1、引言
　　在效率和可靠成為主要需要需求的今天，電力電子在可再生能源領域的應用受到巨大的挑戰。今天，1700v低壓硅片有很大的優勢。對于mw級的輸入/輸出功率，需要將帶有幾十個芯片的幾十個模塊并聯起來。最好的解決方案是將逆變器/電源模塊并聯，但這種方案需要額外低壓傳輸，通過電源到中壓（mv）的變壓器來實現，另一種解決方案是通過將由低壓硅片和功率單元進行串聯，組成一個中壓電網側逆變器來實現能量傳輸，組成一個中壓電源。此外，交錯pwm減小了正弦濾波器的尺寸、降低了開關頻率及總損耗。
　　
　　2、最先進的技術
　　現有新大功率可再生能源是風力發電機（wt）和光伏（pv）應用。新風力發電機組的平均功率超過2mw，但高達5mw的機組也在使用。至于光伏應用，在過去幾年中，趨勢是使用到高達0.5mw的獨立單元，采用1mw以上單元的趨勢也在增加。最常見的是10mw大型光伏發電系統，高達60mw的系統也在運行。兩者都是通過電網側逆變器與電網相連接，并且都通過正弦濾波器向電網提供低失真正弦電流。
　　風力發電機有帶有升壓功能的發電機側變流器，將發電機變化的輸出電壓整流成電網側變換器最佳運行所需的恒定直流電壓。同樣，光伏電池板向變流器供電，電壓與光照強度、環境溫度、負載電流和功率成正比。其結果是可變的輸入電壓，變化范圍在1:2以上。通常大功率光伏電網側逆變器不使用額外的前端變流器。
　　在功率轉換中，效率的優先級是第一位的。如今，電力電子行業為風力發電機應用使用1200v和1700v的工業硅基組件，為光伏應用使用1200v的工業硅基組件（低功率單相供電采用600v組件）。通過采用合適的硅材料和新的更好的半導體技術，可降低變流器的損耗，從而提高系統效率。然而，本文將不詳述這些，理由很簡單，未來5~10年，igbt仍將是電力電子技術的主力，沒有明顯的變化可言。
　　基于雙饋感應發電機（dfig）的風力發電機設計正逐漸過時。事實上，采用dfig技術的風力發電機公司正將其新的開發基于直驅原理的，傳統的4象限驅動器[1]
　　如今，對于帶有兩個串聯的電力電子變流器（置于一個殼體中）的直驅結構來說，從發電機輸出端通過發電機dv/dt濾波器、發電機側變流器、直流環節、電網側逆變器和輸出正弦濾波器測得的風力發電機效率在96-97%之間。功率轉換器尺寸是由價格和高可靠性要求決定的。
　　可靠性是一個非常重要的因素。風力發電機不能停止工作，不能停止轉動！因此使用一流的組件絕對是必要的。然而，渦輪機的設計也很重要，萬一單個組件故障，也應能使發電機繼續運行。幾mva的逆變器功率需要相當數量的半導體芯片并聯，這是通過并聯模塊實現的。
　　2.1 igbt模塊并聯運行的解決方案
　　（1）一個驅動器用于驅動多個并聯的igbt，這些igbt組成了整機的逆變器的其中一相。每個igbt模塊擁有其自己的柵極電阻和對稱的直流與交流連接。一個成功的例子是用于光伏應用的semikubeigbt功率stack。[2]
　　（2）幾個逆變器相單元的并聯，每個都有其并聯運行的驅動器。由于不同的驅動器延遲時間，小的交流輸出扼流圈也是必需的。（由skiipipm組成功率模塊單元的并聯）
　　（3）帶有直流環節和若干并聯模塊的三相單元的并聯由其自己的驅動器驅動。對于大功率，幾個三相逆變器并聯。由于不同的驅動器延遲時間，仍需要交流輸出扼流圈。使用了一個pwm信號和一個直流環節。[3]
　　（4）帶一個pwm控制器的三相逆變器并聯運行和對并聯逆變器的負載電流進行額外的均流控制（先進的pwm控制）。
　　（5）帶有短延時的主從驅動器驅動幾個并聯的模塊。無需任何附加電感，在半導體芯片損壞的情況下，只有一個模塊會被破壞。
　　（6）輸入或輸出端帶電流隔離的并聯逆變器運行-是標準并聯，帶有不同pwm的獨立基本單元和單獨的控制器下的運行[4]（見圖1）。
　　在一些風力發電機設計中，發電機和整個傳動系統以及中壓變壓器被放置在發電機艙中。在這種情況下，發電機艙的總重量很大，但這是唯一能夠使低壓發電機和中壓電網間傳輸損耗可以忍受的方法。在其他設計中，風力發電機傳動系統位于底部，在塔的基座上。輸電距離約為100米，而且是低壓的，功率損耗和成本高。
　　標準工業硅基1700vigbt模塊若用于1mw三相逆變器必須采用并聯的形式。現今單個三相逆變器的最大可用功率是1.5mw。[5]因此，采用幾個發電機繞組的解決方案便于獨立傳動系統的并行化。同時，這種設計的可靠性比采用帶有相同數量并聯模塊的大功率轉換器的設計要高（圖1）。
　　
　　
　　
　　圖1 帶有三個發電機繞組和獨立傳動系統的渦輪機結構
　　
　　
　　
　　圖2 電網側逆變器每相等效電路和單一、超前和滯后功率因數運行相量圖
　　
　

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　　2.2 風力發電機
　　對發電機的要求，如最小尺寸、紋波轉矩和短路，特別是對于低速、直接驅動的發電機，產生帶有若干相的發電機解決方案，如2個或3個三相繞組，或者6個三相繞組。由于標準工業三相逆變器和控制器，所以不使用帶有5、7或更多相多相系統的發電機。對于兆瓦級發電機的尺寸，傳統的方法是中壓輸出。然而，中壓輸入和輸出需要使用中壓pe組件。用在電網側的最先進中壓轉換器，開關頻率為幾khz，效率大大降低并且每千瓦的成本貴很多。

　　2.3 無功功率控制
　　可再生能源的額外要求是：有功功率控制、無功功率控制，低壓穿透能力以及不經常提到的一個要求，即不對稱電網電壓下的運行[7]。
　　可再生能源的無功功率控制，最初用在風力發電機中，最近更多用在光伏應用中，要求輸入到電網側逆變器的直流環節電壓更高。
　　2.4 電網側逆變器的運行
　　pwm變換器中的功率流是通過調整源電壓u1和各自變換器反射輸入電壓vs1之間的相移角δ來控制的。
　　當u1超前于vs1，實際功率從交流電源流向變換器。相反地，如果u1滯后vs1，則功率從變換器的直流側流入交流電源。實際傳輸的功率由方程（1）給出。
　　(1)
　　交流功率因數是通過控制vs1的幅度來調整的。每相等效電路和超前、滯后和單位功率因數運行的相位圖如圖2所示。相量圖顯示，要實現單位功率因數，vs1應為
　　(2)
　　
　　3、新設計提案
　　3.1 wt用于大功率風力發電機的逆變器單元串聯
　　帶有基于單獨發電機繞組直驅變流器的風力發電機設計有很多優點，但也一個大缺點。發電機和變流器之間需要很多電纜-3個三相繞組。因此，在發電機艙中所有變流器都靠近發電機。為了在低電壓下獲得大功率，發電機電流要遠大于1500a。一個有吸引力的解決方案是采用中壓同步發電機和一個二極管整流器。但是，在這種情況下，直流電壓變化大（1:2），并且需要中壓硅裝置。由于風力發電機被期望即使是在最小轉速和如1000v的最小直流電壓下仍能輸出電能，中壓變壓器的輸出電壓相對來說是低的，即660v。與此同時，直流電壓可能超過2kv。
　　對于電網側逆變器，一個合乎邏輯的解決方案是一系列串聯的逆變器，它可以對整流后變化的發電機電壓進行分壓。這些電網側逆變器單元連接到中壓電網變壓器的初級繞組，并獨立地保持其直流環節電壓。為了降低發電機電壓，一些單元必須被旁路，從而使單元的等效總電壓低，與發電機電壓相符。風力發電機轉矩需求與發電機電流需求是一樣的，因此它與真正的、實際的直流電流值相比較。如果轉矩需求比實際直流電流值高，旁路時間總和應更大，更多的單元被繞過，等效反電動勢將會降低，從而增大直流電流。
　　所用的每個電網側逆變器控制和保持恒定的輸入直流電壓，如1000v，并連接到變壓器的初級繞組。如果直流電壓值高于設定值，放電電流就越大。電網側逆變器可以是單相或三相的。單相單元只有一個變壓器繞組。經過整流的發電機中壓，比如十幾千伏，為這一系列逆變器單元供電。某些單元有輸入旁路開關，允許進行直流環節控制，某些單元則沒有輸入旁路。它們總是串聯的，其電壓總和對應于最小發電機電壓。
　　以下介紹的是一個兆瓦級風力發電機的電源轉換方案，由一個中壓同步發電機、一個位于發電機艙中的二極管整流器、一個至中壓電網側逆變器的中壓直流高效輸電以及高壓電網變壓器組成。圖3[6]也使用了若干共享可變輸出發電機電壓的單元。每個單元有一個電網側逆變器、三相或者單相、獨立變壓器繞組和直流環節電容器。輸入功率-來自中壓發電機的電流-對直流環節進行充電，變換器將其電釋放完。這就是為什么直流環節電壓保持不變，因為并網逆變器控制到電網的直流放電電流。單元輸入的特點是采用半橋配置，例如傳統的升壓器，然而，這個只作為旁路開關使用。如果發電機電壓低于串聯單元電壓之和，則來自發電機的電流會減小。因此，更多的單元被旁路掉，從而減少單元數量，增大發電機的電流。
　　
　　
　　
　　圖3 帶中壓電網側逆變器的中壓發電機
　　
　　
　　特點：
　　●發電機直流電壓從1000v到vdcmax，在10kvdc范圍內；
　　●對于3×690vac單元供電，每單元直流電壓1100v(1700v硅片)；
　　●單元數=vdcmax/vcell；
　　●單元功率：pgenmax/單元數；
　　●優化單元功率分配；
　　●不同數量已連接和被旁路單元的中壓直流電流控制；
　　●單元導通時間各有不同，從0%到100%；
　　●關閉的單元能產生完全無功功率；
　　●滿功率或較低功率下的高效率；
　　●采用每單元交錯pwm，減少總諧波失真；
　　●電網側電流紋波頻率等于開關頻率乘以單元數；
　　●低壓穿越能力；
　　●50/60hz應用中無差異；
　　●新風場概念：風力渦輪發電機及整流器連接到位于風場中心的功率轉換器。所有單元可以在一個集中解決方案中，位于風場中最適合的位置，即靠近分站；
　　●單元包括成熟可靠的1700v硅片，避免使用有損中壓設備，實現高效率的功率轉換；
　　●由于現有的中壓設備的限制，中壓發電機繞組電壓沒有限制。

　　3.2 光伏應用
　　光伏應用通常只有一個pe電網側并網逆變器（gti）。gti交流輸出電壓與最小直流輸入電壓成正比-啟動光伏電壓與最低光照成正比。如果選擇的交流輸出電壓較低，則額定功率的電流會更高；然而，與此同時，啟動電壓會較低。因此交流輸出電壓是一個折衷的辦法：一些產品使用3×270v，而其它使用3×328v。
　　較高的交流輸出電壓設計忽視了可被使用的最小能量，如果光伏電壓/輸出交流電壓較低。在光伏應用中，gti僅工作在約1/2的額定輸出電壓下。開發了1200v硅片用于高達480vac的輸入/輸出電壓，如今的光伏應用僅使用270~330v。這種運行的效率較低，因為它與調制因子m(vac/dc的比值)密切相關。對于400vac/650vdc或480vac/800vdc，效率非常相似，比270vac(500-900vdc)光伏應用所使用的比率更高(見圖4)。
　　
　　
　　
　　圖4 各種功率下gti的效率；fsw=5khz　

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　　3.3 帶有源前端的pvgti
　　下面介紹的是一個兆瓦級光伏應用的電源轉換方案(見圖5)，由太陽能電池板、一個靠近電池板的帶對稱升壓器的有源前端、至逆變器站的直流輸電線路、工業電網側變換器、正弦濾波器，標準線路電壓/中壓變壓器組成。
　　逆變器輸入電壓為ac變壓器輸入電壓進行了優化，調制系數m接近等于1。
　　(3)
　　來自美國的示例應用：圖5的電路中，光伏電壓范圍在200v~600v；升壓器輸出電壓/輸電電壓為800vdc，輸出：3×480v，使用了一個標準變壓器。前端使用600v的硅片，逆變器使用1200v的硅片。例如，對于400v的光伏電壓，直流輸電損失降低4倍，此時輸電電壓為800v。要求是光電板具有相對低的紋波電流，這可以用光電板與前端單元之間的較高電感來實現，但也增加了開關頻率。連接電纜的電感對于減少電流紋波有積極的影響。100m長電纜的電感超過0.1mh。
　　
　　
　　
　　圖5 升壓器&gti
　　
　　
　　來自歐盟的示例應用：對于400~900v的光伏，前升壓器將為3×400v產生650v的電壓，或者為3×480v產生800v的電壓。如果光伏電壓高于650v或800v，升壓器功能關閉，去往gti的光伏電壓不變。
　　前端升壓器交替為輸出電壓的上半和下半部分供電。當頂部igbt1和底部igbt2為半個開關周期打開時，即電學上的180°，它是作為一個電壓倍增器。這種運行方法有很大的優勢，因為光電板的輸出電流是常數，不使用額外的大電感l1和l2。50~100米的連接電纜長度足夠了。
　　因為這個優勢，圖6所展示的方案被采用了。
　　
　　
　　
　　圖6 電壓倍增器、第二旁路或升壓器、兩個帶交錯pwm的gti
　　
　　
　　光伏電壓始終被增大一倍，即電壓范圍在800v~1800v。由于1800v對于gti中所用的低壓硅來說太高，可以使用與帶有兩個串聯單元的中壓風力發電機相同的想法。單元旁路電路可安裝在靠近電壓倍增器的地方，它可為兩個串聯的逆變器調整所需的直流電壓。這樣，傳輸電壓將高達光伏輸出電壓的4倍。
　　例1：光伏電壓400~900v、倍增器電壓800~1800v、第二升壓器輸出電壓/輸電電壓/逆變器電壓：1600~1800v，1600v后無升壓效應，用于2×3×480v變壓器。使用的所有開關是1200v的。
　　例2：光伏電壓：400~900v、倍增器電壓800~1800v、第二升壓器輸出電壓/輸電電壓/逆變器電壓：2200v=2×1100v，用于2×3×690v變壓器。電壓倍增硅片為1200v，其余igbt及二極管為1700v。如果載波開關頻率低于4khz，采用1700v硅片的逆變器效率高于1200v的。
　　對于2200v的輸電電壓，傳輸損耗比經典的、直接連接且光伏電壓為550v時的損耗低16倍。（使用相同的連接電纜）
　　頂部和底部的電網側逆變器有相同的功率和相電流值，并連接到電鍍絕緣繞組。因此很容易應用交錯pwm。對于并聯運行兩臺逆變器，交錯相移是開關周期的一半，即180°。
　　這樣，正弦濾波器只有一個電感l，尺寸顯著減小。圖7中的仿真例子顯示了逆變器1和逆變器2的電流，載波開關頻率只有1khz、thd=19%，這些電流之和-電網電流，具有非常低的thd=3.8％。
　　
　　
　　
　　圖7 頂部逆變器相電流；底部逆變器相
　　
　　
　　交錯方式的優勢是顯而易見的。只有一個帶單個電感的低通濾波器，加上雜散變壓器電感，相當于短路變壓器路電壓uk=4%。使用的l_total=12%。
　　對于目前小于4%的總諧波失真，一臺帶有12%正弦輸出濾波器電感的并網逆變器需要大于6khz的載波開關頻率。
　　
　　4、結束語
　　風力發電機的電力電子組件是完全基于1700v硅基igbt及二極管。dfig-wt越來越不流行，當前趨勢是向直驅的方向發展，即采用兩臺背靠背連接的變流器的裝置。正在開發的風力發電機功率范圍在3~5mw。采用2、3甚至6個三相發電機繞組，使用相同數量的獨立傳動系統并獨立控制的原則，可提供大功率模塊以及發生故障時的冗余操作。
　　風力發電機的新設計方案是一個帶有中壓電網側逆變器的中壓發電機，特點是配備了一系列具有旁路電路的單元和連接到獨立中壓變壓器繞組的低壓gti。
　　光伏應用基于功率高達1mw的gti，直接連接到pv面板上。
　　對于光伏應用，方案的目的是為了更高系統效率的，即由一個電壓倍增器和兩個串聯電池組成，傳輸電壓高4倍、逆變器在調制因子為1的狀態下運行，在pwm控制中采用交錯方式，大大減少了輸出濾波器。

參考文獻
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