經(jīng)過(guò)優(yōu)化的用于可再生能源系統(tǒng)的大功率逆變器

摘要：詳細(xì)介紹了賽米控大功率三相逆變器平臺(tái)Semistack在風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用。 敘詞：可再生能源 逆變器 Semistack Abstract：This article introduces the application of Semistack, a high-power three-phase inverter platform by Semikron in wind power generation and photovoltaic power generation. Keyword：Renewable energy, Inverter, Semistack
1 前言

可再生能源市場(chǎng)正從全球金融危機(jī)中強(qiáng)勁反彈。先前延誤或停工的項(xiàng)目已重新啟動(dòng)，許多新項(xiàng)目正在實(shí)施。這一高潮有力地掀起了整個(gè)供應(yīng)鏈對(duì)可再生能源系統(tǒng)組件的需求，包括風(fēng)力發(fā)電和光伏逆變器。

全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）預(yù)測(cè)未來(lái)4年總裝機(jī)容量的年均增長(zhǎng)率為20.9％。這將使得到2014年風(fēng)電總裝機(jī)容量增加一倍以上，超過(guò)400GW。亞洲地區(qū)的增長(zhǎng)前景尤其強(qiáng)烈，其中中國(guó)是2009年世界最大的風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)，如今他們風(fēng)力發(fā)電能力的累計(jì)基礎(chǔ)僅次于美國(guó)，位居第二。

同樣，對(duì)于光伏發(fā)電，2010年預(yù)計(jì)到了40%的累計(jì)光伏裝機(jī)容量的強(qiáng)勁增長(zhǎng)。德國(guó)是最大的市場(chǎng)，而南歐、美國(guó)和亞洲的新市場(chǎng)也看到了良好的增長(zhǎng)- 尤其是在亞洲，如果中國(guó)政府批準(zhǔn)其國(guó)內(nèi)光伏增長(zhǎng)刺激計(jì)劃，預(yù)計(jì)該計(jì)劃設(shè)定到2020年實(shí)現(xiàn)30GW的裝機(jī)目標(biāo)。

2 逆變器拓?fù)溱厔?shì)

賽米控方案解決中心在2010年直接目睹了該效應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)可再生能源逆變器的訂單量增長(zhǎng)驚人，超過(guò)300％，并且對(duì)新項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)有濃厚的興趣。

賽米控方案解決中心在電力電子行業(yè)是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗俏┮粚?zhuān)注于電力電子組件和平臺(tái)設(shè)計(jì)與制造的公司。賽米控及其各子公司將半導(dǎo)體、驅(qū)動(dòng)器和其它主要器件集成為電力電子組件已超過(guò)50年。2003年，賽米控將這些子公司合并，組建了賽米控方案解決中心組，目前包括8個(gè)方案解決中心，每大洲1個(gè)，其關(guān)鍵策略是直接為當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)制造電力電子平臺(tái)，提供解決方案和技術(shù)支持。

對(duì)于逆變器來(lái)說(shuō)，清晰的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)趨勢(shì)正在出現(xiàn)。其中，在風(fēng)電行業(yè)，新的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是使用全功率逆變器的永磁同步電機(jī)（SG）。該配置能夠提供更高的整體效率，可用風(fēng)速范圍更廣，并且使逆變器能夠適應(yīng)有關(guān)發(fā)電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)干擾行為的新規(guī)定。

額定功率已經(jīng)統(tǒng)一，對(duì)于陸上系統(tǒng)，新項(xiàng)目的典型額定功率在2MW和3MW之間，主要使用水冷式逆變器，采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）和SG應(yīng)用，風(fēng)冷或水冷，功率最低點(diǎn)為1.5MW。海上應(yīng)用的功率穩(wěn)定在（5-6）MW，一些試點(diǎn)應(yīng)用超過(guò)了這個(gè)級(jí)別。雖然對(duì)于海上系統(tǒng)轉(zhuǎn)向中壓（MV）是一個(gè)明確的趨勢(shì)，但是許多新項(xiàng)目發(fā)展繼續(xù)使用并聯(lián)的低壓（LV）逆變器。

在太陽(yáng)能應(yīng)用中，電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)的功率技術(shù)趨勢(shì)通常為每逆變器達(dá)500kW，一些正在進(jìn)行的新項(xiàng)目達(dá)到1MW以上。

風(fēng)電和太陽(yáng)能市場(chǎng)的成熟度加上強(qiáng)大的市場(chǎng)復(fù)蘇，給逆變器供應(yīng)商帶來(lái)越來(lái)越大的壓力，要提供已通過(guò)資格預(yù)審的、低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)并且足夠靈活地被用于某個(gè)額定功率范圍的現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)逆變器。上市時(shí)間已成為主要的驅(qū)動(dòng)力，用于可再生能源的逆變器已成為商品項(xiàng)目。

3 靈活的平臺(tái)（450 kW ~2.5 MW以上）

現(xiàn)在有了一個(gè)新的逆變器平臺(tái)，可以使系統(tǒng)集成商隨時(shí)獲得1個(gè)易于使用的多功能變頻器，以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。用于可再生能源的Semistack是一個(gè)大功率三相逆變器的平臺(tái)，它使用集成了散熱器的SKiiP智能功率模塊（IPM）、電源模塊、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)傳感器/功能，并為可再生能源應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。模塊化的結(jié)構(gòu)，SKiiP IPM額定功率有多種選擇，可選風(fēng)冷或水冷以及能夠?qū)⒛孀兤鞑⒙?lián)連接，使其可用于廣泛的應(yīng)用中，從約450kW到超過(guò)250MW的全功率系統(tǒng)，如那些用在SG風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中的系統(tǒng)。

逆變器的基本配置，包括3個(gè)垂直機(jī)械安裝的半橋相位單元。每個(gè)相位單元包含1個(gè)SKiiP IPM和冷卻板或散熱器，帶有長(zhǎng)壽命聚丙烯電容器的直流母線，交流連接和緩沖器。單獨(dú)的相位單元通過(guò)1個(gè)低電感直流耦合連接在一起，并安裝在1個(gè)堅(jiān)固的機(jī)械框架內(nèi)?？赏ㄟ^(guò)直流母線將該逆變器組連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)1個(gè)完整的4象限變換器，或者將逆變器并聯(lián)以獲得更大的額定功率。

圖1用于可再生能源的Semistack平臺(tái)包含三個(gè)模塊化半橋（GB）相位單元

現(xiàn)有風(fēng)冷和水冷兩個(gè)版本可提供。兩個(gè)版本都使用相同的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置。用戶(hù)可在2個(gè)解決方案中進(jìn)行選擇，1個(gè)是通常用于太陽(yáng)能應(yīng)用及低功率雙饋風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的簡(jiǎn)單風(fēng)冷解決方案，另1個(gè)是通常用于較大SG風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的更大功率的水冷解決方案。

圖2 使用水冷機(jī)箱實(shí)現(xiàn)最大的功率密度

對(duì)于可再生能源，Semistack的多功能性體現(xiàn)在以下應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)中。通過(guò)將2臺(tái)風(fēng)冷Semistack逆變器組合成一個(gè)4象限配置，可以很容易地組成一個(gè)典型的1.5MW雙饋系統(tǒng)。完整的逆變器可被裝入600mm寬的機(jī)柜中，高度僅為1200mm，使得整個(gè)組件可被裝入標(biāo)準(zhǔn)的2000mm機(jī)柜，并保留空間給其他設(shè)備。

圖3小巧的4Q 1.5MW風(fēng)冷雙饋配置節(jié)省機(jī)柜空間

同樣，兩臺(tái)帶有4托架SKiiP的水冷逆變器可以以同樣的方式進(jìn)行組合，來(lái)配置一個(gè)高達(dá)1.5MW的全功率4象限SG應(yīng)用。

水冷版本有兩種機(jī)箱尺寸可供選擇，采用水冷版本可以實(shí)現(xiàn)更大的額定功率。較大的 4/3機(jī)箱可容納4托架或3托架SKiiP IPM。在四象限配置中，有可能將4托架和3托架組件組合在一起。這允許對(duì)SKiiP模塊進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)閷?duì)發(fā)電機(jī)側(cè)逆變器的要求比電網(wǎng)側(cè)的往往更嚴(yán)格。4/3機(jī)箱可容納2臺(tái)逆變器并聯(lián)的1.5MW或2.5MW全功率應(yīng)用。Semistack擁有10kVA/升的功率密度，與其最接近的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，至少有20％的優(yōu)勢(shì)。較小的3/2機(jī)箱采用3托架和2托架SKiiP，用于較低功率的需求，通常用于逆變器額定功率為約是系統(tǒng)功率30%的DFIG系統(tǒng)中，以及大功率的太陽(yáng)能系統(tǒng)。每個(gè)逆變器只需2個(gè)冷卻回路水接頭，因?yàn)閮?nèi)部并聯(lián)了獨(dú)立的冷卻板以避免熱堆積。用于出口和入口的2個(gè)快速連接器位于每個(gè)逆變器的底部以方便與外部冷卻系統(tǒng)的連接。

圖4水冷版本提供了兩種機(jī)箱： 4/3機(jī)箱和3/2機(jī)箱

4 功能設(shè)計(jì)

由于用在可再生能源的Semistack平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)，通過(guò)1個(gè)在組件之間耦合連接的低電感母線，組件可以在直流母線處很容易地連接在一起。這使得配置4象限應(yīng)用以及并聯(lián)逆變器，以獲取更大功率變得容易了。此外，通過(guò)使用另一種Semistack組件，可以添加1個(gè)制動(dòng)斬波器。這種靈活性使得系統(tǒng)集成商可以輕松地使用相同的組件構(gòu)建一系列不同額定功率的產(chǎn)品。作為標(biāo)準(zhǔn)配置，提供1個(gè)簡(jiǎn)單的交流母線，以便于逆變器組件前部的電纜連接，或選購(gòu)交流母線工具包，用于定位到每個(gè)逆變器組件底部的AC連接。

圖 5 2.5MW 4Q SG配置

用于可再生能源的Semistack平臺(tái)可以很容易地結(jié)合在一起，形成4個(gè)象限、更高功率的配置，如圖5所示的2.5MW 4Q SG配置。

Semistack的核心是SKiiP3智能功率模塊。SKiiP是目前市場(chǎng)上功率最大的IPM，并且是風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)中使用最為廣泛的大功率模塊。如今，全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中有超過(guò)57GW是由賽米控的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的。因此，選擇用于可再生能源的Semistack對(duì)于風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用來(lái)說(shuō)很自然。

圖6用于可再生能源的Semistack模塊的核心是SKiiP智能功率模塊

5 產(chǎn)品完全合格

根據(jù)定義，賽米控方案解決中心平臺(tái)是一個(gè)明確定義或認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品或系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。用于可再生能源的Semistack，像其它方案解決中心平臺(tái)一樣，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的資格審查程序。在這一過(guò)程中，Semistack按照國(guó)際和內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一系列嚴(yán)格的測(cè)試，包括電、熱、熱循環(huán)、環(huán)境及沖擊和振動(dòng)。

此外，每個(gè)SKiiP IPM在其生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)完全測(cè)試。在生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)完全組裝的Semistack都會(huì)經(jīng)歷包括隔離、運(yùn)行負(fù)載測(cè)試和短路測(cè)試的一整套測(cè)試。另外，對(duì)于要求更為嚴(yán)格的客戶(hù)，有一個(gè)可選的燒機(jī)測(cè)試可供選擇。對(duì)于連接電網(wǎng)的高價(jià)值發(fā)電設(shè)備來(lái)說(shuō)，在長(zhǎng)時(shí)間的使用中，可以最大限度地確保魯棒性和可靠性。

6 對(duì)于可再生能源市場(chǎng)的好處

逆變器系統(tǒng)供應(yīng)商可從能夠外包一個(gè)用于可再生能源的Semistack標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中獲益。系統(tǒng)供應(yīng)商現(xiàn)在可以自由地選擇合格的型號(hào)，無(wú)需在設(shè)計(jì)和制造資源方面進(jìn)行昂貴的投資，并可以最小化技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。Semistack產(chǎn)品系列的靈活性和功能設(shè)計(jì)為供應(yīng)鏈增加了另一個(gè)維度，使系統(tǒng)供應(yīng)商可以滿(mǎn)足當(dāng)今市場(chǎng)普遍存在的商品面市時(shí)間短的需求。

用于可再生能源的Semistack也不會(huì)過(guò)時(shí)，因?yàn)樗嫒菹乱淮鶶KiiP IPM。Semistack已準(zhǔn)備好在利用新的第4代SKiiP技術(shù)優(yōu)勢(shì)，第4代SKiiP功率密度更高并且采用了新的數(shù)字驅(qū)動(dòng)器。

產(chǎn)品規(guī)格

1代： gen. side1100Vdc / 690Vac/ 620A/ sw/fr 2kHz / fmin.3Hz / Cos phi 0,7/ 50C°;

grid side 690Vac / 480A/ sw/fr 2kHz / 50Hz / Cos phi -1/ 50°C

2 代： gen.side 1100Vdc / 690Vac /1300A / sw/fr 2kHz / fmin 3HZ/ Cos phi 0,95/ 40°C/12l/min; grid side 1100Vdc / 690Vac /1250A / sw/fr 2kHz / 50Hz/ Cos phi -1/ 40°C/12l/min

3代： gen.side 1100Vdc / 690Vac /2300A / sw/fr 2kHz / fmin 3Hz/ Cos phi 0,95/ 50°C; grid side 1100Vdc / 690Vac /2520A / sw/fr 2kHz / 50Hz/ Cos phi -1/ 50°C

作者簡(jiǎn)介

Alan Tims, 賽米控，Solutions Business Development Manager Asia■