风力发电系统中大功率变流器的应用初探

朱孝清

摘 要：随着社会的不断发展，风力发电系统对中大功率变流器的需求越来越大。文章根据以往工作经验，对中大功率变流器的原理及大功率电子器件对中大功率变流器发展的影响进行总结，并从器件串并联型大功率变流器、多电平大功率变流器、并联变流器、多电平结合多重化型变流器、级联H桥型多电平变流器五方面，论述了风力发电系统中大功率变流器的具体应用。

关键词：风力发电系统；大功率变流器；器件串并联；多电平

中图分类号：TM614 文献标志码：A 文章编号：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

近年来，风力发电机的单机容量呈现出明显的增加趋势，很多风力发电拓撲也被人们开发出来，就目前实际应用情况来看，双馈型风力发电机仍然是风力发电系统中的主流。在直驱型风力发电机系统之中，电能需要经过变流器实现电网上传，这也要求相关功率器件必须具备较高的功率等级。但由于材料等因素的限制，很多功率器件的自身容量有限，为后续设计工作提升了难度。

1 中大功率变流器的原理

在1976年，人们设计出了第一台中大功率变流器，并将其命名为强迫交换相交-交变流器，该变流器也可以被称作是矩阵变流器，主要结构原理如下：在m×n个双向四象限开关阵列排列过程之中，可将n项负载搭载到m项的电网之中，而3×3个开关所组成的三相矩阵变流器则更具有代表意义。与自然型换流器相比，二者具有很强的相似性，尤其是在波形输出方面，都是按照一定的顺序进行采样之后而合成的。但强迫型变流器的采样周期是变化的，变化周期与电源有直接关系。站在另一个角度来说，电压输出波形是根据样板中电压采样周期的“切块”顺序排列而来。为了与样板更加接近，输出电压在采样率的确定上应高于输入和输出功率。在采样控制过程中，还要保证输出电压各个周期中的平均值与参考值相接近。只有这样，合成波形的频率才能进行改变，并与参考波形的低次频率保持相同。

中大功率变流器的电子开关以双向四象限开关为主，能够在两个方向之中对导通电流进行阻断。但在实际采购过程中，很难遇到符合要求的类型，尤其是功率较大的变流器。因此，在实际应用过程中，可以利用标准半导体器件进行组合建设，为确保换流的正确性，双向四象限开关需要对两个方向的电流实现独立控制。

2 大功率电力电子器件对中大功率变流器发展的影响

2.1 绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管简称IGBT，成功研制时间为1988年。截止到目前，市场中IGBT的最大电压已经达到6500V，最大电流也将达到了2400A。通常情况之下，IGBT以模块形式进行封装，在一个标准模块之中，会存在很多个IGBT芯片。例如，在3300V/1300A的模块之中，便包含着36块芯片和450多根连接线。这些芯片在并联固定过程中，一般会固定在一个部位上，以此来提升晶体管的绝缘和导热特性。另外，这种模块形式也很容易在散热器上得到安装。虽然大功率的IGBT模块具有很强的特性和优势，如容易对短路电流进行保护、对电源提供保护等，但也存在很多缺点和不足，如开关损坏之后造成开路等，让大功率变流器的实际应用受到了严重阻碍[1]。

2.2 集成门极换流晶闸管

集成门极换流晶闸管简称IGCT，由日本东芝公司成功研制出来，这种晶体管具备IGBT的很多优点，如饱和压降较低、安全工作区域较宽等。另外，IGCT还具备自身特点，可对不对称的正反向电压进行阻断，以此来保证电压源PWM的正常运转。除此之外，IGCT在使用过程中耗损量很低，可降低风力发电企业在变流器中的投入成本，同时也能增加相关工作的有效性。例如，在300KVA变流器使用过程中，不需要串联和并联也能完成工作。截止到目前，人们所研制的IGCT已经达到了9KV/6KV水准，而很多6.5KV的器件已经在市场中开始供应。也正是由于这种发展因素的促使，让IGCT有希望成为高压低频电流器的最优选择。但从实质上来说，IGCT仍然属于GTO行列，知识解决了GTO中门极驱动的问题。由于门极驱动电路中存在很多电容器，在实际工作中需要消耗大量的功率才能完成相应工作，从而对整体工作效率产生了极大影响。在加上短路故障出现之后，固定开关无法得到及时切断，导致短路保护措施的严重缺失，这对于中大功率变流器的发展十分不利。

2.3 MOS可关断晶闸管

MOS可关断晶闸管简称MTO，发展此项技术的目的是将IGCT集成电路中的MOSEET去除，由于发电系统的整体运行作用，MOSEET被带入了功率器的内部。因此，MTO外部的驱动电路中只含有较少的电路元件，但这些元件均具有较高的可靠性，这一点与IGCT十分相似。当母线电压超过3KV之后，IGCT和MTO之中的功率便会得到广泛应用。但在实际应用过程中，如果母线电压低于3KV，IGBT模块显然更具有应用优势。

3 风力发电系统中大功率变流器的具体应用

3.1 器件串并联型大功率变流器

器件串并联型大功率变流器的电路结构为交-直-交电流源模型，在实际应用过程中，主要采用功率器件GTO与两电平逆变器串联达到高压变电效果，以此来实现逆变器容量的有效提升。从实际结构理论中可以看出，器件串并联型大功率变流器的前段采用的是脉冲晶闸管的整流模式，在中间还要连接一个电抗器之后，在与GTO两端的电平逆变器进行串联，如此一来，拓扑结构将会变的更加简单，故障点也会相应减少。在器件串并联结构的作用之下，拓扑结构将会变的更加简单，功率器件个数也会得到相应减少。但由于器件的串联，也会为整个电路带来分压不均匀等问题，器件的并联会带来均流问题。因此，在实际应用过程中，风力发电系统对驱动电路的要求也会大大提升，应尽量做到串联器件的及时导通和关闭，避免出现电压不均等问题，导致变流器出现崩溃性问题[2]。

3.2 多电平大功率变流器

多电平大功率变流器的实际本质主要依赖于逆变器的“多电平逆变”功能，在与两电平变流器的对比之下，存在以下优点：该变流器中的单个器件所承受的电压应力相对较小，很容易实现高压功率的直接应用；在开关频率相同的情况之下，输出的波形与正弦波更为接近，同时还能降低电磁干扰等问题。例如，在ABB公司所生产的ACS系列变流器之中，主要以三电平拓扑结构为主，内部逆变器的部分功率器利用IGCT进行了代替，从而增加了电压的输出等级。在法国ALSTOM的研究过程中，以IGCT为基础开发出了飞跃电容型五电平变流器，该变流器具有很多优点，如多电平输出、电路结构简单等，可对高压運行要求进行全面满足，但缺点是电容器的安装数量较多，需要极为复杂的技术进行统一控制，还需要对电容预充电电路进行控制。

3.3 并联变流器

在并联电流器使用过程中，通过多个变流器单元的并联，从而完成向整个电网进行功率传输。例如，德国BEN-NING电子有限公司所生产的变流器便是采用这种并联电容器拓扑结构。该类型变流器具有以下特点：首先，利用复杂的高频开关技术和高质量的电子元器件，来促使整个变流单元的结构更加紧密，实现变流效率的有效提升；其次，在多个逆变单元并联过程之中，可增加冗余单元的数量，提升整个风力发电系统的可靠性；再次，可对所有单元中的安全设计进行全面监控，并进行不间断供电。并联变流器提高了发电系统中的电流等级，促使变流器的功率也实现了提升。

3.4 多电平结合多重化型变流器

在该种变流器应用过程中，主要将多电平和多重化变流器的优点汇集在一起，通过多个中压三电平PWM模块串联来实现高压输出。也正是由于此结构的双向作用，构成了一个完整的无谐波系统，对电网进行重叠和整流，促使整个风力发电结构达到国际要求和标准。在该变流器设计时，应用到了高压整流二极管和IGBT，促使主回路之中的器件使用量大大降低，提高了整个系统的可靠性，将变流器的综合效率提升到了98%。但在实际应用过程中，有很多变流模块采用的是12脉冲整流以及二极管箝位三电平拓扑，不但增加了器件的使用率，还导致整个系统构成的性价比不足，在价格上失去了明显优势[3]。

3.5 级联H桥型多电平变流器

相比之下，级联H桥型多电平变流器所需要的器件安装数量最少，而且不需要对大量的箝位二极管进行安装，有利于后续管理工作的开展，也正是因为此项优点，该变流器被称为最合适电网结构应用的变流器。在实际应用过程中，级联H桥型多电平变流器也具备很多应用优势，如在同样的电平数输出情况之下，元器件的使用量最少；容易对电平输出进行提升；每个变流器的结构单元基本相同等。除此之外，该种拓扑结构在风力发电系统应用中也具有一些缺点，在功率变换过程中，该结构需要独立的直流电源进行电能供应，从而在某些方面的应用中受到了限制。H桥的每个单元都具有一个直流电源，随着波形电平数量的提升，串联的单元直流电源数量也会相应增加。

4 结束语

综上所述，在中大功率变流器研究过程中，很多企业相继开发出中点箝位的三电平高压变流器，在拓扑结构上差别不大，但由于功率元件存在较强的差异性，在研究过程中也应用到了不同技术。在我国研究过程中，主要以IGBT高压变流器为主，利用串联形式为风力发电系统提供帮助，并获得了多项专利，为我国新能源的发展做出了很大贡献。

参考文献：

[1]肖湘源，陈盛才.大功率双向DCDC变流器的设计与轨道交通应用[J].技术与市场，2017，24（03）：58+60.

[2]葛琼璇，王晓新，李耀华.三电平有源中点箝位变流器损耗平衡优化控制方法[J].高电压技术，2016，42（09）：2775-2784.

[3]吴俊勇，梅东升，张巨瑞.一种MW级大功率电池储能变流器关键技术及其工程应用[J].电力建设，2016，37（08）：45-51.