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)機單臺的平均功率已經(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0.5MW提高到現(xiàn)在的單機1MW+,。10MW的光伏發(fā)電站最為常見，同時高達(dá)60MW的電站也已經(jīng)在運行,。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)機在發(fā)電側(cè)有一個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)化運行。與此相似,，太陽能電池板向變換器提供和光照強度,、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)機中使用1200V和1700V硅元件，在太陽能電池中使用1200V硅元件（對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,，因為在未來5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)電機的風(fēng)機結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再流行。所有使用雙饋原理的風(fēng)機廠商正在發(fā)展基于直驅(qū)式和傳統(tǒng)四象限驅(qū)動的電機,。
對于將兩個串行的電力電子變換器放置在一個直驅(qū)式結(jié)構(gòu),，風(fēng)機變換器的效率可以達(dá)到96%~97%。這個效率是發(fā)電機的輸出通過dV/dt濾波器,、發(fā)電機側(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格和可靠性的需求決定,。
可靠性也是一個很重要的因素。風(fēng)車不能夠停止工作,，停止轉(zhuǎn)動,。為此，所有的元器件都需要良好的性能,，同時也需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,，以使得當(dāng)一個器件出現(xiàn)故障時還能夠繼續(xù)運行,。對于幾個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)運行的解決方案
?。?）逆變器每一相為一個單元，每相有很多個IGBT模塊并聯(lián),，它們共用一個驅(qū)動,。每個IGBT模塊都有獨立的門極電阻和對稱的DC和AC連接。作為一個成功的例子,，SEMIKUBE IGBT模塊已經(jīng)運用在太陽能領(lǐng)域,。
（2）幾個逆變器的相單元并聯(lián),，分別使用獨立的驅(qū)動,。由于不同驅(qū)動的延時不同，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，每一相也有幾個模塊并聯(lián),，每個系統(tǒng)使用獨立的驅(qū)動,。對于更大的功率，需要將幾個三相逆變器并聯(lián)使用,。由于不同驅(qū)動延遲不同,，依然需要AC輸出的扼流圈?？梢允褂靡粋€PWM信號和直流母線,。
（4）三相逆變器并聯(lián)運行,，使用一個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,，可以驅(qū)動幾個并聯(lián)運行的模塊。不需要添加額外的電感,，而且當(dāng)一個半導(dǎo)體芯片損壞時,，只會損壞一個開關(guān)模塊。
?。?）帶有輸入或輸出端電流隔離的逆變器并聯(lián)運行,。其中每一個并聯(lián)支路都是一個標(biāo)準(zhǔn)的、獨立的,、基礎(chǔ)的單元,，有不同的PWM和獨立的控制器,，如圖1。
在一些風(fēng)機結(jié)構(gòu)中,，發(fā)電機,、整條驅(qū)動和中壓變壓器都被放在一個機艙中。這種情況下,，機艙總重量會很大,，但這卻是使得低壓發(fā)電機和中壓電網(wǎng)間傳輸損耗可以被接受的唯一的方法。在另一些設(shè)計中,，風(fēng)機的驅(qū)動系統(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模塊對于1MW的三相逆變器必須并聯(lián)使用,；現(xiàn)階段最大的單個三相逆變器為1.5 MW,。因此對于幾個發(fā)電機繞組，可以將獨立的驅(qū)動系統(tǒng)簡單的并聯(lián),。同時,，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)后組成一個更大功率的變換器（見圖1）。
圖1 有3個發(fā)電機繞組和獨立驅(qū)動系統(tǒng)的風(fēng)機結(jié)構(gòu)
1.2 風(fēng)力發(fā)電機
發(fā)電機的一些要求,，例如最小尺寸,、脈動轉(zhuǎn)矩和短路轉(zhuǎn)矩，尤其對于低速直驅(qū)發(fā)電機,，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)，因為三相逆變器和控制器都是已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)化的,。幾兆瓦發(fā)電機傳統(tǒng)需要中壓輸出,。但是中壓輸入和輸出系統(tǒng)對于中壓電力電子器件的使用提出了要求。現(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)常提到的非對稱電網(wǎng)電壓運行,。
可再生能源電源的無功控制首先使用于風(fēng)機中，最近在光伏中開始運用,。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控制通過調(diào)整相移角δ實現(xiàn),，它是電源電壓U1和對應(yīng)變換器的輸入電壓Vs1之間的相角差。
當(dāng)U1領(lǐng)先Vs1時,，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)時的運行如圖2所示。通過相圖可以看到,，當(dāng)功率因數(shù)為1時,，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)計方案
2.1大功率風(fēng)機逆變器單元串聯(lián)
風(fēng)機設(shè)計中采用基于獨立發(fā)電機繞組的直驅(qū)式變換器有很多優(yōu)勢,，但也有一個大缺陷,。在發(fā)電機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艙中靠近發(fā)電機的地方,。對于大功率低電壓的情況,，發(fā)電機電流遠(yuǎn)大于1500A。一個很好的方法是使用中壓同步發(fā)電機并且只用一個二極管整流器,。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。例如對于1000V直流電,，輸出到中壓變壓器上的電壓相對較小,，為660V。與此同時,，直流母線電壓可能超過2kV,。
對于并網(wǎng)逆變器，一種合理的解決方案是將逆變器串聯(lián),，這樣可以對可變的發(fā)電機整流電壓進(jìn)行分壓,。這些并網(wǎng)逆變器接到中壓變壓器的初級繞組上，獨立的維持其直流母線電壓,。對于更低的發(fā)電機電壓,，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應(yīng)于發(fā)電機電壓。風(fēng)機轉(zhuǎn)矩的要求實際上是對發(fā)電機電流的要求,；因此可以將其與真實的直流電流比較,。如果需要的轉(zhuǎn)矩比實際的直流電流大，則旁路的時間總和更大,，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繞組上,。如果直流電壓高于一個設(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,。單相單元只有一個變壓器繞組,。發(fā)電機發(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,，其電壓之和對應(yīng)于最小的發(fā)電機電壓,。
這里給出一個兆瓦級風(fēng)機的功率轉(zhuǎn)換方案，包括中壓同步發(fā)電機,、機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）,。使用幾個單元對變化的發(fā)電機輸出電壓分壓,。每個單元有一個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)電機的電流對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,，因為它決定了直流母線對電網(wǎng)的放電電流。單元輸入處為一個半橋配置,，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)電機電壓低于串聯(lián)單元的電壓之和,，發(fā)電機的電流應(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)電機電流,。
圖3 中壓發(fā)電機和由幾個單元串聯(lián)構(gòu)成的中壓并網(wǎng)逆變器
特性：
l 發(fā)電機直流電壓范圍從100V到最大直流電壓10kV；
l 對于3×690V交流電源單元,，每個單元的直流電壓為1100V（1700V 硅）,；
l 單元數(shù)目=最大直流電壓/每個單元直流電壓；
l 單元功率：發(fā)電機最大功率/單元數(shù)目,；
l 實現(xiàn)單元最佳功率分配,；
l *通過改變連接或旁路單元的數(shù)目實現(xiàn)中壓直流電流控制；
l 單元投入時間可以在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都有很高的效率,；
l 對每個單元使用多重化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 不會由于現(xiàn)有中壓器件的限制而限制發(fā)電機中壓繞組電壓,。
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光伏電壓,。如果選擇的交流輸出電壓越低,，則額定功率對應(yīng)的電流越高，然而啟動電壓會越低,。為此需要對交流輸出電壓做一個折衷：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,，可以利用很小的能量,，當(dāng)交流輸出電壓設(shè)計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,。這樣運行效率更低,，因為其與調(diào)制比M，即Vac與Vdc的比值,，密切相關(guān),。對于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,，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小,，可以增加電池板和前端控制間的電感，同時也需要提高開關(guān)頻率,。連接電纜的電感對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，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)時間，即180度電角度,，則作為倍壓變換器運行,。這種運行方式有很大優(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。
這個優(yōu)勢導(dǎo)致該方案如圖6所示,。
圖6 倍壓變換器,，第二個旁路或升壓變換器，兩個使用多重化PWM的GTI
光伏電壓總是可以翻倍,，即在800~1800V范圍內(nèi),。對于GTI中使用的低壓硅器件，1800V是一個過高的電壓,，我們可以使用中壓風(fēng)機中使用的方法,，將兩個單元串聯(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,，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,。對于兩個逆變器的并聯(lián)運行,，使用多重化PWM時,，會有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,，且只有一個電感值L。圖8中的仿真結(jié)果顯示了1號和2號逆變器的電流,，此時開關(guān)載波頻率只有1 kHz,，THD=19%，兩個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)點明顯,。只需使用一個電感構(gòu)成的低通濾波器與變壓器的漏電感共同作用即可。變壓器漏電感對應(yīng)于變壓器uk=4%時的短路電流,。L_total=12%,。
一個并網(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)電機的風(fēng)機結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再流行。使用兩個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)機功率等級為3-5MW,。運用2個、3個甚至6個3相發(fā)電機繞組,，使用同樣數(shù)量的獨立驅(qū)動裝置,，獨立控制裝置，可以提供很高的模塊化功率,，也可以在有故障發(fā)生時,，提供冗余的運行方式,。
風(fēng)機的新型設(shè)計方案為一個中壓發(fā)電機與中壓并網(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)逆變器單元實現(xiàn)，低壓并網(wǎng)逆變器接到中壓變壓器獨立繞組上,。
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，主要針對于獲得更高的系統(tǒng)效率,。由一個倍壓變換器和兩個串聯(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）