適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠電力電子器件

1、適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠電力電子器件在兆瓦級(jí)，大功率應(yīng)用中需要大容量的器件。然而，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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)的電力中將半導(dǎo)體器件并聯(lián)是十分普遍的。現(xiàn)在研究一種可能的計(jì)劃：電力電子裝配把包含和的igbt基本單元、散熱器、直流環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)器和庇護(hù)電路、輔助電源和控制器（一個(gè)自立單元）組裝在一個(gè)三相中。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)電功率的辦法。該辦法用法變速中壓永磁發(fā)電機(jī)的線路接口銜接，沒有任何和功率限制，并且采納已經(jīng)證實(shí)有效的半導(dǎo)體器

2、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)照igbt在電力電子電路中用法十分廣泛。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創(chuàng)造逆變器時(shí)，可以找到這個(gè)問(wèn)題的答案。固然，在最優(yōu)工作條件下模擬可用功率更容易。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、,溝通輸出電壓vac

3、、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，采納3.3 kv、1200 a自立模塊得到的最大功率約為采納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)果的緣由是igbt模塊的損耗。假如計(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)照，我們用法了相同的載波開關(guān)頻率fsw = 3.6khz。這使得我們有機(jī)會(huì)采納相對(duì)較小的設(shè)計(jì)逆變器。用法不同的載波開關(guān)頻率，將導(dǎo)致所用的輸出正弦濾波器不同?；谏?/p>

4、述種種緣由，可以看出，采納1.7 kv igbt可實(shí)現(xiàn)最大效率，它是一款單位模塊價(jià)格十分合理的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)產(chǎn)品。不同阻斷電壓下igbt效率的對(duì)照.運(yùn)行條件是：fsw = 3,6khz、cos = 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)照，我們可以采納最大的單管模塊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。假如兩個(gè)skiip在散熱器上背靠背放置，則可得到一個(gè)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7

5、0 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，采納skiip的計(jì)劃可在囫圇開關(guān)頻率范圍內(nèi)提供更高的輸出電流?？捎媚孀兤鬏敵龉β逝c開關(guān)頻率的關(guān)系見圖3。假如采納了更強(qiáng)大的skiip模塊，如用法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模塊以下計(jì)劃對(duì)于igbt模塊的并聯(lián)運(yùn)行是可行的。 一臺(tái)三相逆變器用于囫圇功率的提供，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模塊必需有自己的柵極與對(duì)稱直流環(huán)

6、節(jié)和溝通輸出銜接。 三相igbt基本單元硬并聯(lián)。囫圇系統(tǒng)是通過(guò)一臺(tái)控制器及其pwm信號(hào)控制。全部三相逆變器都銜接到一個(gè)公共的直流環(huán)節(jié)電壓。對(duì)于每個(gè)自立基本單元驅(qū)動(dòng)器，采納驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)板實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)光小的變幻（小于100ns ）是通過(guò)小的溝通輸出扼流圈舉行補(bǔ)償?shù)模?5 h）。全部的三相逆變器同時(shí)運(yùn)行，但存在小的時(shí)延，小時(shí)延可通過(guò)額外的溝通扼流圈舉行補(bǔ)償。采納對(duì)稱布局和igbt飽和壓降的正溫度系數(shù)來(lái)保證適當(dāng)?shù)呢?fù)載電流均衡。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控制消退循環(huán)

7、電流。每個(gè)基本單元都用法電氣負(fù)載隔離。各個(gè)基本單元都有自己的控制器，通過(guò)絕緣繞組給負(fù)載提供電力。pwm是自立的、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。如果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)自立控制器的標(biāo)準(zhǔn)自立基本單元并聯(lián)起來(lái)的最容易的辦法。一個(gè)基于發(fā)電機(jī)側(cè)電氣隔離的容易設(shè)計(jì)5所示 。三個(gè)并聯(lián)的帶分立電機(jī)繞組的自立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)單元銜接到永磁風(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

8、。第四個(gè)控制器的目的是提供統(tǒng)一的發(fā)電機(jī)扭矩分享。萬(wàn)一運(yùn)行過(guò)程中一個(gè)4象限驅(qū)動(dòng)器浮現(xiàn)了問(wèn)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)自立繞組的永磁發(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，可用于銜接12臺(tái)發(fā)電機(jī)或12個(gè)發(fā)電機(jī)繞組。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。 大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)； 低損耗； 變速； 高效率； 采納閱歷證有效的半導(dǎo)體元件； 用法容易的線，得到純凈的正弦波電流； 線路功率因數(shù)良好且總諧波失真??； 有功和無(wú)功功率控制； 模塊化設(shè)計(jì)，適合不同的功率和電壓且安裝迅速； 牢靠性高；

9、 最低的成本?？蛇x的最佳計(jì)劃：中壓發(fā)電機(jī)。 在將來(lái)的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中，中壓發(fā)電機(jī)是必不行少的。然而，中壓硅片并不適用于此類應(yīng)用。因此，正確的解決計(jì)劃是將基本單元串聯(lián)起來(lái)。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(guò)的變速發(fā)電機(jī)電壓為1kv10 kv的直流電壓。這樣變幻的電壓如何才干連入電網(wǎng)？每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要有自己的變壓器用來(lái)與電網(wǎng)相連。電網(wǎng)的電壓應(yīng)在20kv-30kv范圍，這應(yīng)當(dāng)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

10、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管腳可被銜接到每個(gè)基本單元的前面，這種羅列可被稱為中壓?jiǎn)卧?。全部單元都?所示串聯(lián)起來(lái)。假如第四管腳的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)電壓舉行充電。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溝通電壓，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。假如發(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

11、得不旁路掉部分單元。假如旁路掉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)增強(qiáng)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)提供所有的無(wú)功功率。假如某個(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。 發(fā)電機(jī)直流電壓范圍從0至vdcmax; 每單元直流電壓1.05 kv（采納1.7 kv硅片）； vdc max. per cell = 1.2 kv； 單元數(shù)量= vdcmax/vcell+1； 單元功率：pgenmax/單元數(shù)量； 系統(tǒng)冗余 (+1)； 單元導(dǎo)通時(shí)光在0%-100%之間變幻； 關(guān)斷的單元可以產(chǎn)生所有的無(wú)功功率； 不論功率凹凸，效率都高 ； 線路測(cè)紋波頻率 = ncell × fswcell； 容易的網(wǎng)側(cè)變壓