一種大功率可再生能源的應(yīng)用現(xiàn)狀設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

1研究現(xiàn)狀

現(xiàn)在新型的大功率可再生能源為風(fēng)能和太陽能。新型風(fēng)機(jī)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(jī)0.5MW提高到現(xiàn)在的單機(jī)1MW+.10MW的光伏發(fā)電站最為常見，同時高達(dá)60MW的電站也已經(jīng)在運(yùn)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(fēng)機(jī)在發(fā)電側(cè)有一個boost特性的變換器，將變化的發(fā)電側(cè)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(yùn)行。與此相似，太陽能電池板向變換器提供和光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、負(fù)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(zhuǎn)換效率在所有參數(shù)中最為重要?，F(xiàn)在，電力電子在風(fēng)機(jī)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(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，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?yàn)樵谖磥?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(yīng)電機(jī)的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再流行。所有使用雙饋原理的風(fēng)機(jī)廠商正在發(fā)展基于直驅(qū)式和傳統(tǒng)四象限驅(qū)動的電機(jī)。

對于將兩個串行的電力電子變換器放置在一個直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)變換器的效率可以達(dá)到96%~97%.這個效率是發(fā)電機(jī)的輸出通過dV/dt濾波器、發(fā)電機(jī)側(cè)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(fēng)車不能夠停止工作，停止轉(zhuǎn)動。為此，所有的元器件都需要良好的性能，同時也需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，以使得當(dāng)一個器件出現(xiàn)故障時還能夠繼續(xù)運(yùn)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(dǎo)體芯片和開關(guān)模塊的并聯(lián)。

1.1 IGBT模塊并聯(lián)運(yùn)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(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

IGBT 的開關(guān)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(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)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(dāng)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(jìn)行電導(dǎo)調(diào)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(qū)動。每個IGBT模塊都有獨(dú)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(yùn)用在太陽能領(lǐng)域。

(2)幾個逆變器的相單元并聯(lián)，分別使用獨(dú)立的驅(qū)動。由于不同驅(qū)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(dú)立的驅(qū)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(qū)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(yùn)行，使用一個PWM控制器，需要額外控制并聯(lián)逆變器的負(fù)載電流分配。(復(fù)雜PWM控制)

(5)使用低延遲的主從驅(qū)動，可以驅(qū)動幾個并聯(lián)運(yùn)行的模塊。不需要添加額外的電感，而且當(dāng)一個半導(dǎo)體芯片損壞時，只會損壞一個開關(guān)模塊。

(6)帶有輸入或輸出端電流隔離的逆變器并聯(lián)運(yùn)行。其中每一個并聯(lián)支路都是一個標(biāo)準(zhǔn)的、獨(dú)立的、基礎(chǔ)的單元，有不同的PWM和獨(dú)立的控制器，如圖1.

在一些風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，發(fā)電機(jī)、整條驅(qū)動和中壓變壓器都被放在一個機(jī)艙中。這種情況下，機(jī)艙總重量會很大，但這卻是使得低壓發(fā)電機(jī)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(shè)計中，風(fēng)機(jī)的驅(qū)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(dá)到100m,這會帶來更高的損耗和成本。

標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)上基于硅技術(shù)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(jī)繞組，可以將獨(dú)立的驅(qū)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(fù)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(jī)繞組和獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)車是一種利用風(fēng)力驅(qū)動的帶有可調(diào)節(jié)的葉片或梯級橫木的輪子所產(chǎn)生的能量來運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置。古代的風(fēng)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(fēng)吹時像走馬燈似的繞軸轉(zhuǎn)動，叫走馬燈式的風(fēng)車。這種風(fēng)車因效率較低，已逐步為具有水平轉(zhuǎn)動軸的木質(zhì)布蓬風(fēng)車和其它風(fēng)車取代，如立式風(fēng)車、自動旋翼風(fēng)車等。風(fēng)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(jī)的農(nóng)場是由驅(qū)動發(fā)電機(jī)的大型風(fēng)車組構(gòu)成的。近代風(fēng)車主要用于發(fā)電，由丹麥人在19世紀(jì)末開始應(yīng)用，20世紀(jì)經(jīng)過不斷改進(jìn)趨于成熟，功率最大達(dá)到15MW.

發(fā)電機(jī)的一些要求，例如最小尺寸、脈動轉(zhuǎn)矩和短路轉(zhuǎn)矩，尤其對于低速直驅(qū)發(fā)電機(jī)，導(dǎo)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?yàn)槿嗄孀兤骱涂刂破鞫际且呀?jīng)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)化的。幾兆瓦發(fā)電機(jī)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?，F(xiàn)在中壓并網(wǎng)變換器開關(guān)頻率幾千赫茲，效率很低而且每千瓦的花費(fèi)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(yùn)行。

可再生能源電源的無功控制首先使用于風(fēng)機(jī)中，最近在光伏中開始運(yùn)用。它導(dǎo)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(zhuǎn)變成交流電(一般為220v50HZ正弦或方波)。應(yīng)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(zhuǎn)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(diào)、家庭影院、電動砂輪、電動工具、縫紉機(jī)、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機(jī)、抽油煙機(jī)、冰箱，錄像機(jī)、按摩器、風(fēng)扇、照明等 .高效率和節(jié)能是家電應(yīng)用中首要的問題。三相無刷直流電機(jī)因其效率高和尺寸小的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用在家電設(shè)備中以及很多其他應(yīng)用中。此外，由于采用了電子換向器代替機(jī)械換向裝置，三相無刷直流電機(jī)被認(rèn)為可靠性更高。

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

當(dāng)U1領(lǐng)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)