适用于风力发电机的可靠电力电子器件

中心议题：

　　不同阻断电压下IGBT效率的对比

　　并联IGBT模块

　　基本单元的串联

　　解决方案：

　　采用经验证有效的半导体元件

　　使用简单的线变压器，得到纯净的正弦波电流

　　线路功率因数良好且总谐波失真小

　　有功和无功功率控制

　　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zui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。

　　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1700VIGBT以及3.3kV、4.5kV和6.5kV的中压IGBT。那么哪种电压等级大功率应用呢？当上述IGBT被放置在目前可得到的zui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*工作条件下模拟可用功率更简单。

　　为了做到这一点，选用了zui大的标准外壳（IHM，190mm宽）。IGBT都被封装在这个外壳中，并定义了*工作条件：直流运行电压Vdc、,交流输出电压Vac、载波开关频率3.6kHz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3.3kV、1200A独立模块得到的zui大功率约为采用1.7kV、2400AIGBT所得功率的一半。相比之下，6.5kV、600AIGBT模块所提供的功率仅为1.7kVIGBT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1.7kVIGBT可实现zui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

　　1.7kVIGBT封装在不同的模块外壳中。为了对比，我们可以采用zui大的单管模块IHM2.4kA、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2x1.5kA=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zui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SKiiP1.8kA,1.7kV，可从三相逆变器获得更高的功率，即1800kVA。

图4配备了1800kVA基本单元的示例

 
　　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<5μH）。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zui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1500kVA4Q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zui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]

　　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；

　　⑾zui低的成本。

　　可选的*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*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6.3kV的5MW风力发电机，输出电流为3x436Arms。整流过的变速发电机电压为1kV～10kV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3x690V，作为输入电压。

　　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3x690V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10×1.05kV=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5×1.05kV=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zui大值是1.2kV，因此即使仅有9个单元串联也可承载高达9×1.2kV=10.8kV的整流后发电机电压。

　　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1.05kV（采用1.7kV硅片）；

　　⑶Vdcmax.percell=1.2kV；

　　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%-*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。

　　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。

　　优点如下：

　　⑴线路的功率因数好、电流总谐波失真小、开关频率更低、更少的无源器件；

　　⑵模块化设计，适合不同的功率和电压且安装快速；

　　⑶采用经验证有效的半导体元件；

　　⑷更高的效率；

　　⑸高可靠性；

　　⑹极低的每kW成本。