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电力电子学在风力发电中的应用

未知 2019-07-21 10:53

1 不同阻断电压的igbt之间的效率对比

  igbt在电力电子中使用的非常广泛。如今,有各种电压等级的igbt广泛用于工业应用的1200v和1700vigbt以及3.3kv、4.5kv和6.5kv的中压igbt。那么哪种电压等级最适合大功率应用呢?当上述igbt被放置在可用的最大外壳中以得到逆变器时,可找到这个问题的答案。当然,模拟在最优工作条件可得到的可用功率更简单。

  将上述igbt封装在宽度为190mm的最大标准外壳ihm中,如果定义了最佳工作条件vdc直流运行环节电压,vac交流输出电压、3.6 khz的载波开关频率并在尽可能好的冷却条件下,如附表所示。图1的计算结果显示了不同igbt的可用功率。

  结果显示,采用3.3 kv、1200 a单模块可获得的最大功率约为采用1.7 kv、2400 a igbt所获得功率的一半。

  与相比之下,6.5 kv、600 a igbt模块所提供的功率仅为1700 v igbt的四分之一。

  产生如此令人惊讶的结果的原因是igbt模块的损耗。如果计算这三个变换器的效率,可以看到损耗比为1:2:4,如图2所示。

  对于这个对比,使用了相同的载波开关频率,fsw =3.6khz。这使得有机会设计滤波器相对较小的逆变器。使用不同的载波开关频率做对比,将导致所用的输出正弦滤波器不同。基于上述种种原因,可以看出,采用1700v igbt的应用实现了最大效率,1700 v igbt是一款具有非常合理单位模块价格的标准工业产品。

  附表 运行在fsw=3.6khz 、cos=0.9 且冷却条件和模块尺寸相同情况下的三相igbt逆变器

2 skiip 方案 vs. 标准igbt模块

  1700v igbt封装在不同的模块外壳中。为了对比,我们可以采用最大的单开关模块,the ihm 2400 a 1700v,将两个这样的模块和一个尺寸和长度相近的双管模块skiip1513gb172做比较。如果两个skiip在一个散热器背靠背放置,则可得到一个电流是2x 1500 a = 3000 a的半桥(外壳温度= 25 ℃时 ),或者电流为 2250 a的半桥(当外壳温度为70 ℃时)。

  两个单开关模块将提供一个2400 a的半桥,见图3。

  图3 负载电流vs开关频率

  如果我们比较计算的结果,可以看到,与放置在最大外壳中的标准模块相比,采用skiip的方案可在整个开关频率范围内提供更高的输出电流。

  如果采用了更强大的skiip模块,如使用硝酸铝作为陶瓷基板的skiip 2403gb172,可从三相逆变器获得更多的功率,目前是1800 kva, 见图4。

  图4 采用1800kva基本单元的示例

  通过放置两个并联的6单元skiip603gd172模块,600kva三相逆变器可被设计在同一外壳中,作为1800kva的一相,见图5 。

  图5 采用600kva基本单元的示例

  该单元可称为基本单元,可用于不同功率的应用设计中。对于更大功率三相逆变器,三相结构作为一个基本单元。将三个单元相并联,可得到1800kva的三相逆变器。所需的更高功率是通过将几个基本单元相并联实现的。

3 igbt模块的并联

  igbt模块的并联运行解决方案如下:

  (1)一台三相逆变器用于整个功率的提供;

  相脚(the phase teg)是由许多并联的igbt模块和一个强大的驱动器组成。每个igbt模块必须有自己的栅极电阻和对称直流环节和交流输出连接[1]。

  (2)三相igbt stack,基本单元的硬并联。

  整个系统是通过一台控制器及其pwm信号控制的。所有三相逆变器基本单元连接到一个普通直流环节电压。对于每个基本单元驱动器,采用驱动器并联板实现并联。驱动器传播时间的小变化(小于为100ns)是通过少数交流输出扼流圈进行补偿的;(电感《 5h)。所有的三相逆变器同时运行,但有小延时,可通过额外的交流扼流圈进行补偿。负载电流恰当共享是通过对称布局和igbt饱和压降的正温度系数实现的[2]。

  (3)第2项所述的系统每个基本单元附带脉宽调制信号的附加校正。并联基本单位的负载电流精确共享是由附加pwm校正控制的。

  (4)几个带同步pwm和用附加先进pwm控制消除循环电流的单元的并联运行[3]。

  (5)通过使用每个基本单元的电气负载隔离。各个基本单元通过绝缘绕组提供电力给负载。各基本单元都有自己的控制器。pwm是独立的、非同步的、自由运行的信号,且每个基本单元都有自己单独的直流环节。在电网侧,每个基本单元有自己的正弦lc滤波器。

  不同直流环节间不存在循环电流,同时输出也是电气隔离的。

  这是将带有标准独立控制器的标准独立基本单元并联起来的最早的方法。

  这样的一个基于发电机侧电气隔离的简单设计如图6所示 。

  图6 三个并联的带分立电机线组的独立4q驱动器

  三个1500kva4q驱动单元连接到永磁风力发电机单独的绕组上。每个4q驱动器都是标准的,拥有自己的发电机侧和电网侧控制器。第四个控制器管理统一的发电机扭矩共享。运行过程中任意一个4q驱动器出现问题时,其余驱动器的运行不会被中断。所描述的系统已应用于3.6mw风力发电机,该风力发电机拥有一台带有三个分立绕组的永磁发电机。该系统为最多达12个四象限驱动器相并联而研制,连接了12台发电机或12个发电机绕组[4]。

4 基本单元的串联

  风力发电机设计者的目的是:

  大功率风力发电机;

  更低的损耗;

  变速;

  高效率;

  采用已经证明有效的半导体;

  纯正弦线电流,使用一个简单的线性变压器;

  良好的线路功率因素且thd低;

  有功和无功功率控制;

  可用于不同功率和电压的模块化结构,适用于快速装配;

  高可靠性;

  最低的成本。

  最佳的解决方案:中压发电机

  中压发电机是未来大功率风力发电机设计中所必需的。然而,中压硅片对这类应用并不合适。正确的解决方案是基本单元的串联。

  例如:额定输出电压为6.3kv的5mw风力发电机的输出电流为3436 arms。经整流的变速发电机输出直流电压在1-10kv之间。

  这些变化的电压是如何连接到电网的呢?

  每个风力发电机需要自己的变压器以连接到电网;电网电压将在20-30kv之间,这就是变压器的输出电压。

  变压器可生产为带有几个,本例中为10个三相绕组,每个为3690 v,用其作为输入电压。

5 基于单元原理的中压风力发电机

  新的中压风力发电机原理如图7所示。

  图7 基于单元原理的中压风力发电机

  每个三相绕组附带一个基本单元,一个600kva的三相逆变器。第四个igbt管脚可被连接在每个基本单元前可以称这种安排为中压单元。所有单元都可以根据图7串联起来。如果第四管脚的igbt开关是关闭的,发电机的直流电流将对单元直流环节电压进行充电。单元电网侧三相逆变放电,控制自己的直流环节电压。对于3x 690v交流电压,直流环节电压将为1050 v。10个串联的基本单元可以产生反电动势,emf,高达101050 =10.5kv。剩余的电压仍然与整流后的发电机电压相平衡。如果发电机转速下降,发电机电压也会变低。

  因此,为控制整流后的直流电流,也是为控制发电机的转矩,部分单元不得不被旁路掉。如果5个单元被旁路掉,剩余的反电动势是51050 =5.25kv。旁路掉更多的单元会增加直流电流和发电机转矩。被旁路掉的单元可向电网提供全部的无功功率。如果某个单元失效,它也将旁路掉。最高最大单元直流环节电压是1200v,因此即使仅有9个单元串联也可承载高达91200 v = 10.8kv的整过流的发电机电压。

  6 带中压同步发电机的变速风力发电机

  特性:

  产生从0至vdcmax的直流电压;

  每个单元直流电压1050 v(采用1700 v 硅片);

  每个单元的最大vdc= 1200 v;

  单元数量 = vdcmax/vcell(+1);

  单元功率: pgenmax/单元数量;

  系统冗余 (+1);

  单元导通时间变化从0% 至100%;

  一个关断的单元可产生全部无功功率;

  高低功率值下均高效;

  线路侧纹波频率= ncellfswcell;

  简单的线路侧变压器。

7 结束语

  大功率应用使用大量的igbt模块,然而,最好是采用更多的带单独控制的开关,例如,将几个单元并联或串联起来,而不是使用一个大单元。这样做的优点是:

  良好的线功率因素和低电流thd,更低的开关频率和更少的无源组件

  可用于不同功率和电压的模块化结构,适用于快速装配

  采用已经证明有效的半导体元件

  更高的效率

  高可靠性

  每kw成本最低。

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