一種大功率可再生能源的應用現(xiàn)狀設計和實現(xiàn)

1研究現(xiàn)狀

現(xiàn)在新型的大功率可再生能源為風能和太陽能。新型風機單臺的平均功率已經(jīng)超過了2MW,并且有5MW的投入使用。在過去幾年里，太陽能也從單機0.5MW提高到現(xiàn)在的單機1MW+.10MW的光伏發(fā)電站最為常見，同時高達60MW的電站也已經(jīng)在運行。兩者都需要通過逆變器連接到電網(wǎng)上，也都需要通過濾波器向電網(wǎng)提供低THD的正弦電流。

風機在發(fā)電側有一個boost特性的變換器，將變化的發(fā)電側電壓變換為恒定直流電壓使得并網(wǎng)逆變器可以最優(yōu)化運行。與此相似，太陽能電池板向變換器提供和光照強度、環(huán)境溫度、負載電流和功率成正比的電壓。該可變輸入電壓范圍超過1:2.通常大功率光伏并網(wǎng)逆變器不使用額外的前端變換器。

功率轉換效率在所有參數(shù)中最為重要?，F(xiàn)在，電力電子在風機中使用1200V和1700V硅元件，在太陽能電池中使用1200V硅元件(對于小功率單相電源使用600V)。通過選擇合適的硅器件，使用更先進的半導體技術，可以減小變換器的損耗以提高系統(tǒng)的效率。本文并不討論這些，因為在未來5到10年里，如果沒有太大變化，IGBT仍然是首選的電力電子器件。

基于雙饋感應電機的風機結構已經(jīng)不再流行。所有使用雙饋原理的風機廠商正在發(fā)展基于直驅式和傳統(tǒng)四象限驅動的電機。

對于將兩個串行的電力電子變換器放置在一個直驅式結構，風機變換器的效率可以達到96%~97%.這個效率是發(fā)電機的輸出通過dV/dt濾波器、發(fā)電機側變換器、直流母線、并網(wǎng)逆變器以及輸出正弦濾波器后的效率。電力變換器的大小由價格和可靠性的需求決定。

可靠性也是一個很重要的因素。風車不能夠停止工作，停止轉動。為此，所有的元器件都需要良好的性能，同時也需要對結構進行設計，以使得當一個器件出現(xiàn)故障時還能夠繼續(xù)運行。對于幾個MVA的大容量逆變器電源，需要很多數(shù)量的半導體芯片和開關模塊的并聯(lián)。

1.1 IGBT模塊并聯(lián)運行的解決方案

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給NPN晶體管提供基極電流，使IGBT 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ,所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴(少子)，對N 一層進行電導調制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。三菱制大功率IGBT模塊

(1)逆變器每一相為一個單元，每相有很多個IGBT模塊并聯(lián)，它們共用一個驅動。每個IGBT模塊都有獨立的門極電阻和對稱的DC和AC連接。作為一個成功的例子，SEMIKUBE IGBT模塊已經(jīng)運用在太陽能領域。

(2)幾個逆變器的相單元并聯(lián)，分別使用獨立的驅動。由于不同驅動的延時不同，需要小的AC輸出的扼流圈。(SKiiP IPM 功率模塊的并聯(lián))

(3)三相系統(tǒng)并聯(lián)到一根直流母線上，每一相也有幾個模塊并聯(lián)，每個系統(tǒng)使用獨立的驅動。對于更大的功率，需要將幾個三相逆變器并聯(lián)使用。由于不同驅動延遲不同，依然需要AC輸出的扼流圈?？梢允褂靡粋€PWM信號和直流母線。

(4)三相逆變器并聯(lián)運行，使用一個PWM控制器，需要額外控制并聯(lián)逆變器的負載電流分配。(復雜PWM控制)

(5)使用低延遲的主從驅動，可以驅動幾個并聯(lián)運行的模塊。不需要添加額外的電感，而且當一個半導體芯片損壞時，只會損壞一個開關模塊。

(6)帶有輸入或輸出端電流隔離的逆變器并聯(lián)運行。其中每一個并聯(lián)支路都是一個標準的、獨立的、基礎的單元，有不同的PWM和獨立的控制器，如圖1.

在一些風機結構中，發(fā)電機、整條驅動和中壓變壓器都被放在一個機艙中。這種情況下，機艙總重量會很大，但這卻是使得低壓發(fā)電機和中壓電網(wǎng)間傳輸損耗可以被接受的唯一的方法。在另一些設計中，風機的驅動系統(tǒng)被置于底部，即塔的基部。電能在低壓情況下傳輸距離達到100m,這會帶來更高的損耗和成本。

標準的工業(yè)上基于硅技術的1700V IGBT模塊對于1MW的三相逆變器必須并聯(lián)使用;現(xiàn)階段最大的單個三相逆變器為1.5 MW.因此對于幾個發(fā)電機繞組，可以將獨立的驅動系統(tǒng)簡單的并聯(lián)。同時，其可靠性要高于將同樣數(shù)量的模塊經(jīng)過復雜并聯(lián)后組成一個更大功率的變換器(見圖1)。

圖1 有3個發(fā)電機繞組和獨立驅動系統(tǒng)的風機結構

1.2 風力發(fā)電機

風車是一種利用風力驅動的帶有可調節(jié)的葉片或梯級橫木的輪子所產生的能量來運轉的機械裝置。古代的風車，是從船帆發(fā)展起來的，它具有6-8副像帆船那樣的篷，分布在一根垂直軸的四周，風吹時像走馬燈似的繞軸轉動，叫走馬燈式的風車。這種風車因效率較低，已逐步為具有水平轉動軸的木質布蓬風車和其它風車取代，如立式風車、自動旋翼風車等。風車在如今已很少用于磨碎谷物，但作為發(fā)電的一個手段正在獲得新生。裝有發(fā)電渦輪機的農場是由驅動發(fā)電機的大型風車組構成的。近代風車主要用于發(fā)電，由丹麥人在19世紀末開始應用，20世紀經(jīng)過不斷改進趨于成熟，功率最大達到15MW.

發(fā)電機的一些要求，例如最小尺寸、脈動轉矩和短路轉矩，尤其對于低速直驅發(fā)電機，導致需要使用較多的相繞組，例如使用兩套，三套或六套三相繞組。一般不使用5相、7相或者更高相數(shù)的多相系統(tǒng)，因為三相逆變器和控制器都是已經(jīng)標準工業(yè)化的。幾兆瓦發(fā)電機傳統(tǒng)需要中壓輸出。但是中壓輸入和輸出系統(tǒng)對于中壓電力電子器件的使用提出了要求。現(xiàn)在中壓并網(wǎng)變換器開關頻率幾千赫茲，效率很低而且每千瓦的花費也很大。

1.3 無功功率控制

可再生能源電源還有以下要求：有功控制，無功控制，低電壓穿越以及不經(jīng)常提到的非對稱電網(wǎng)電壓運行。

可再生能源電源的無功控制首先使用于風機中，最近在光伏中開始運用。它導致連接線端逆變器的直流母線電壓更高。

1.4 線端逆變器工作原理

逆變器(inverter)是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉變成交流電(一般為220v50HZ正弦或方波)。應急電源，一般是把直流電瓶逆變成220V交流的。通俗的講，逆變器是一種將直流電(DC)轉化為交流電(AC)的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。廣泛適用于空調、家庭影院、電動砂輪、電動工具、縫紉機、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機、抽油煙機、冰箱，錄像機、按摩器、風扇、照明等 .高效率和節(jié)能是家電應用中首要的問題。三相無刷直流電機因其效率高和尺寸小的優(yōu)勢而被廣泛應用在家電設備中以及很多其他應用中。此外，由于采用了電子換向器代替機械換向裝置，三相無刷直流電機被認為可靠性更高。

PWM變換器中的能量流動控制通過調整相移角δ實現(xiàn)，它是電源電壓U1和對應變換器的輸入電壓Vs1之間的相角差。

當U1領先Vs1時，電能從交流電源流向變換器。相反的，如果U1滯后 Vs1,電能從變換器的直流端流入交流電源。電能傳輸方程見公式(1)。

(1)