适用于风力发电机的可靠电力电子设计 - 全文

1 引言

　　在兆瓦级，大功率电力电子应用中需要大容量的半导体器件。然而，对于某些应用来说，即使是目前可以得到的最大半导体器件容量也不够大。因此需要将它们并联。在传统的电力电子电路中将半导体器件并联是非常普遍的。

　　现在讨论一种可能的方案：电力电子装配把包含IGBT和二极管的IGBT基本单元、散热器、直流环节电容、驱动器和保护电路、辅助电源和PWM控制器（一个独立单元）组装在一个三相逆变器中。这些单元可以并联，例如用于一台带永磁发电机的4象限驱动风力发电机和所展示的全功率4兆瓦变换器。

　　本文介绍一种在中压范围内得到更大风力发电功率的方法。该方法使用变速中压永磁发电机的线路接口连接，没有任何电压和功率限制，并且采用已经证明有效的半导体器件和组件。将基本电力电子单元串联以获得更高的电压，并联以获得更高的功率等级。

　　2 不同阻断电压下IGBT效率的对比

　　IGBT在电力电子电路中使用非常广泛。如今有各种电压等级的IGBT，广泛用于工业应用的1200V和1700V IGBT以及3.3kV、4.5kV和6.5kV的中压IGBT。那么哪种电压等级最适合大功率应用呢？当上述IGBT被放置在目前可得到的最大外壳中以制造逆变器时，可以找到这个问题的答案。当然，在最优工作条件下模拟可用功率更简单。

　　为了做到这一点，选用了最大的标准外壳（IHM，190mm宽）。IGBT都被封装在这个外壳中，并定义了最佳工作条件：直流运行电压Vdc、,交流输出电压Vac、载波开关频率3.6 kHz以及尽可能好的冷却条件。图1显示了基于给定参数而计算出的不同IGBT的可用功率。

　　结果显示，采用3.3 kV、1200 A独立模块得到的最大功率约为采用1.7 kV、2400 A IGBT所得功率的一半。相比之下，6.5 kV、600 A IGBT模块所提供的功率仅为1.7 kV IGBT的四分之一。产生这一结果的原因是IGBT模块的损耗。如果计算图2中三个变换器的效率，可以看到损耗比为1:2:4。

　　对于这个对比，我们使用了相同的载波开关频率fsw = 3.6kHz。这使得我们有机会采用相对较小的滤波器设计逆变器。使用不同的载波开关频率，将导致所用的输出正弦滤波器不同。基于上述种种原因，可以看出，采用1.7 kV IGBT可实现最大效率，它是一款单位模块价格非常合理的标准工业产品。 

　　不同阻断电压下IGBT效率的对比.

　　运行条件是：fsw = 3,6KHz、cosφ = 0.9，相同模块和冷却条件下三相逆变器的运行

　　1.7 kV IGBT封装在不同的模块外壳中。为了对比，我们可以采用最大的单管模块IHM 2.4kA、   1.7kV，将两个这样的模块和一个尺寸与长度相近的双管模块SKiiP1513GB172做比较。如果两个SKiiP在散热器上背靠背放置，则可得到一个电流是2 x 1.5kA = 3.0kA的半桥（外壳温度= 25 ℃时 ），或者电流为 2.25kA的半桥（外壳温度为70 ℃时）。

　　两个单管模块将提供一个2.4kA的半桥。比较计算的结果可以看到，与放置在最大外壳中的标准模块相比，采用SKiiP的方案可在整个开关频率范围内提供更高的输出电流。可用逆变器输出功率与开关频率的关系见图3。

　　如果采用了更强大的SKiiP模块，如使用氮化铝作为陶瓷基板的SKiiP 1.8kA, 1.7kV，可从三相逆变器获得更高的功率，即1800 kVA。

图4   配备了1800 kVA基本单元的示例

　　3 并联IGBT模块

　　以下方案对于IGBT模块的并联运行是可行的。

　　⑴　一台三相逆变器用于整个功率的提供，相脚是由许多并联的IGBT模块和一个强大的驱动器组成。每个IGBT模块必须有自己的栅极电阻与对称直流环节和交流输出连接。[1]

　　⑵  三相IGBT基本单元硬并联。

　　整个系统是通过一台控制器及其PWM信号控制。所有三相逆变器都连接到一个公共的直流环节电压。对于每个独立基本单元驱动器，采用驱动器并联板实现并联。驱动器工作时间小的变化（小于100ns ）是通过小的交流输出扼流圈进行补偿的（电感< 5 μH）。所有的三相逆变器同时运行，但存在小的时延，小时延可通过额外的交流扼流圈进行补偿。采用对称布局和IGBT饱和压降的正温度系数来保证适当的负载电流均衡。[2]

　　第2项所述的系统每个基本单元附带PWM信号的附加校正。并联基本单元的精确负载电流均衡是由附加PWM校正控制的。

　　将几个带同步PWM的单元并联运行，且用附加PWM控制消除循环电流。[3]

　　每个基本单元都使用电气负载隔离。各个基本单元都有自己的控制器，通过绝缘绕组给负载提供电力。PWM是独立的、非同步的、自由运行的信号，且每个基本单元都有自己单独的直流环节。在电网侧，每个基本单元有自己的正弦LC滤波器。假如输出也是电气隔离的，则不同直流环节间不存在循环电流。 这是将带有标准独立控制器的标准独立基本单元并联起来的最简单的方法。

一个基于发电机侧电气隔离的简单设计如图5所示 。三个并联的带分立电机绕组的独立4象限驱动器。该驱动器可以和一个或两个驱动器并联运行。

　　三个1500kVA 4Q驱动单元连接到永磁风力发电机单独的绕组上。每个4象限驱动器都是标准的，拥有自己的发电机侧和电网侧控制器。第四个控制器的目的是提供统一的发电机扭矩共享。万一运行过程中一个4象限驱动器出现了问题，其余驱动器的运行不会被中断。所描述的系统已应用于3.6MW风力发电机，该风力发电机拥有一台带有三个独立绕组的永磁发电机。该系统为最多达12个四象限驱动器并联而研制，可用于连接12台发电机或12个发电机绕组。[4]

　　4 基本单元的串联

　　风力发电机设计工程师需要将以下诸方面考虑到他们的设计中。

　　⑴ 大功率风力发电机；

　　⑵ 低损耗；

　　⑶ 变速；

　　⑷ 高效率；

　　⑸ 采用经验证有效的半导体元件；

　　⑹ 使用简单的线变压器，得到纯净的正弦波电流；

　　⑺ 线路功率因数良好且总谐波失真小；

　　⑻ 有功和无功功率控制；

　　⑼ 模块化设计，适合不同的功率和电压且安装快速； 

　　⑽ 可靠性高；

　　⑾ 最低的成本。

　　可选的最佳方案：中压发电机。 在未来的大功率风力发电机设计中，中压发电机是必不可少的。然而，中压硅片并不适用于此类应用。因此，正确的解决方案是将基本单元串联起来。例如：一台额定输出电压为6.3 kV的5MW风力发电机，输出电流为3 x 436 Arms。整流过的变速发电机电压为1kV～10 kV的直流电压。

　　这样变化的电压如何才能连入电网？每个风力发电机需要有自己的变压器用来与电网相连。电网的电压应在20kV-30kV范围，这应该是变压器的输出电压。

　　变压器可由几个三相绕组组成，这里用了10个，每个为3 x 690 V，作为输入电压。

　　5 基于单元的中压风力发电机

　　新型中压风力发电机的原理如图6所示。

　　每个三相绕组附带一个基本单元和一个600kVA的三相逆变器。第四个IGBT管脚可被连接到每个基本单元的前面，这种排列可被称为中压单元。所有单元都可如图6所示串联起来。如果第四管脚的IGBT开关是关断的，发电机的直流电流将对单元直流环节电压进行充电。单元电网侧三相逆变器放电，控制自己的直流环节电压。对于3 x 690V交流电压，直流环节电压将为1.05kV。10个串联的基本单元可以产生高达10 ×1.05 kV = 10.5kV的反电动势（EMF）。电压仍然与整流后的发电机电压保持平衡。如果发电机转速下降，发电机电压也会变低。因此，为控制整流后的直流电流，也是为控制发电机的转矩，不得不旁路掉部分单元。如果旁路掉5个单元，剩余的反电动势是5 ×1.05 kV = 5.25kV。旁路掉更多的单元会增加直流电流和发电机转矩。被旁路掉的单元可向电网提供全部的无功功率。如果某个单元失效，它也将被旁路掉。单元直流环节电压最大值是1.2 kV ，因此即使仅有9个单元串联也可承载高达9 ×1.2 kV = 10.8kV的整流后发电机电压。

　　6 带中压同步发电机的变速风力发电机

　　带中压同步发电机的变速风力发电机特点如下。

　　⑴ 发电机直流电压范围从0至Vdcmax;

　　⑵ 每单元直流电压1.05 kV（采用1.7 kV硅片）；

　　⑶ Vdc max. per cell = 1.2 kV；

　　⑷ 单元数量= Vdcmax/Vcell+1；

　　⑸ 单元功率：Pgenmax/单元数量；

　　⑹ 系统冗余 (+1)；

　　⑺ 单元导通时间在0%-100%之间变化；

　　⑻ 关断的单元可以产生全部的无功功率；

　　⑼ 不论功率高低，效率都高 ；

　　⑽ 线路测纹波频率 = Ncell × Fswcell；

　　⑾ 简单的网侧变压器。

　　7 结论

　　大功率应用使用多个IGBT模块。然而，使用更多的带独立控制的开关要好的多。例如，用几个并联或串联的单元而不是一个巨大的单个单元。