1研究現(xiàn)狀
現(xiàn)在新型的大功率可再生能源為風(fēng)能和太陽能。新型風(fēng)機(jī)單臺(tái)的平均功率已經(jīng)超過了2MW，并且有5MW的投入使用。在過去幾年里，太陽能也從單機(jī)0.5MW提高到現(xiàn)在的單機(jī)1MW+。10MW的光伏發(fā)電站最為常見，同時(shí)高達(dá)60MW的電站也已經(jīng)在運(yùn)行。兩者都需要通過逆變器連接到電網(wǎng)上，也都需要通過濾波器向電網(wǎng)提供低THD的正弦電流。
風(fēng)機(jī)在發(fā)電側(cè)有一個(gè)boost特性的變換器，將變化的發(fā)電側(cè)電壓變換為恒定直流電壓使得并網(wǎng)逆變器可以最優(yōu)化運(yùn)行。與此相似，太陽能電池板向變換器提供和光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、負(fù)載電流和功率成正比的電壓。該可變輸入電壓范圍超過1：2。通常大功率光伏并網(wǎng)逆變器不使用額外的前端變換器。
功率轉(zhuǎn)換效率在所有參數(shù)中最為重要?，F(xiàn)在，電力電子在風(fēng)機(jī)中使用1200V和1700V硅元件，在太陽能電池中使用1200V硅元件（對(duì)于小功率單相電源使用600V）。通過選擇合適的硅器件，使用更先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，可以減小變換器的損耗以提高系統(tǒng)的效率。本文并不討論這些，因?yàn)樵谖磥?到10年里，如果沒有太大變化，IGBT仍然是首選的電力電子器件。
基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再流行。所有使用雙饋原理的風(fēng)機(jī)廠商正在發(fā)展基于直驅(qū)式和傳統(tǒng)四象限驅(qū)動(dòng)的電機(jī)。
對(duì)于將兩個(gè)串行的電力電子變換器放置在一個(gè)直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)變換器的效率可以達(dá)到96%~97%。這個(gè)效率是發(fā)電機(jī)的輸出通過dV/dt濾波器、發(fā)電機(jī)側(cè)變換器、直流母線、并網(wǎng)逆變器以及輸出正弦濾波器后的效率。電力變換器的大小由價(jià)格和可靠性的需求決定。
可靠性也是一個(gè)很重要的因素。風(fēng)車不能夠停止工作，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。為此，所有的元器件都需要良好的性能，同時(shí)也需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使得當(dāng)一個(gè)器件出現(xiàn)故障時(shí)還能夠繼續(xù)運(yùn)行。對(duì)于幾個(gè)MVA的大容量逆變器電源，需要很多數(shù)量的半導(dǎo)體芯片和開關(guān)模塊的并聯(lián)。
1.1 IGBT模塊并聯(lián)運(yùn)行的解決方案
?。?）逆變器每一相為一個(gè)單元，每相有很多個(gè)IGBT模塊并聯(lián)，它們共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)。每個(gè)IGBT模塊都有獨(dú)立的門極電阻和對(duì)稱的DC和AC連接。作為一個(gè)成功的例子，SEMIKUBE IGBT模塊已經(jīng)運(yùn)用在太陽能領(lǐng)域。
（2）幾個(gè)逆變器的相單元并聯(lián)，分別使用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)。由于不同驅(qū)動(dòng)的延時(shí)不同，需要小的AC輸出的扼流圈。（SKiiP IPM 功率模塊的并聯(lián)）
?。?）三相系統(tǒng)并聯(lián)到一根直流母線上，每一相也有幾個(gè)模塊并聯(lián)，每個(gè)系統(tǒng)使用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)。對(duì)于更大的功率，需要將幾個(gè)三相逆變器并聯(lián)使用。由于不同驅(qū)動(dòng)延遲不同，依然需要AC輸出的扼流圈?？梢允褂靡粋€(gè)PWM信號(hào)和直流母線。
?。?）三相逆變器并聯(lián)運(yùn)行，使用一個(gè)PWM控制器，需要額外控制并聯(lián)逆變器的負(fù)載電流分配。（復(fù)雜PWM控制）
?。?）使用低延遲的主從驅(qū)動(dòng)，可以驅(qū)動(dòng)幾個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的模塊。不需要添加額外的電感，而且當(dāng)一個(gè)半導(dǎo)體芯片損壞時(shí)，只會(huì)損壞一個(gè)開關(guān)模塊。
?。?）帶有輸入或輸出端電流隔離的逆變器并聯(lián)運(yùn)行。其中每一個(gè)并聯(lián)支路都是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、獨(dú)立的、基礎(chǔ)的單元，有不同的PWM和獨(dú)立的控制器，如圖1。
在一些風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，發(fā)電機(jī)、整條驅(qū)動(dòng)和中壓變壓器都被放在一個(gè)機(jī)艙中。這種情況下，機(jī)艙總重量會(huì)很大，但這卻是使得低壓發(fā)電機(jī)和中壓電網(wǎng)間傳輸損耗可以被接受的唯一的方法。在另一些設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被置于底部，即塔的基部。電能在低壓情況下傳輸距離達(dá)到100m，這會(huì)帶來更高的損耗和成本。
標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)上基于硅技術(shù)的1700V IGBT模塊對(duì)于1MW的三相逆變器必須并聯(lián)使用；現(xiàn)階段最大的單個(gè)三相逆變器為1.5 MW。因此對(duì)于幾個(gè)發(fā)電機(jī)繞組，可以將獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡單的并聯(lián)。同時(shí)，其可靠性要高于將同樣數(shù)量的模塊經(jīng)過復(fù)雜并聯(lián)后組成一個(gè)更大功率的變換器（見圖1）。
圖1 有3個(gè)發(fā)電機(jī)繞組和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)
1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)
發(fā)電機(jī)的一些要求，例如最小尺寸、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和短路轉(zhuǎn)矩，尤其對(duì)于低速直驅(qū)發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致需要使用較多的相繞組，例如使用兩套，三套或六套三相繞組。一般不使用5相、7相或者更高相數(shù)的多相系統(tǒng)，因?yàn)槿嗄孀兤骱涂刂破鞫际且呀?jīng)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)化的。幾兆瓦發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)需要中壓輸出。但是中壓輸入和輸出系統(tǒng)對(duì)于中壓電力電子器件的使用提出了要求?，F(xiàn)在中壓并網(wǎng)變換器開關(guān)頻率幾千赫茲，效率很低而且每千瓦的花費(fèi)也很大。
1.3 無功功率控制
可再生能源電源還有以下要求：有功控制，無功控制，低電壓穿越以及不經(jīng)常提到的非對(duì)稱電網(wǎng)電壓運(yùn)行。
可再生能源電源的無功控制首先使用于風(fēng)機(jī)中，最近在光伏中開始運(yùn)用。它導(dǎo)致連接線端逆變器的直流母線電壓更高。
1.4 線端逆變器工作原理
PWM變換器中的能量流動(dòng)控制通過調(diào)整相移角δ實(shí)現(xiàn)，它是電源電壓U1和對(duì)應(yīng)變換器的輸入電壓Vs1之間的相角差。
當(dāng)U1領(lǐng)先Vs1時(shí)，電能從交流電源流向變換器。相反的，如果U1滯后 Vs1，電能從變換器的直流端流入交流電源。電能傳輸方程見公式（1）。
（1）
交流電源功率因數(shù)可以通過控制Vs1的幅值來調(diào)節(jié)。每相等效電路和功率因數(shù)超前、滯后以及單位功率因數(shù)時(shí)的運(yùn)行如圖2所示。通過相圖可以看到，當(dāng)功率因數(shù)為1時(shí)，Vs1滿足
圖2 并網(wǎng)逆變器每相等效電路，單位功率因數(shù)以及超前和滯后功率因數(shù)的相圖
2新型設(shè)計(jì)方案
2.1大功率風(fēng)機(jī)逆變器單元串聯(lián)
風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中采用基于獨(dú)立發(fā)電機(jī)繞組的直驅(qū)式變換器有很多優(yōu)勢，但也有一個(gè)大缺陷。在發(fā)電機(jī)和變換器之間需要更多電纜——三套三相繞組設(shè)備。為此所有變換器需要放置在機(jī)艙中靠近發(fā)電機(jī)的地方。對(duì)于大功率低電壓的情況，發(fā)電機(jī)電流遠(yuǎn)大于1500A。一個(gè)很好的方法是使用中壓同步發(fā)電機(jī)并且只用一個(gè)二極管整流器。然而，在這種情況下，直流母線電壓變化很大（1:2），并且需要中壓的硅器件。風(fēng)機(jī)需要在最小的旋轉(zhuǎn)速度和最小的直流電壓下都可以產(chǎn)生電能。例如對(duì)于1000V直流電，輸出到中壓變壓器上的電壓相對(duì)較小，為660V。與此同時(shí)，直流母線電壓可能超過2kV。
對(duì)于并網(wǎng)逆變器，一種合理的解決方案是將逆變器串聯(lián)，這樣可以對(duì)可變的發(fā)電機(jī)整流電壓進(jìn)行分壓。這些并網(wǎng)逆變器接到中壓變壓器的初級(jí)繞組上，獨(dú)立的維持其直流母線電壓。對(duì)于更低的發(fā)電機(jī)電壓，其中一些單元必須旁路掉，使得單元總的等效電壓減小并對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)電壓。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求實(shí)際上是對(duì)發(fā)電機(jī)電流的要求；因此可以將其與真實(shí)的直流電流比較。如果需要的轉(zhuǎn)矩比實(shí)際的直流電流大，則旁路的時(shí)間總和更大，更多的單元需要被旁路掉，這樣等效反電勢減小，直流電流增大。
每一個(gè)使用的并網(wǎng)逆變器控制并保持輸入直流電壓恒定，例如1000V，它們都連接到變壓器的初級(jí)繞組上。如果直流電壓高于一個(gè)設(shè)定值，放電電流增大。并網(wǎng)逆變器可以是單相和三相單元。單相單元只有一個(gè)變壓器繞組。發(fā)電機(jī)發(fā)出的中壓電經(jīng)過整流，例如十幾千伏，供電給串聯(lián)起來的這種逆變器單元。其中一些單元有輸入旁路開關(guān)，可以對(duì)直流母線進(jìn)行控制。另一些則沒有旁路開關(guān)，它們總是串聯(lián)著，其電壓之和對(duì)應(yīng)于最小的發(fā)電機(jī)電壓。
這里給出一個(gè)兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)換方案，包括中壓同步發(fā)電機(jī)、機(jī)艙中的二極管整流器、高效的中壓直流電壓傳輸裝置、線端中壓逆變器和高壓并網(wǎng)變壓器（見圖3）。使用幾個(gè)單元對(duì)變化的發(fā)電機(jī)輸出電壓分壓。每個(gè)單元有一個(gè)三相或者單相的并網(wǎng)逆變器，分隔變壓器繞組和直流母線電容。中壓發(fā)電機(jī)的電流對(duì)直流母線充電并輸入功率，變換器將能量輸出。因此，直流母線電壓要保持恒定，因?yàn)樗鼪Q定了直流母線對(duì)電網(wǎng)的放電電流。單元輸入處為一個(gè)半橋配置，例如經(jīng)典的升壓變換器，但它只當(dāng)作旁路開關(guān)使用。如果發(fā)電機(jī)電壓低于串聯(lián)單元的電壓之和，發(fā)電機(jī)的電流應(yīng)該減小。為此，更多的單元需要被旁路，減小串聯(lián)單元的數(shù)目，增加發(fā)電機(jī)電流。
圖3 中壓發(fā)電機(jī)和由幾個(gè)單元串聯(lián)構(gòu)成的中壓并網(wǎng)逆變器
特性：
l 發(fā)電機(jī)直流電壓范圍從100V到最大直流電壓10kV；
l 對(duì)于3×690V交流電源單元，每個(gè)單元的直流電壓為1100V（1700V 硅）；
l 單元數(shù)目=最大直流電壓/每個(gè)單元直流電壓；
l 單元功率：發(fā)電機(jī)最大功率/單元數(shù)目；
l 實(shí)現(xiàn)單元最佳功率分配；
l *通過改變連接或旁路單元的數(shù)目實(shí)現(xiàn)中壓直流電流控制；
l 單元投入時(shí)間可以在0%至100%間變化切除的單元可以滿發(fā)無功；
l 在滿功率和低功率時(shí)都有很高的效率；
l 對(duì)每個(gè)單元使用多重化PWM可以減小THD；
l 線路側(cè)電流紋波頻率等于單元開關(guān)頻率乘以單元數(shù)量；
l 有低壓穿越能力；
l 可以通用于50Hz和60Hz的情況；
l 新型風(fēng)電場概念：風(fēng)力發(fā)電機(jī)和整流器連接至位于風(fēng)電場中央的功率變換器。所有單元集中放置在風(fēng)電場中最合適的位置，即變電站附近；
l 單元使用成熟可靠的1700V硅器件，避免有損中壓設(shè)備的使用，使功率變換器最有效率；
l 不會(huì)由于現(xiàn)有中壓器件的限制而限制發(fā)電機(jī)中壓繞組電壓。
2.2光伏應(yīng)用
光伏應(yīng)用中一般只有一個(gè)電力電子并網(wǎng)逆變器（GTI）。GTI的交流輸出電壓和最小直流輸入電壓成正比，該最小直流輸入電壓是和最小光照成正比的啟動(dòng)光伏電壓。如果選擇的交流輸出電壓越低，則額定功率對(duì)應(yīng)的電流越高，然而啟動(dòng)電壓會(huì)越低。為此需要對(duì)交流輸出電壓做一個(gè)折衷：一些產(chǎn)品使用3×270V，另一些使用3×328V。
當(dāng)光伏電壓/輸出交流電壓較低時(shí)，可以利用很小的能量，當(dāng)交流輸出電壓設(shè)計(jì)得較高則無法利用這部分能量。在光伏應(yīng)用中，GTI只工作在約1/2額定輸出電壓下。1200 V硅器件是一個(gè)發(fā)展，它使得輸入輸出交流電壓可以達(dá)到480V，而現(xiàn)在的光伏應(yīng)用中通常使用270V到330V。這樣運(yùn)行效率更低，因?yàn)槠渑c調(diào)制比M，即Vac與Vdc的比值，密切相關(guān)。對(duì)于400Vac/650Vdc或者480 Vac/800Vdc，效率很接近而且都大于現(xiàn)在使用的270Vac/（500…900 Vdc）（見圖4）。
圖4 不同功率下GTI的效率；Fsw=5kHz
2.3帶有前端控制的光伏并網(wǎng)逆變器
在此介紹一種兆瓦級(jí)光伏裝置的功率轉(zhuǎn)換方案（見圖5），包括太陽能電池板、緊接電池板的對(duì)稱升壓變換器前端控制、連接到逆變器的直流傳輸線、工業(yè)化的并網(wǎng)變換器、正弦濾波器以及標(biāo)準(zhǔn)中壓線電壓的變壓器。
圖5 升壓變換器和并網(wǎng)逆變器
逆變器輸入電壓優(yōu)化至交流變壓器的輸入電壓，調(diào)制比M約為1。
美國應(yīng)用實(shí)例：圖5所示電路，光伏輸出電壓在200V-600V的范圍內(nèi)；升壓輸出/傳輸電壓800V直流電壓；最后輸出3×480V交流電到變壓器上。前端控制的硅器件為600V，逆變器中為1200V。當(dāng)光伏電壓為400V時(shí)，直流輸電線上損耗只占1/4。要求電池板輸出的紋波電流相對(duì)小，可以增加電池板和前端控制間的電感，同時(shí)也需要提高開關(guān)頻率。連接電纜的電感對(duì)于減小電流紋波有幫助。100m的連接電纜電感值超過0.1mH。
歐盟應(yīng)用實(shí)例：光伏電壓變化范圍在400-900V間，前端升壓變換器產(chǎn)生650V電壓，輸出3×400V交流電；或者產(chǎn)生800V電壓，輸出3×480V交流電。當(dāng)光伏電壓高于650V或者800V時(shí)，升壓變換器停止工作，GTI的輸入電壓即為光伏電壓。
前端升壓變換器交替輸出正二分之一和負(fù)二分之一的輸出電壓，當(dāng)上部和下部的IGBT都只導(dǎo)通一半的開關(guān)時(shí)間，即180度電角度，則作為倍壓變換器運(yùn)行。這種運(yùn)行方式有很大優(yōu)勢，太陽能電池板輸出電流恒定，不需要再增加額外的大電感作為L1和L2，使用50-100m的連接電纜即可。
這個(gè)優(yōu)勢導(dǎo)致該方案如圖6所示。
圖6 倍壓變換器，第二個(gè)旁路或升壓變換器，兩個(gè)使用多重化PWM的GTI
光伏電壓總是可以翻倍，即在800~1800V范圍內(nèi)。對(duì)于GTI中使用的低壓硅器件，1800V是一個(gè)過高的電壓，我們可以使用中壓風(fēng)機(jī)中使用的方法，將兩個(gè)單元串聯(lián)。旁路電路可以安裝在靠近倍壓變換器的地方，它為兩個(gè)串聯(lián)的逆變器調(diào)整需要的直流電壓。通過這種方法，直流傳輸線上的電壓最高將會(huì)比光伏輸出電壓提高4倍。
例1：光伏電壓為400-900V；倍壓后為800-1800V；第二個(gè)升壓輸出/直流傳輸線電壓/逆變器電壓為1600-1800V，最后向變壓器提供2份3向480V交流電，高于1600V后不再有升壓效果。所有開關(guān)為1200V。
例2：光伏電壓為400-900V；倍壓后為800-1800V；第二個(gè)升壓輸出/直流傳輸線電壓/逆變器電壓為2200V=2×1100V，最后向變壓器提供2份3向690V交流電。倍壓變換器硅器件電壓等級(jí)為1200V，剩下的IGBT和二極管為1700V。如果載波開關(guān)頻率低于4kHz，使用1700V硅器件的逆變器效率高于1200V。
當(dāng)使用2200V傳輸電壓時(shí)，傳輸線損耗比傳統(tǒng)的直接與550V光伏電壓相連的情況減小了16倍（使用相同的連接電纜）。
兩個(gè)功率和相電流大小都相同的并網(wǎng)逆變器與電絕緣繞組相連。這樣可以很容易的使用多重化PWM。對(duì)于兩個(gè)逆變器的并聯(lián)運(yùn)行，使用多重化PWM時(shí)，會(huì)有1/2開關(guān)周期即180度角度的相移。
使用這種方法，正弦濾波器的體積大大減小，且只有一個(gè)電感值L。圖8中的仿真結(jié)果顯示了1號(hào)和2號(hào)逆變器的電流，此時(shí)開關(guān)載波頻率只有1 kHz，THD=19%，兩個(gè)逆變器的電流和即為并網(wǎng)電流，THD很小只有3.8%。
圖7 上端逆變器相電流；下端逆變器相電流，THD=19%，并網(wǎng)電流THD=3.8%；濾波器電感 L_total=12%；Fsw=1kHz
使用多重化PWM優(yōu)點(diǎn)明顯。只需使用一個(gè)電感構(gòu)成的低通濾波器與變壓器的漏電感共同作用即可。變壓器漏電感對(duì)應(yīng)于變壓器uk=4%時(shí)的短路電流。L_total=12%。
一個(gè)并網(wǎng)逆變器的正弦濾波器，電感標(biāo)幺值為12%，電流THD需要小于4%，開關(guān)載波頻率高于6kHz。
3結(jié)論
風(fēng)機(jī)中電力電子器件只使用1700V的IGBT和二極管?；陔p饋感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再流行。使用兩個(gè)背靠背逆變器的全功率結(jié)構(gòu)成為主要研究方向。發(fā)展中的風(fēng)機(jī)功率等級(jí)為3-5MW。運(yùn)用2個(gè)、3個(gè)甚至6個(gè)3相發(fā)電機(jī)繞組，使用同樣數(shù)量的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置，獨(dú)立控制裝置，可以提供很高的模塊化功率，也可以在有故障發(fā)生時(shí)，提供冗余的運(yùn)行方式。
風(fēng)機(jī)的新型設(shè)計(jì)方案為一個(gè)中壓發(fā)電機(jī)與中壓并網(wǎng)逆變器相連，中壓并網(wǎng)逆變器通過一串可以旁路的低壓并網(wǎng)逆變器單元實(shí)現(xiàn)，低壓并網(wǎng)逆變器接到中壓變壓器獨(dú)立繞組上。
太陽能應(yīng)用基于1MW的并網(wǎng)逆變器，可以直接與太陽能電池板相連。
太陽能應(yīng)用中，主要針對(duì)于獲得更高的系統(tǒng)效率。由一個(gè)倍壓變換器和兩個(gè)串聯(lián)的逆變器單元構(gòu)成。直流傳輸電壓提高了4倍，逆變器調(diào)制比為1，使用多重化PWM進(jìn)行控制，大大簡化了輸出濾波器。
參考文獻(xiàn)（略）