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

交流電源功率因數(shù)可以通過(guò)控制Vs1的幅值來(lái)調(diào)節(jié)。每相等效電路和功率因數(shù)超前、滯后以及單位功率因數(shù)時(shí)的運(yùn)行如圖2所示。通過(guò)相圖可以看到，當(dāng)功率因數(shù)為1時(shí)，Vs1滿足

圖2 并網(wǎng)逆變器每相等效電路，單位功率因數(shù)以及超前和滯后功率因數(shù)的相圖

2新型設(shè)計(jì)方案

2.1大功率風(fēng)機(jī)逆變器單元串聯(lián)

風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中采用基于獨(dú)立發(fā)電機(jī)繞組的直驅(qū)式變換器有很多優(yōu)勢(shì)，但也有一個(gè)大缺陷。在發(fā)電機(jī)和變換器之間需要更多電纜--三套三相繞組設(shè)備。為此所有變換器需要放置在機(jī)艙中靠近發(fā)電機(jī)的地方。對(duì)于大功率低電壓的情況，發(fā)電機(jī)電流遠(yuǎn)大于1500A.一個(gè)很好的方法是使用中壓同步發(fā)電機(jī)并且只用一個(gè)二極管整流器。然而，在這種情況下，直流母線電壓變化很大(1:2)，并且需要中壓的硅器件。風(fēng)機(jī)需要在最小的旋轉(zhuǎn)速度和最小的直流電壓下都可以產(chǎn)生電能。例如對(duì)于1000V直流電，輸出到中壓變壓器上的電壓相對(duì)較小，為660V.與此同時(shí)，直流母線電壓可能超過(guò)2kV.

對(duì)于并網(wǎng)逆變器，一種合理的解決方案是將逆變器串聯(lián)，這樣可以對(duì)可變的發(fā)電機(jī)整流電壓進(jìn)行分壓。這些并網(wǎng)逆變器接到中壓變壓器的初級(jí)繞組上，獨(dú)立的維持其直流母線電壓。對(duì)于更低的發(fā)電機(jī)電壓，其中一些單元必須旁路掉，使得單元總的等效電壓減小并對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)電壓。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求實(shí)際上是對(duì)發(fā)電機(jī)電流的要求;因此可以將其與真實(shí)的直流電流比較。如果需要的轉(zhuǎn)矩比實(shí)際的直流電流大，則旁路的時(shí)間總和更大，更多的單元需要被旁路掉，這樣等效反電勢(shì)減小，直流電流增大。

每一個(gè)使用的并網(wǎng)逆變器控制并保持輸入直流電壓恒定，例如1000V,它們都連接到變壓器的初級(jí)繞組上。如果直流電壓高于一個(gè)設(shè)定值，放電電流增大。并網(wǎng)逆變器可以是單相和三相單元。單相單元只有一個(gè)變壓器繞組。發(fā)電機(jī)發(fā)出的中壓電經(jīng)過(guò)整流，例如十幾千伏，供電給串聯(lián)起來(lái)的這種逆變器單元。其中一些單元有輸入旁路開(kāi)關(guān)，可以對(duì)直流母線進(jìn)行控制。另一些則沒(méi)有旁路開(kāi)關(guān)，它們總是串聯(lián)著，其電壓之和對(duì)應(yīng)于最小的發(fā)電機(jī)電壓。

這里給出一個(gè)兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)換方案，包括中壓同步發(fā)電機(jī)、機(jī)艙中的二極管整流器、高效的中壓直流電壓傳輸裝置、線端中壓逆變器和高壓并網(wǎng)變壓器(見(jiàn)圖3)。使用幾個(gè)單元對(duì)變化的發(fā)電機(jī)輸出電壓分壓。每個(gè)單元有一個(gè)三相或者單相的并網(wǎng)逆變器，分隔變壓器繞組和直流母線電容。中壓發(fā)電機(jī)的電流對(duì)直流母線充電并輸入功率，變換器將能量輸出。因此，直流母線電壓要保持恒定，因?yàn)樗鼪Q定了直流母線對(duì)電網(wǎng)的放電電流。單元輸入處為一個(gè)半橋配置，例如經(jīng)典的升壓變換器，但它只當(dāng)作旁路開(kāi)關(guān)使用。如果發(fā)電機(jī)電壓低于串聯(lián)單元的電壓之和，發(fā)電機(jī)的電流應(yīng)該減小。為此，更多的單元需要被旁路，減小串聯(lián)單元的數(shù)目，增加發(fā)電機(jī)電流。

圖3 中壓發(fā)電機(jī)和由幾個(gè)單元串聯(lián)構(gòu)成的中壓并網(wǎng)逆變器

2.2光伏應(yīng)用

光伏(PV or photovoltaic)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)(photovoltaic power system)的簡(jiǎn)稱。是一種利用太陽(yáng)電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種方式。光伏板組件是一種暴露在陽(yáng)光下便會(huì)產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導(dǎo)體物料(例如硅)制成的薄身固體光伏電池組成。由于沒(méi)有活動(dòng)的部分，故可以長(zhǎng)時(shí)間操作而不會(huì)導(dǎo)致任何損耗。簡(jiǎn)單的光伏電池可為手表及計(jì)算機(jī)提供能源，較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)可為房屋提供照明，并為電網(wǎng)供電。 光伏板組件可以制成不同形狀，而組件又可連接，以產(chǎn)生更多電力。近年，天臺(tái)及建筑物表面均會(huì)使用光伏板組件，甚至被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分，這些光伏設(shè)施通常被稱為附設(shè)于建筑物的光伏系統(tǒng)。

光伏應(yīng)用中一般只有一個(gè)電力電子并網(wǎng)逆變器(GTI)。GTI的交流輸出電壓和最小直流輸入電壓成正比，該最小直流輸入電壓是和最小光照成正比的啟動(dòng)光伏電壓。如果選擇的交流輸出電壓越低，則額定功率對(duì)應(yīng)的電流越高，然而啟動(dòng)電壓會(huì)越低。為此需要對(duì)交流輸出電壓做一個(gè)折衷：一些產(chǎn)品使用3×270V,另一些使用3×328V.

當(dāng)光伏電壓/輸出交流電壓較低時(shí)，可以利用很小的能量，當(dāng)交流輸出電壓設(shè)計(jì)得較高則無(wú)法利用這部分能量。在光伏應(yīng)用中，GTI只工作在約1/2額定輸出電壓下。1200 V硅器件是一個(gè)發(fā)展，它使得輸入輸出交流電壓可以達(dá)到480V,而現(xiàn)在的光伏應(yīng)用中通常使用270V到330V.這樣運(yùn)行效率更低，因?yàn)槠渑c調(diào)制比M,即Vac與Vdc的比值，密切相關(guān)。對(duì)于400Vac/650Vdc或者480 Vac/800Vdc,效率很接近而且都大于現(xiàn)在使用的270Vac/(500…900 Vdc)(見(jiàn)圖4)。

圖4 不同功率下GTI的效率;Fsw=5kHz