風力發電系統中大功率變流器的應用初探

朱孝清

摘 要：隨著社會的不斷發展，風力發電系統對中大功率變流器的需求越來越大。文章根據以往工作經驗，對中大功率變流器的原理及大功率電子器件對中大功率變流器發展的影響進行總結，并從器件串并聯型大功率變流器、多電平大功率變流器、并聯變流器、多電平結合多重化型變流器、級聯H橋型多電平變流器五方面，論述了風力發電系統中大功率變流器的具體應用。

關鍵詞：風力發電系統；大功率變流器；器件串并聯；多電平

中圖分類號：TM614 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0157-02

Abstract： With the development of society， the demand of wind power system for medium and large power converter is increasing. In this paper， the principle of medium and large power converters and the influence of high power electronic devices on the development of medium and large power converters are summarized. And from five aspects， i.e.， the device series-parallel type high-power converter， multi-level high-power converter， parallel converter， multi-level combined multi-heavy type converter and cascaded H-bridge multilevel converter， the application of large power converter in wind power system is discussed.

Keywords： wind power system； high-power converter； device series-parallel； multilevel

前言

近年來，風力發電機的單機容量呈現出明顯的增加趨勢，很多風力發電拓撲也被人們開發出來，就目前實際應用情況來看，雙饋型風力發電機仍然是風力發電系統中的主流。在直驅型風力發電機系統之中，電能需要經過變流器實現電網上傳，這也要求相關功率器件必須具備較高的功率等級。但由于材料等因素的限制，很多功率器件的自身容量有限，為后續設計工作提升了難度。

1 中大功率變流器的原理

在1976年，人們設計出了第一臺中大功率變流器，并將其命名為強迫交換相交-交變流器，該變流器也可以被稱作是矩陣變流器，主要結構原理如下：在m×n個雙向四象限開關陣列排列過程之中，可將n項負載搭載到m項的電網之中，而3×3個開關所組成的三相矩陣變流器則更具有代表意義。與自然型換流器相比，二者具有很強的相似性，尤其是在波形輸出方面，都是按照一定的順序進行采樣之后而合成的。但強迫型變流器的采樣周期是變化的，變化周期與電源有直接關系。站在另一個角度來說，電壓輸出波形是根據樣板中電壓采樣周期的“切塊”順序排列而來。為了與樣板更加接近，輸出電壓在采樣率的確定上應高于輸入和輸出功率。在采樣控制過程中，還要保證輸出電壓各個周期中的平均值與參考值相接近。只有這樣，合成波形的頻率才能進行改變，并與參考波形的低次頻率保持相同。

中大功率變流器的電子開關以雙向四象限開關為主，能夠在兩個方向之中對導通電流進行阻斷。但在實際采購過程中，很難遇到符合要求的類型，尤其是功率較大的變流器。因此，在實際應用過程中，可以利用標準半導體器件進行組合建設，為確保換流的正確性，雙向四象限開關需要對兩個方向的電流實現獨立控制。

2 大功率電力電子器件對中大功率變流器發展的影響

2.1 絕緣柵雙極晶體管

絕緣柵雙極晶體管簡稱IGBT，成功研制時間為1988年。截止到目前，市場中IGBT的最大電壓已經達到6500V，最大電流也將達到了2400A。通常情況之下，IGBT以模塊形式進行封裝，在一個標準模塊之中，會存在很多個IGBT芯片。例如，在3300V/1300A的模塊之中，便包含著36塊芯片和450多根連接線。這些芯片在并聯固定過程中，一般會固定在一個部位上，以此來提升晶體管的絕緣和導熱特性。另外，這種模塊形式也很容易在散熱器上得到安裝。雖然大功率的IGBT模塊具有很強的特性和優勢，如容易對短路電流進行保護、對電源提供保護等，但也存在很多缺點和不足，如開關損壞之后造成開路等，讓大功率變流器的實際應用受到了嚴重阻礙[1]。

2.2 集成門極換流晶閘管

集成門極換流晶閘管簡稱IGCT，由日本東芝公司成功研制出來，這種晶體管具備IGBT的很多優點，如飽和壓降較低、安全工作區域較寬等。另外，IGCT還具備自身特點，可對不對稱的正反向電壓進行阻斷，以此來保證電壓源PWM的正常運轉。除此之外，IGCT在使用過程中耗損量很低，可降低風力發電企業在變流器中的投入成本，同時也能增加相關工作的有效性。例如，在300KVA變流器使用過程中，不需要串聯和并聯也能完成工作。截止到目前，人們所研制的IGCT已經達到了9KV/6KV水準，而很多6.5KV的器件已經在市場中開始供應。也正是由于這種發展因素的促使，讓IGCT有希望成為高壓低頻電流器的最優選擇。但從實質上來說，IGCT仍然屬于GTO行列，知識解決了GTO中門極驅動的問題。由于門極驅動電路中存在很多電容器，在實際工作中需要消耗大量的功率才能完成相應工作，從而對整體工作效率產生了極大影響。在加上短路故障出現之后，固定開關無法得到及時切斷，導致短路保護措施的嚴重缺失，這對于中大功率變流器的發展十分不利。

2.3 MOS可關斷晶閘管

MOS可關斷晶閘管簡稱MTO，發展此項技術的目的是將IGCT集成電路中的MOSEET去除，由于發電系統的整體運行作用，MOSEET被帶入了功率器的內部。因此，MTO外部的驅動電路中只含有較少的電路元件，但這些元件均具有較高的可靠性，這一點與IGCT十分相似。當母線電壓超過3KV之后，IGCT和MTO之中的功率便會得到廣泛應用。但在實際應用過程中，如果母線電壓低于3KV，IGBT模塊顯然更具有應用優勢。

3 風力發電系統中大功率變流器的具體應用

3.1 器件串并聯型大功率變流器

器件串并聯型大功率變流器的電路結構為交-直-交電流源模型，在實際應用過程中，主要采用功率器件GTO與兩電平逆變器串聯達到高壓變電效果，以此來實現逆變器容量的有效提升。從實際結構理論中可以看出，器件串并聯型大功率變流器的前段采用的是脈沖晶閘管的整流模式，在中間還要連接一個電抗器之后，在與GTO兩端的電平逆變器進行串聯，如此一來，拓撲結構將會變的更加簡單，故障點也會相應減少。在器件串并聯結構的作用之下，拓撲結構將會變的更加簡單，功率器件個數也會得到相應減少。但由于器件的串聯，也會為整個電路帶來分壓不均勻等問題，器件的并聯會帶來均流問題。因此，在實際應用過程中，風力發電系統對驅動電路的要求也會大大提升，應盡量做到串聯器件的及時導通和關閉，避免出現電壓不均等問題，導致變流器出現崩潰性問題[2]。

3.2 多電平大功率變流器

多電平大功率變流器的實際本質主要依賴于逆變器的“多電平逆變”功能，在與兩電平變流器的對比之下，存在以下優點：該變流器中的單個器件所承受的電壓應力相對較小，很容易實現高壓功率的直接應用；在開關頻率相同的情況之下，輸出的波形與正弦波更為接近，同時還能降低電磁干擾等問題。例如，在ABB公司所生產的ACS系列變流器之中，主要以三電平拓撲結構為主，內部逆變器的部分功率器利用IGCT進行了代替，從而增加了電壓的輸出等級。在法國ALSTOM的研究過程中，以IGCT為基礎開發出了飛躍電容型五電平變流器，該變流器具有很多優點，如多電平輸出、電路結構簡單等，可對高壓運行要求進行全面滿足，但缺點是電容器的安裝數量較多，需要極為復雜的技術進行統一控制，還需要對電容預充電電路進行控制。

3.3 并聯變流器

在并聯電流器使用過程中，通過多個變流器單元的并聯，從而完成向整個電網進行功率傳輸。例如，德國BEN-NING電子有限公司所生產的變流器便是采用這種并聯電容器拓撲結構。該類型變流器具有以下特點：首先，利用復雜的高頻開關技術和高質量的電子元器件，來促使整個變流單元的結構更加緊密，實現變流效率的有效提升；其次，在多個逆變單元并聯過程之中，可增加冗余單元的數量，提升整個風力發電系統的可靠性；再次，可對所有單元中的安全設計進行全面監控，并進行不間斷供電。并聯變流器提高了發電系統中的電流等級，促使變流器的功率也實現了提升。

3.4 多電平結合多重化型變流器

在該種變流器應用過程中，主要將多電平和多重化變流器的優點匯集在一起，通過多個中壓三電平PWM模塊串聯來實現高壓輸出。也正是由于此結構的雙向作用，構成了一個完整的無諧波系統，對電網進行重疊和整流，促使整個風力發電結構達到國際要求和標準。在該變流器設計時，應用到了高壓整流二極管和IGBT，促使主回路之中的器件使用量大大降低，提高了整個系統的可靠性，將變流器的綜合效率提升到了98%。但在實際應用過程中，有很多變流模塊采用的是12脈沖整流以及二極管箝位三電平拓撲，不但增加了器件的使用率，還導致整個系統構成的性價比不足，在價格上失去了明顯優勢[3]。

3.5 級聯H橋型多電平變流器

相比之下，級聯H橋型多電平變流器所需要的器件安裝數量最少，而且不需要對大量的箝位二極管進行安裝，有利于后續管理工作的開展，也正是因為此項優點，該變流器被稱為最合適電網結構應用的變流器。在實際應用過程中，級聯H橋型多電平變流器也具備很多應用優勢，如在同樣的電平數輸出情況之下，元器件的使用量最少；容易對電平輸出進行提升；每個變流器的結構單元基本相同等。除此之外，該種拓撲結構在風力發電系統應用中也具有一些缺點，在功率變換過程中，該結構需要獨立的直流電源進行電能供應，從而在某些方面的應用中受到了限制。H橋的每個單元都具有一個直流電源，隨著波形電平數量的提升，串聯的單元直流電源數量也會相應增加。

4 結束語

綜上所述，在中大功率變流器研究過程中，很多企業相繼開發出中點箝位的三電平高壓變流器，在拓撲結構上差別不大，但由于功率元件存在較強的差異性，在研究過程中也應用到了不同技術。在我國研究過程中，主要以IGBT高壓變流器為主，利用串聯形式為風力發電系統提供幫助，并獲得了多項專利，為我國新能源的發展做出了很大貢獻。

參考文獻：

[1]肖湘源，陳盛才.大功率雙向DCDC變流器的設計與軌道交通應用[J].技術與市場，2017，24（03）：58+60.

[2]葛瓊璇，王曉新，李耀華.三電平有源中點箝位變流器損耗平衡優化控制方法[J].高電壓技術，2016，42（09）：2775-2784.

[3]吳俊勇，梅東升，張巨瑞.一種MW級大功率電池儲能變流器關鍵技術及其工程應用[J].電力建設，2016，37（08）：45-51.