氖褂寐?，還導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成的性?xún)r(jià)比不足，在價(jià)格上失去了明顯優(yōu)勢(shì)[3]。

3.5 級(jí)聯(lián)H橋型多電平變流器

相比之下，級(jí)聯(lián)H橋型多電平變流器所需要的器件安裝數(shù)量最少，而且不需要對(duì)大量的箝位二極管進(jìn)行安裝，有利于后續(xù)管理工作的開(kāi)展，也正是因?yàn)榇隧?xiàng)優(yōu)點(diǎn)，該變流器被稱(chēng)為最合適電網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的變流器。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，級(jí)聯(lián)H橋型多電平變流器也具備很多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如在同樣的電平數(shù)輸出情況之下，元器件的使用量最少；容易對(duì)電平輸出進(jìn)行提升；每個(gè)變流器的結(jié)構(gòu)單元基本相同等。除此之外，該種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中也具有一些缺點(diǎn)，在功率變換過(guò)程中，該結(jié)構(gòu)需要獨(dú)立的直流電源進(jìn)行電能供應(yīng)，從而在某些方面的應(yīng)用中受到了限制。H橋的每個(gè)單元都具有一個(gè)直流電源，隨著波形電平數(shù)量的提升，串聯(lián)的單元直流電源數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在中大功率變流器研究過(guò)程中，很多企業(yè)相繼開(kāi)發(fā)出中點(diǎn)箝位的三電平高壓變流器，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上差別不大，但由于功率元件存在較強(qiáng)的差異性，在研究過(guò)程中也應(yīng)用到了不同技術(shù)。在我國(guó)研究過(guò)程中，主要以IGBT高壓變流器為主，利用串聯(lián)形式為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供幫助，并獲得了多項(xiàng)專(zhuān)利，為我國(guó)新能源的發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)。

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