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)

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(yáng)能。新型風(fēng)機(jī)單臺(tái)的平均功率已經(jīng)超過(guò)了2MW,并且有5MW的投入使用。在過(guò)去幾年里，太陽(yáng)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(jiàn)，同時(shí)高達(dá)60MW的電站也已經(jīng)在運(yùn)行。兩者都需要通過(guò)逆變器連接到電網(wǎng)上，也都需要通過(guò)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(gè)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(yáng)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(guò)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(yáng)能電池中使用1200V硅元件(對(duì)于小功率單相電源使用600V)。通過(guò)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?lái)5到10年里，如果沒(méi)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(dòng)的電機(jī)。

對(duì)于將兩個(gè)串行的電力電子變換器放置在一個(gè)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(gè)效率是發(fā)電機(jī)的輸出通過(guò)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(jià)格和可靠性的需求決定。

可靠性也是一個(gè)很重要的因素。風(fēng)車(chē)不能夠停止工作，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。為此，所有的元器件都需要良好的性能，同時(shí)也需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使得當(dāng)一個(gè)器件出現(xiàn)故障時(shí)還能夠繼續(xù)運(yùn)行。對(duì)于幾個(gè)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(kāi)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(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)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(dòng)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(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)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(mén)極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(shí)，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(gè)單元，每相有很多個(gè)IGBT模塊并聯(lián)，它們共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)。每個(gè)IGBT模塊都有獨(dú)立的門(mén)極電阻和對(duì)稱(chēng)的DC和AC連接。作為一個(gè)成功的例子，SEMIKUBE IGBT模塊已經(jīng)運(yùn)用在太陽(yáng)能領(lǐng)域。

(2)幾個(gè)逆變器的相單元并聯(lián)，分別使用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)。由于不同驅(qū)動(dòng)的延時(shí)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(gè)模塊并聯(lián)，每個(gè)系統(tǒng)使用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)。對(duì)于更大的功率，需要將幾個(gè)三相逆變器并聯(lián)使用。由于不同驅(qū)動(dòng)延遲不同，依然需要AC輸出的扼流圈?？梢允褂靡粋€(gè)PWM信號(hào)和直流母線。

(4)三相逆變器并聯(lián)運(yùn)行，使用一個(gè)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(dòng)，可以驅(qū)動(dòng)幾個(gè)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(gè)半導(dǎo)體芯片損壞時(shí)，只會(huì)損壞一個(gè)開(kāi)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(gè)并聯(lián)支路都是一個(gè)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(dòng)和中壓變壓器都被放在一個(gè)機(jī)艙中。這種情況下，機(jī)艙總重量會(huì)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(jì)中，風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(huì)帶來(lái)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(duì)于1MW的三相逆變器必須并聯(lián)使用;現(xiàn)階段最大的單個(gè)三相逆變器為1.5 MW.因此對(duì)于幾個(gè)發(fā)電機(jī)繞組，可以將獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單的并聯(lián)。同時(shí)，其可靠性要高于將同樣數(shù)量的模塊經(jīng)過(guò)復(fù)雜并聯(lián)后組成一個(gè)更大功率的變換器(見(jiàn)圖1)。

圖1 有3個(gè)發(fā)電機(jī)繞組和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)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(chē)是一種利用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的帶有可調(diào)節(jié)的葉片或梯級(jí)橫木的輪子所產(chǎn)生的能量來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置。古代的風(fēng)車(chē)，是從船帆發(fā)展起來(lái)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(shí)像走馬燈似的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，叫走馬燈式的風(fēng)車(chē)。這種風(fēng)車(chē)因效率較低，已逐步為具有水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸的木質(zhì)布蓬風(fēng)車(chē)和其它風(fēng)車(chē)取代，如立式風(fēng)車(chē)、自動(dòng)旋翼風(fēng)車(chē)等。風(fēng)車(chē)在如今已很少用于磨碎谷物，但作為發(fā)電的一個(gè)手段正在獲得新生。裝有發(fā)電渦輪機(jī)的農(nóng)場(chǎng)是由驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的大型風(fēng)車(chē)組構(gòu)成的。近代風(fēng)車(chē)主要用于發(fā)電，由丹麥人在19世紀(jì)末開(kāi)始應(yīng)用，20世紀(jì)經(jīng)過(guò)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(dòng)轉(zhuǎn)矩和短路轉(zhuǎn)矩，尤其對(duì)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(duì)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(kāi)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(wú)功功率控制

可再生能源電源還有以下要求：有功控制，無(wú)功控制，低電壓穿越以及不經(jīng)常提到的非對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)電壓運(yùn)行。

可再生能源電源的無(wú)功控制首先使用于風(fēng)機(jī)中，最近在光伏中開(kāi)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(dòng)砂輪、電動(dòng)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(wèn)題。三相無(wú)刷直流電機(jī)因其效率高和尺寸小的優(yōu)勢(shì)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(wú)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(dòng)控制通過(guò)調(diào)整相移角δ實(shí)現(xiàn)，它是電源電壓U1和對(duì)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(shí)，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(jiàn)公式(1)。

(1)