適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠電力電子器件

    1 引言

　在兆瓦級(jí)，大功率電力電子應(yīng)用中需要大容量的半導(dǎo)體器件。然而，對(duì)于某些應(yīng)用來說，即使是目前可以得到的最大半導(dǎo)體器件容量也不夠大。因此需要將它們并聯(lián)。在傳統(tǒng)的電力電子電路中將半導(dǎo)體器件并聯(lián)是非常普遍的。

　現(xiàn)在討論一種可能的方案：電力電子裝配把包含IGBT和二極管的IGBT基本單元、散熱器、直流環(huán)節(jié)電容、驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路、輔助電源和PWM控制器（一個(gè)獨(dú)立單元）組裝在一個(gè)三相逆變器中。這些單元可以并聯(lián)，例如用于一臺(tái)帶永磁發(fā)電機(jī)的4象限驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和所展示的全功率4兆瓦變換器。

　本文介紹一種在中壓范圍內(nèi)得到更大風(fēng)力發(fā)電功率的方法。該方法使用變速中壓永磁發(fā)電機(jī)的線路接口連接，沒有任何電壓和功率限制，并且采用已經(jīng)證明有效的半導(dǎo)體器件和組件。將基本電力電子單元串聯(lián)以獲得更高的電壓，并聯(lián)以獲得更高的功率等級(jí)。

　2 不同阻斷電壓下IGBT效率的對(duì)比

　IGBT在電力電子電路中使用非常廣泛。如今有各種電壓等級(jí)的IGBT，廣泛用于工業(yè)應(yīng)用的1200V和1700V IGBT以及3.3kV、4.5kV和6.5kV的中壓IGBT。那么哪種電壓等級(jí)最適合大功率應(yīng)用呢？當(dāng)上述IGBT被放置在目前可得到的最大外殼中以制造逆變器時(shí)，可以找到這個(gè)問題的答案。當(dāng)然，在最優(yōu)工作條件下模擬可用功率更簡(jiǎn)單。

　為了做到這一點(diǎn)，選用了最大的標(biāo)準(zhǔn)外殼（IHM，190mm寬）。IGBT都被封裝在這個(gè)外殼中，并定義了最佳工作條件：直流運(yùn)行電壓Vdc、,交流輸出電壓Vac、載波開關(guān)頻率3.6 kHz以及盡可能好的冷卻條件。圖1顯示了基于給定參數(shù)而計(jì)算出的不同IGBT的可用功率。

　結(jié)果顯示，采用3.3 kV、1200 A獨(dú)立模塊得到的最大功率約為采用1.7 kV、2400 A IGBT所得功率的一半。相比之下，6.5 kV、600 A IGBT模塊所提供的功率僅為1.7 kV IGBT的四分之一。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是IGBT模塊的損耗。如果計(jì)算圖2中三個(gè)變換器的效率，可以看到損耗比為1:2:4。

　對(duì)于這個(gè)對(duì)比，我們使用了相同的載波開關(guān)頻率fsw = 3.6kHz。這使得我們有機(jī)會(huì)采用相對(duì)較小的濾波器設(shè)計(jì)逆變器。使用不同的載波開關(guān)頻率，將導(dǎo)致所用的輸出正弦濾波器不同。基于上述種種原因，可以看出，采用1.7 kV IGBT可實(shí)現(xiàn)最大效率，它是一款單位模塊價(jià)格非常合理的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)產(chǎn)品。 

　不同阻斷電壓下IGBT效率的對(duì)比

　運(yùn)行條件是：fsw = 3,6KHz、cosφ = 0.9，相同模塊和冷卻條件下三相逆變器的運(yùn)行

　1.7 kV IGBT封裝在不同的模塊外殼中。為了對(duì)比，我們可以采用最大的單管模塊IHM 2.4kA、   1.7kV，將兩個(gè)這樣的模塊和一個(gè)尺寸與長(zhǎng)度相近的雙管模塊SKiiP1513GB172做比較。如果兩個(gè)SKiiP在散熱器上背靠背放置，則可得到一個(gè)電流是2 x 1.5kA = 3.0kA的半橋（外殼溫度= 25 ℃時(shí) ），或者電流為 2.25kA的半橋（外殼溫度為70 ℃時(shí)）。

　兩個(gè)單管模塊將提供一個(gè)2.4kA的半橋。比較計(jì)算的結(jié)果可以看到，與放置在最大外殼中的標(biāo)準(zhǔn)模塊相比，采用SKiiP的方案可在整個(gè)開關(guān)頻率范圍內(nèi)提供更高的輸出電流。可用逆變器輸出功率與開關(guān)頻率的關(guān)系見圖3。

　如果采用了更強(qiáng)大的SKiiP模塊，如使用氮化鋁作為陶瓷基板的SKiiP 1.8kA, 1.7kV，可從三相逆變器獲得更高的功率，即1800 kVA。

圖4   配備了1800 kVA基本單元的示例

　3 并聯(lián)IGBT模塊

　以下方案對(duì)于IGBT模塊的并聯(lián)運(yùn)行是可行的。

　⑴　一臺(tái)三相逆變器用于整個(gè)功率的提供，相腳是由許多并聯(lián)的IGBT模塊和一個(gè)強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器組成。每個(gè)IGBT模塊必須有自己的柵極電阻與對(duì)稱直流環(huán)節(jié)和交流輸出連接。[1]

　⑵  三相IGBT基本單元硬并聯(lián)。

　整個(gè)系統(tǒng)是通過一臺(tái)控制器及其PWM信號(hào)控制。所有三相逆變器都連接到一個(gè)公共的直流環(huán)節(jié)電壓。對(duì)于每個(gè)獨(dú)立基本單元驅(qū)動(dòng)器，采用驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)板實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)間小的變化（小于100ns ）是通過小的交流輸出扼流圈進(jìn)行補(bǔ)償?shù)模�電�?lt; 5 μH）。所有的三相逆變器同時(shí)運(yùn)行，但存在小的時(shí)延，小時(shí)延可通過額外的交流扼流圈進(jìn)行補(bǔ)償。采用對(duì)稱布局和IGBT飽和壓降的正溫度系數(shù)來保證適當(dāng)?shù)呢?fù)載電流均衡。[2]

　第2項(xiàng)所述的系統(tǒng)每個(gè)基本單元附帶PWM信號(hào)的附加校正。并聯(lián)基本單元的精確負(fù)載電流均衡是由附加PWM校正控制的。

　將幾個(gè)帶同步PWM的單元并聯(lián)運(yùn)行，且用附加PWM控制消除循環(huán)電流。[3]

　每個(gè)基本單元都使用電氣負(fù)載隔離。各個(gè)基本單元都有自己的控制器，通過絕緣繞組給負(fù)載提供電力。PWM是獨(dú)立的、非同步的、自由運(yùn)行的信號(hào)，且每個(gè)基本單元都有自己?jiǎn)为?dú)的直流環(huán)節(jié)。在電網(wǎng)側(cè)，每個(gè)基本單元有自己的正弦LC濾波器。假如輸出也是電氣隔離的，則不同直流環(huán)節(jié)間不存在循環(huán)電流。 這是將帶有標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立控制器的標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立基本單元并聯(lián)起來的最簡(jiǎn)單的方法。

    一個(gè)基于發(fā)電機(jī)側(cè)電氣隔離的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)如圖5所示 。三個(gè)并聯(lián)的帶分立電機(jī)繞組的獨(dú)立4象限驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器可以和一個(gè)或兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)運(yùn)行。

　三個(gè)1500kVA 4Q驅(qū)動(dòng)單元連接到永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)單獨(dú)的繞組上。每個(gè)4象限驅(qū)動(dòng)器都是標(biāo)準(zhǔn)的，擁有自己的發(fā)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)控制器。第四個(gè)控制器的目的是提供統(tǒng)一的發(fā)電機(jī)扭矩共享。萬(wàn)一運(yùn)行過程中一個(gè)4象限驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)了問題，其余驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行不會(huì)被中斷。所描述的系統(tǒng)已應(yīng)用于3.6MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)擁有一臺(tái)帶有三個(gè)獨(dú)立繞組的永磁發(fā)電機(jī)。該系統(tǒng)為最多達(dá)12個(gè)四象限驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)而研制，可用于連接12臺(tái)發(fā)電機(jī)或12個(gè)發(fā)電機(jī)繞組。[4]

　4 基本單元的串聯(lián)

　風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工程師需要將以下諸方面考慮到他們的設(shè)計(jì)中。

　⑴ 大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)；
　⑵ 低損耗；
　⑶ 變速；
　⑷ 高效率；
　⑸ 采用經(jīng)驗(yàn)證有效的半導(dǎo)體元件；
　⑹ 使用簡(jiǎn)單的線變壓器，得到純凈的正弦波電流；
　⑺ 線路功率因數(shù)良好且總諧波失真小；
　⑻ 有功和無功功率控制；
　⑼ 模塊化設(shè)計(jì)，適合不同的功率和電壓且安裝快速； 
　⑽ 可靠性高；
　⑾ 最低的成本。

　　可選的最佳方案：中壓發(fā)電機(jī)。 在未來的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中，中壓發(fā)電機(jī)是必不可少的。然而，中壓硅片并不適用于此類應(yīng)用。因此，正確的解決方案是將基本單元串聯(lián)起來。例如：一臺(tái)額定輸出電壓為6.3 kV的5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，輸出電流為3 x 436 Arms。整流過的變速發(fā)電機(jī)電壓為1kV～10 kV的直流電壓。

　這樣變化的電壓如何才能連入電網(wǎng)？每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要有自己的變壓器用來與電網(wǎng)相連。電網(wǎng)的電壓應(yīng)在20kV-30kV范圍，這應(yīng)該是變壓器的輸出電壓。

　變壓器可由幾個(gè)三相繞組組成，這里用了10個(gè)，每個(gè)為3 x 690 V，作為輸入電壓。

　5 基于單元的中壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)

　新型中壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理如圖6所示。

　每個(gè)三相繞組附帶一個(gè)基本單元和一個(gè)600kVA的三相逆變器。第四個(gè)IGBT管腳可被連接到每個(gè)基本單元的前面，這種排列可被稱為中壓?jiǎn)卧�。所有單元都可如圖6所示串聯(lián)起來。如果第四管腳的IGBT開關(guān)是關(guān)斷的，發(fā)電機(jī)的直流電流將對(duì)單元直流環(huán)節(jié)電壓進(jìn)行充電。單元電網(wǎng)側(cè)三相逆變器放電，控制自己的直流環(huán)節(jié)電壓。對(duì)于3 x 690V交流電壓，直流環(huán)節(jié)電壓將為1.05kV。10個(gè)串聯(lián)的基本單元可以產(chǎn)生高達(dá)10 ×1.05 kV = 10.5kV的反電動(dòng)勢(shì)（EMF）。電壓仍然與整流后的發(fā)電機(jī)電壓保持平衡。如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，發(fā)電機(jī)電壓也會(huì)變低。因此，為控制整流后的直流電流，也是為控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，不得不旁路掉部分單元。如果旁路掉5個(gè)單元，剩余的反電動(dòng)勢(shì)是5 ×1.05 kV = 5.25kV。旁路掉更多的單元會(huì)增加直流電流和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。被旁路掉的單元可向電網(wǎng)提供全部的無功功率。如果某個(gè)單元失效，它也將被旁路掉。單元直流環(huán)節(jié)電壓最大值是1.2 kV ，因此即使僅有9個(gè)單元串聯(lián)也可承載高達(dá)9 ×1.2 kV = 10.8kV的整流后發(fā)電機(jī)電壓。

　6 帶中壓同步發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)

　帶中壓同步發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)特點(diǎn)如下。
　⑴ 發(fā)電機(jī)直流電壓范圍從0至Vdcmax;
　⑵ 每單元直流電壓1.05 kV（采用1.7 kV硅片）；
　⑶ Vdc max. per cell = 1.2 kV；
　⑷ 單元數(shù)量= Vdcmax/Vcell+1；
　⑸ 單元功率：Pgenmax/單元數(shù)量；
　⑹ 系統(tǒng)冗余 (+1)；
　⑺ 單元導(dǎo)通時(shí)間在0%-100%之間變化；
　⑻ 關(guān)斷的單元可以產(chǎn)生全部的無功功率；
　⑼ 不論功率高低，效率都高 ；
　　⑽ 線路測(cè)紋波頻率 = Ncell × Fswcell；
　　⑾ 簡(jiǎn)單的網(wǎng)側(cè)變壓器。

　　7 結(jié)論

　　大功率應(yīng)用使用多個(gè)IGBT模塊。然而，使用更多的帶獨(dú)立控制的開關(guān)要好的多。例如，用幾個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)的單元而不是一個(gè)巨大的單個(gè)單元。

　優(yōu)點(diǎn)如下：

　⑴ 線路的功率因數(shù)好、電流總諧波失真小、開關(guān)頻率更低、更少的無源器件；
　⑵ 模塊化設(shè)計(jì)，適合不同的功率和電壓且安裝快速；
　⑶ 采用經(jīng)驗(yàn)證有效的半導(dǎo)體元件；
　⑷ 更高的效率；
　⑸ 高可靠性；
　⑹ 極低的每kW成本。