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

摘要：詳細介紹了賽米控大功率三相逆變器平臺Semistack在風力發(fā)電和太陽能光伏發(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

可再生能源市場正從全球金融危機中強勁反彈。先前延誤或停工的項目已重新啟動，許多新項目正在實施。這一高潮有力地掀起了整個供應(yīng)鏈對可再生能源系統(tǒng)組件的需求，包括風力發(fā)電和光伏逆變器。

全球風能理事會（GWEC）預(yù)測未來4年總裝機容量的年均增長率為20.9％。這將使得到2014年風電總裝機容量增加一倍以上，超過400GW。亞洲地區(qū)的增長前景尤其強烈，其中中國是2009年世界最大的風力發(fā)電市場，如今他們風力發(fā)電能力的累計基礎(chǔ)僅次于美國，位居第二。

同樣，對于光伏發(fā)電，2010年預(yù)計到了40%的累計光伏裝機容量的強勁增長。德國是最大的市場，而南歐、美國和亞洲的新市場也看到了良好的增長- 尤其是在亞洲，如果中國政府批準其國內(nèi)光伏增長刺激計劃，預(yù)計該計劃設(shè)定到2020年實現(xiàn)30GW的裝機目標。

2 逆變器拓撲趨勢

賽米控方案解決中心在2010年直接目睹了該效應(yīng)，標準可再生能源逆變器的訂單量增長驚人，超過300％，并且對新項目的開發(fā)有濃厚的興趣。

賽米控方案解決中心在電力電子行業(yè)是獨一無二的，因為它是惟一專注于電力電子組件和平臺設(shè)計與制造的公司。賽米控及其各子公司將半導(dǎo)體、驅(qū)動器和其它主要器件集成為電力電子組件已超過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個方案解決中心，每大洲1個，其關(guān)鍵策略是直接為當?shù)厥袌鲋圃祀娏﹄娮悠脚_，提供解決方案和技術(shù)支持。

對于逆變器來說，清晰的功率拓撲結(jié)構(gòu)趨勢正在出現(xiàn)。其中，在風電行業(yè)，新的開發(fā)重點是使用全功率逆變器的永磁同步電機（SG）。該配置能夠提供更高的整體效率，可用風速范圍更廣，并且使逆變器能夠適應(yīng)有關(guān)發(fā)電設(shè)備對電網(wǎng)干擾行為的新規(guī)定。

額定功率已經(jīng)統(tǒng)一，對于陸上系統(tǒng)，新項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（DFIG）和SG應(yīng)用，風冷或水冷，功率最低點為1.5MW。海上應(yīng)用的功率穩(wěn)定在（5-6）MW，一些試點應(yīng)用超過了這個級別。雖然對于海上系統(tǒng)轉(zhuǎn)向中壓（MV）是一個明確的趨勢，但是許多新項目發(fā)展繼續(xù)使用并聯(lián)的低壓（LV）逆變器。

在太陽能應(yīng)用中，電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)的功率技術(shù)趨勢通常為每逆變器達500kW，一些正在進行的新項目達到1MW以上。

風電和太陽能市場的成熟度加上強大的市場復(fù)蘇，給逆變器供應(yīng)商帶來越來越大的壓力，要提供已通過資格預(yù)審的、低技術(shù)風險并且足夠靈活地被用于某個額定功率范圍的現(xiàn)成標準逆變器。上市時間已成為主要的驅(qū)動力，用于可再生能源的逆變器已成為商品項目。

3 靈活的平臺（450 kW ~2.5 MW以上）

現(xiàn)在有了一個新的逆變器平臺，可以使系統(tǒng)集成商隨時獲得1個易于使用的多功能變頻器，以滿足市場需求。用于可再生能源的Semistack是一個大功率三相逆變器的平臺，它使用集成了散熱器的SKiiP智能功率模塊（IPM）、電源模塊、驅(qū)動和保護傳感器/功能，并為可再生能源應(yīng)用進行了優(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250MW的全功率系統(tǒng)，如那些用在SG風力發(fā)電應(yīng)用中的系統(tǒng)。

逆變器的基本配置，包括3個垂直機械安裝的半橋相位單元。每個相位單元包含1個SKiiP IPM和冷卻板或散熱器，帶有長壽命聚丙烯電容器的直流母線，交流連接和緩沖器。單獨的相位單元通過1個低電感直流耦合連接在一起，并安裝在1個堅固的機械框架內(nèi)。可通過直流母線將該逆變器組連接起來，實現(xiàn)1個完整的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平臺包含三個模塊化半橋（GB）相位單元

現(xiàn)有風冷和水冷兩個版本可提供。兩個版本都使用相同的整體機械結(jié)構(gòu)進行配置。用戶可在2個解決方案中進行選擇，1個是通常用于太陽能應(yīng)用及低功率雙饋風力發(fā)電應(yīng)用的簡單風冷解決方案，另1個是通常用于較大SG風力發(fā)電應(yīng)用的更大功率的水冷解決方案。

圖2 使用水冷機箱實現(xiàn)最大的功率密度

對于可再生能源，Semistack的多功能性體現(xiàn)在以下應(yīng)用的實現(xiàn)中。通過將2臺風冷Semistack逆變器組合成一個4象限配置，可以很容易地組成一個典型的1.5MW雙饋系統(tǒng)。完整的逆變器可被裝入600mm寬的機柜中，高度僅為1200mm，使得整個組件可被裝入標準的2000mm機柜，并保留空間給其他設(shè)備。

圖3小巧的4Q 1.5MW風冷雙饋配置節(jié)省機柜空間

同樣，兩臺帶有4托架SKiiP的水冷逆變器可以以同樣的方式進行組合，來配置一個高達1.5MW的全功率4象限SG應(yīng)用。

水冷版本有兩種機箱尺寸可供選擇，采用水冷版本可以實現(xiàn)更大的額定功率。較大的 4/3機箱可容納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SKiiP模塊進行優(yōu)化，因為對發(fā)電機側(cè)逆變器的要求比電網(wǎng)側(cè)的往往更嚴格。4/3機箱可容納2臺逆變器并聯(lián)的1.5MW或2.5MW全功率應(yīng)用。Semistack擁有10kVA/升的功率密度，與其最接近的競爭對手相比，至少有20％的優(yōu)勢。較小的3/2機箱采用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，以及大功率的太陽能系統(tǒng)。每個逆變器只需2個冷卻回路水接頭，因為內(nèi)部并聯(lián)了獨立的冷卻板以避免熱堆積。用于出口和入口的2個快速連接器位于每個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箱： 4/3機箱和3/2機箱

4 功能設(shè)計

由于用在可再生能源的Semistack平臺的功能設(shè)計，通過1個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，通過使用另一種Semistack組件，可以添加1個制動斬波器。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。作為標準配置，提供1個簡單的交流母線，以便于逆變器組件前部的電纜連接，或選購交流母線工具包，用于定位到每個逆變器組件底部的AC連接。

圖 5 2.5MW 4Q SG配置

用于可再生能源的Semistack平臺可以很容易地結(jié)合在一起，形成4個象限、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是目前市場上功率最大的IPM，并且是風力發(fā)電市場中使用最為廣泛的大功率模塊。如今，全球風力發(fā)電機組中有超過57GW是由賽米控的設(shè)備驅(qū)動的。因此，選擇用于可再生能源的Semistack對于風力發(fā)電應(yīng)用來說很自然。

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是一個明確定義或認定的標準產(chǎn)品或系列標準產(chǎn)品。用于可再生能源的Semistack，像其它方案解決中心平臺一樣，經(jīng)過嚴格的資格審查程序。在這一過程中，Semistack按照國際和內(nèi)部標準進行一系列嚴格的測試，包括電、熱、熱循環(huán)、環(huán)境及沖擊和振動。

此外，每個SKiiP IPM在其生產(chǎn)過程中經(jīng)過完全測試。在生產(chǎn)過程中，每個完全組裝的Semistack都會經(jīng)歷包括隔離、運行負載測試和短路測試的一整套測試。另外，對于要求更為嚴格的客戶，有一個可選的燒機測試可供選擇。對于連接電網(wǎng)的高價值發(fā)電設(shè)備來說，在長時間的使用中，可以最大限度地確保魯棒性和可靠性。

6 對于可再生能源市場的好處

逆變器系統(tǒng)供應(yīng)商可從能夠外包一個用于可再生能源的Semistack標準產(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，無需在設(shè)計和制造資源方面進行昂貴的投資，并可以最小化技術(shù)風險。Semistack產(chǎn)品系列的靈活性和功能設(shè)計為供應(yīng)鏈增加了另一個維度，使系統(tǒng)供應(yīng)商可以滿足當今市場普遍存在的商品面市時間短的需求。

用于可再生能源的Semistack也不會過時，因為它兼容下一代SKiiP IPM。Semistack已準備好在利用新的第4代SKiiP技術(shù)優(yōu)勢，第4代SKiiP功率密度更高并且采用了新的數(shù)字驅(qū)動器。

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

作者簡介

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