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大功率可再生能源应用——最先进的设计提案

2010-09-08 09:33:41 我要评论(0) 字号:T | T
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大功率可再生能源应用——最先进的设计提案,在效率和可靠成为主要需要需求的今天,电力电子在可再生能源领域的应用受到巨大的挑战。今天,1700V低压硅片有很大的优势。对于MW级的输入/输出功率,需要将带有几十个芯片的几十个模块并联起来。

High-Power Renewable Energy Applications -
State-of-the-Art Design Proposals

Dejan Schreiber, 赛米控高级应用经理

    在效率和可靠成为主要需要需求的今天,电力电子在可再生能源领域的应用受到巨大的挑战。今天,1700V低压硅片有很大的优势。对于MW级的输入/输出功率,需要将带有几十个芯片的几十个模块并联起来。最好的解决方案是将逆变器/电源模块并联,但这种方案需要额外低压传输,通过电源到中压(MV)的变压器来实现,另一种解决方案是通过将由低压硅片和功率单元进行串联,组成一个中压电网侧逆变器来实现能量传输,组成一个中压电源。此外,交错PWM减小了正弦滤波器的尺寸、降低了开关频率及总损耗。

1. 最先进的技术
    现有新大功率可再生能源是风力发电机(WT)和光伏(PV)应用。新风力发电机组的平均功率超过2MW,但高达5MW的机组也在使用。至于光伏应用,在过去几年中,趋势是使用到高达0.5MW的独立单元,采用1MW以上单元的趋势也在增加。 最常见的是10MW大型光伏发电系统,高达60MW的系统也在运行。两者都是通过电网侧逆变器与电网相连接,并且都通过正弦滤波器向电网提供低失真正弦电流。
    风力发电机有带有升压功能的发电机侧变流器,将发电机变化的输出电压整流成电网侧变换器最佳运行所需的恒定直流电压。同样,光伏电池板向变流器供电,电压与光照强度、环境温度、负载电流和功率成正比。其结果是可变的输入电压,变化范围在1:2以上。通常大功率光伏电网侧逆变器不使用额外的前端变流器。
    在功率转换中,效率的优先级是第一位的。如今,电力电子行业为风力发电机应用使用1200V和1700V的工业硅基组件,为光伏应用使用1200V的工业硅基组件(低功率单相供电采用600V组件)。通过采用合适的硅材料和新的更好的半导体技术,可降低变流器的损耗,从而提高系统效率。然而,本文将不详述这些,理由很简单,未来5~10年,IGBT仍将是电力电子技术的主力,没有明显的变化可言。
    基于双馈感应发电机(DFIG)的风力发电机设计正逐渐过时。事实上,采用DFIG技术的风力发电机公司正将其新的开发基于直驱原理的,传统的4象限驱动器。[1]
    如今,对于带有两个串联的电力电子变流器(置于一个壳体中)的直驱结构来说,从发电机输出端通过发电机dv/dt滤波器、发电机侧变流器、直流环节、电网侧逆变器和输出正弦滤波器测得的风力发电机效率在96%~97%之间。功率转换器尺寸是由价格和高可靠性要求决定的。
    可靠性是一个非常重要的因素。风力发电机不能停止工作,不能停止转动!因此使用一流的组件绝对是必要的。然而,涡轮机的设计也很重要,万一单个组件故障,也应能使发电机继续运行。几MVA的逆变器功率需要相当数量的半导体芯片并联,这是通过并联模块实现的。

1.1 IGBT模块并联运行的解决方案
    1.一个驱动器用于驱动多个并联的IGBT,这些IGBT组成了整机的逆变器的其中一相。每个IGBT模块拥有其自己的栅极电阻和对称的直流与交流连接。一个成功的例子是用于光伏应用的SEMIKUBE IGBT功率STACK。[2]
    2.几个逆变器相单元的并联,每个都有其并联运行的驱动器。由于不同的驱动器延迟时间,小的交流输出扼流圈也是必需的。 (由SKiiP IPM组成功率模块单元的并联)
    3.带有直流环节和若干并联模块的三相单元的并联由其自己的驱动器驱动。对于大功率,几个三相逆变器并联。由于不同的驱动器延迟时间,仍需要交流输出扼流圈。使用了一个PWM信号和一个直流环节。[3]
    4.带一个PWM控制器的三相逆变器并联运行和对并联逆变器的负载电流进行额外的均流控制(先进的PWM控制)
    5.带有短延时的主从驱动器驱动几个并联的模块。无需任何附加电感,在半导体芯片损坏的情况下,只有一个模块会被破坏。
    6.输入或输出端带电流隔离的并联逆变器运行——是标准并联,带有不同PWM的独立基本单元和单独的控制器下的运行。(图1)<4>
  在一些风力发电机设计中,发电机和整个传动系统以及中压变压器被放置在发电机舱中。在这种情况下,发电机舱的总重量很大,但这是唯一能够使低压发电机和中压电网间传输损耗可以忍受的方法。在其他设计中,风力发电机传动系统位于底部,在塔的基座上。输电距离约为100米,而且是低压的,功率损耗和成本高。
    标准工业硅基1700V IGBT模块若用于1MW三相逆变器必须采用并联的形式。现今单个三相逆变器的最大可用功率是1.5MW。[5]因此,采用几个发电机绕组的解决方案便于独立传动系统的并行化。同时,这种设计的可靠性比采用带有相同数量并联模块的大功率转换器的设计要高(图1)。

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图1 带有三个发电机绕组和独立传动系统的涡轮机结构

1.2 风力发电机
    对发电机的要求,如最小尺寸、纹波转矩和短路,特别是对于低速、直接驱动的发电机,产生带有若干相的发电机解决方案,如2个或3个三相绕组,或者6个三相绕组。由于标准工业三相逆变器和控制器,所以不使用带有5、7或更多相多相系统的发电机。对于兆瓦级发电机的尺寸,传统的方法是中压输出。然而,中压输入和输出需要使用中压PE组件。用在电网侧的最先进中压转换器,开关频率为几kHz,效率大大降低并且每千瓦的成本贵很多。

1.3 无功功率控制
    可再生能源的额外要求是:有功功率控制、无功功率控制,低压穿透能力以及不经常提到的一个要求,即不对称电网电压下的运行。 [7]
    可再生能源的无功功率控制,最初用在风力发电机中,最近更多用在光伏应用中,要求输入到电网侧逆变器的直流环节电压更高。

1.4 电网侧逆变器的运行
    PWM变换器中的功率流是通过调整源电压U1和各自变换器反射输入电压Vs1之间的相移角δ来控制的。
当U1超前于Vs1,实际功率从交流电源流向变换器。相反地,如果U1滞后Vs1,则功率从变换器的直流侧流入交流电源。实际传输的功率由方程(1)给出。
  \(1)
    交流功率因数是通过控制Vs1的幅度来调整的。每相等效电路和超前、滞后和单位功率因数运行的相位图如图2所示。相量图显示,要实现单位功率因数,Vs1应为
  \

\
图2 电网侧逆变器每相等效电路和单一、超前和滞后功率因数运行相量图

2. 新设计提案
2.1 WT用于大功率风力发电机的逆变器单元串联
    带有基于单独发电机绕组直驱变流器的风力发电机设计有很多优点,但也一个大缺点。发电机和变流器之间需要很多电缆——3个三相绕组。因此,在发电机舱中所有变流器都靠近发电机。为了在低电压下获得大功率,发电机电流要远大于1500A。一个有吸引力的解决方案是采用中压同步发电机和一个二极管整流器。但是,在这种情况下,直流电压变化大(1:2),并且需要中压硅装置。由于风力发电机被期望即使是在最小转速和如1000V的最小直流电压下仍能输出电能,中压变压器的输出电压相对来说是低的,即660V。与此同时,直流电压可能超过2kV。
    对于电网侧逆变器,一个合乎逻辑的解决方案是一系列串联的逆变器,它可以对整流后变化的发电机电压进行分压。这些电网侧逆变器单元连接到中压电网变压器的初级绕组,并独立地保持其直流环节电压。为了降低发电机电压,一些单元必须被旁路,从而使单元的等效总电压低,与发电机电压相符。风力发电机转矩需求与发电机电流需求是一样的,因此它与真正的、实际的直流电流值相比较。如果转矩需求比实际直流电流值高,旁路时间总和应更大,更多的单元被绕过,等效反电动势将会降低,从而增大直流电流。
    所用的每个电网侧逆变器控制和保持恒定的输入直流电压,如1000V,并连接到变压器的初级绕组。如果直流电压值高于设定值,放电电流就越大。电网侧逆变器可以是单相或三相的。单相单元只有一个变压器绕组。经过整流的发电机中压,比如十几千伏,为这一系列逆变器单元供电。某些单元有输入旁路开关,允许进行直流环节控制,某些单元则没有输入旁路。它们总是串联的,其电压总和对应于最小发电机电压。
    以下介绍的是一个兆瓦级风力发电机的电源转换方案,由一个中压同步发电机、一个位于发电机舱中的二极管整流器、一个至中压电网侧逆变器的中压直流高效输电以及高压电网变压器组成。(图3)[6]也使用了若干共享可变输出发电机电压的单元。每个单元有一个电网侧逆变器、三相或者单相、独立变压器绕组和直流环节电容器。输入功率-来自中压发电机的电流-对直流环节进行充电,变换器将其电释放完。这就是为什么直流环节电压保持不变,因为并网逆变器控制到电网的直流放电电流。单元输入的特点是采用半桥配置,例如传统的升压器,然而,这个只作为旁路开关使用。如果发电机电压低于串联单元电压之和,则来自发电机的电流会减小。因此,更多的单元被旁路掉,从而减少单元数量,增大发电机的电流。

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图3 带中压电网侧逆变器的中压发电机,逆变器的一些单元是并联的

特点:
    - 发电机直流电压从1000V到Vdcmax,在10kVDC范围内
    - 对于3×690VAC单元供电,每单元直流电压1100V(1700V硅片)
    - 单元数= Vdcmax/Vcell
    - 单元功率:Pgenmax/单元数
    - 优化单元功率分配
    - 不同数量已连接和被旁路单元的中压直流电流控制。
    - 单元导通时间各有不同,从0%到100%
    - 关闭的单元能产生完全无功功率
    - 满功率或较低功率下的高效率
    - 采用每单元交错PWM,减少总谐波失真
    - 电网侧电流纹波频率等于开关频率乘以单元数
    - 低压穿越能力
    - 50/60Hz应用中无差异
    - 新风场概念:风力涡轮发电机及整流器连接到位于风场中心的功率转换器。所有单元可以在一个集中解决方案中,位于风场中最适合的位置,即靠近分站。
    - 单元包括成熟可靠的1700V硅片,避免使用有损中压设备,实现高效率的功率转换
    - 由于现有的中压设备的限制,中压发电机绕组电压没有限制

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