摘要
風(fēng)機(jī)單機(jī)功率的提升一定程度上有利于風(fēng)電成本的降低。目前大功率風(fēng)機(jī)單機(jī)功率為5MW級左右，有向10MW級發(fā)展的趨勢。本文對應(yīng)用于大功率風(fēng)機(jī)的變換器及開關(guān)器件的可行方案進(jìn)行評估。所考慮的電力電子變換器包括各種多電平電壓源型變換器，以及基于SGCT的電流源型變換器。諧振變換器、矩陣變換器等應(yīng)用前景不明朗的方案不在考慮之列。相關(guān)大功率變流器目前已應(yīng)用于石油天然氣、艦船動(dòng)力等領(lǐng)域。本文從諧波含量、機(jī)電扭轉(zhuǎn)作用、故障穿越能力、共模電壓水平、電磁兼容能力、輸入輸出濾波器需求、整體效率、元件數(shù)量、體積以及適用功率等級等方面評估了各種變換器電路。對各種適用于大功率應(yīng)用的開關(guān)器件的優(yōu)缺點(diǎn)也同時(shí)進(jìn)行了比較。
功率器件的分類與比較
下文中分別使用不同的顏色表示器件的性能等級、技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，如表1和表2所示。
變流器中半導(dǎo)體開關(guān)器件的選取需要考慮很多因素。如表3，功率半導(dǎo)體器件分為電流驅(qū)動(dòng)型開關(guān)器件和電壓驅(qū)動(dòng)型開關(guān)器件。總體上，電流驅(qū)動(dòng)型開關(guān)器件如IGCT、SGCT以及GTO比電壓驅(qū)動(dòng)型開關(guān)器件如IGBT需要的輔助元件多。晶閘管器件因不能滿足風(fēng)機(jī)變換器的各種要求，文中沒有考慮晶閘管。電流驅(qū)動(dòng)型開關(guān)管比電壓驅(qū)動(dòng)型開關(guān)管通態(tài)損耗低，但開關(guān)損耗大。高頻變換器一般采用電壓驅(qū)動(dòng)型開關(guān)管。
GTO雖性能優(yōu)異，但輔助電路多，這樣裝置的造價(jià)和復(fù)雜程度增加、可靠性降低。與GTO相比， IGBT和IGCT造價(jià)低，功率密度高。由于高功率等級的IGBT及IGCT的開關(guān)損耗分別小于同功率等級的GTO，因此GTO在中低功率應(yīng)用中正被IGBT取代、在大功率應(yīng)用中正被IGCT取代。GTO 器件本身的故障率在100 FIT左右，如果考慮驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路故障，故障率將升至600 FIT，甚至更高。GTO器件的主要失效模式為短路。
IGBT和IGCT是目前最常用的兩種開關(guān)器件。它們之間的差別在于IGCT允許通過的電流大而IGBT的開關(guān)頻率高。高的開關(guān)頻率使得IGBT變換器諧波含量低，但同時(shí)也增加了開關(guān)損耗。IGBT器件的通態(tài)壓降比IGCT大。為了減小IGBT的通態(tài)壓降，需要增加開關(guān)管的硅晶片面積，從而增加制造成本。
IGBT有塑封和壓接兩種封裝技術(shù)。塑封IGBT一般是單面冷卻，故障后的失效模式為開路，并可能出現(xiàn)外殼爆裂、弧光放電等情況。壓接IGBT的失效模式為短路。在需要開關(guān)器件串聯(lián)使用的場合，壓接IGBT更有優(yōu)勢。目前，IGCT模塊都采用壓接封裝技術(shù)。與IGBT模塊相比，IGCT模塊的熱應(yīng)力更小，發(fā)生爆裂和弧光放電等情況的幾率更小。IGCT可以采用兩面冷卻設(shè)計(jì)，冷卻效果明顯優(yōu)于IGBT。但是，IGBT的故障率低于IGCT模塊，一般情況下是是后者故障率二分之一。
IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)電路元件少。目前IGBT的驅(qū)動(dòng)電路、控制電路和保護(hù)電路都可以高度集成。在短路故障時(shí)只要結(jié)溫不超過安全工作范圍，驅(qū)動(dòng)電路仍可以繼續(xù)安全工作。IGBT在大電流時(shí)具有退飽和特性，可以在一定程度上保護(hù)器件過流，其它的電力電子開關(guān)器件則都不具備這種特性。總之，IGBT具有驅(qū)動(dòng)簡單、過壓過流保護(hù)實(shí)現(xiàn)容易、開關(guān)頻率高以及不需要緩沖電路等特性，非常適合應(yīng)用在中壓驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。IGBT是目前應(yīng)用最廣泛的電力電子開關(guān)器件。常見的IGBT器件的額定電壓等級有600V、1200V、1700V、2500V、3300V和4500V，額定電流則可以達(dá)到2400A。雖然有更高電壓等級的IGBT器件，但其電流等級卻大為下降。例如，額定電壓為6500V的IGBT器件的額定電流僅為650A。額定功率最大的IGBT電壓電流參數(shù)為3600V/1700A和4500V/1200A。
IGBT有分立模塊和智能功率模塊兩種。智能功率模塊除具有一般IGBT器件優(yōu)點(diǎn)外，它集成了驅(qū)動(dòng)電路并具有內(nèi)置保護(hù)功能。使用智能功率模塊可減小設(shè)備體積和造價(jià)，提高可靠性，降低電磁干擾，簡化冷卻系統(tǒng)，加快變換器的設(shè)計(jì)和制造速度。常見的智能功率模塊的電壓等級為3300V，電流等級為1200A。
目前不對稱阻斷IGCT器件主要有6500V*3000A和6000V*4500A兩種型號。由于IGCT驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，如將驅(qū)動(dòng)電路故障考慮在內(nèi)，IGCT故障率遠(yuǎn)高于同樣考慮驅(qū)動(dòng)電路故障的IGBT，IGCT的故障率一般在640 FIT左右。IGCT的失效模式為短路。
為了在不增加驅(qū)動(dòng)電路損耗的前提下降低IGBT的導(dǎo)通損耗，IEGT應(yīng)運(yùn)而生。IEGT通常采用壓接封裝技術(shù)。IEGT的正向?qū)▔航档陀贗GBT，有利于提高設(shè)備的功率密度和效率。IEGT的損耗很小，甚至低于晶閘管的損耗。IEGT的關(guān)斷電壓和關(guān)斷電流均高于IGBT，典型值分別為4500V和4000A。IEGT的故障率略高于IGBT，驅(qū)動(dòng)電路也更復(fù)雜，并且不具備IGBT類似的內(nèi)在過流保護(hù)特性。IEGT器件失效后處于短路狀態(tài)。
SGCT是集成了門級驅(qū)動(dòng)的晶閘管，與IGCT非常相似。SGCT可以關(guān)斷正向和反向電壓，但只允許單向電流通過。因此，SGCT不需要串聯(lián)二極管或者反并聯(lián)二極管，降低了元件數(shù)量。SGCT的正向和反向關(guān)斷電壓可以達(dá)到6500V。目前SGCT電壓等級可以達(dá)到6000V，電流等級5000A，額定容量達(dá)到30MVA。SGCT主要應(yīng)用在電流源型的變換器中。由于SGCT本質(zhì)上是反向關(guān)斷的IGCT，其故障率和故障類型都和IGCT非常相似。
表4比較了常見的大功率電力電子半導(dǎo)體開關(guān)器件的主要特性。
表4 電力電子開關(guān)器件性能比較
電力電子變換器的主要類型及其特點(diǎn)
如表5所示，電力電子變換器可以分為兩大類：電流源型變換器和電壓源型變換器。電流源型變換器的整流器和逆變器的之間串聯(lián)一個(gè)大的直流電感，使直流側(cè)電流維持恒定，以保證交流側(cè)輸入和輸出電流只能在正、負(fù)直流電流或零之間切換。電壓源型變換器的整流器和逆變器的直流側(cè)并聯(lián)一個(gè)大的直流電容，使直流側(cè)電壓維持恒定，以保證交流側(cè)輸入和輸出電壓只能在正、負(fù)直流電壓和零之間切換。為使風(fēng)機(jī)能四象限運(yùn)行，電壓源型變換器和電流源型變換器均需工作在PWM模式。
表5 風(fēng)機(jī)變換器分類
電壓源型變換器分為兩電平和多電平。如圖1中兩電平變換器在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用最為廣泛。兩電平變換器輸出兩種電平，結(jié)構(gòu)簡單。多電平變換器輸出多種電平，常見的一般從三電平到九電平。多電平的產(chǎn)生主要是為了克服半導(dǎo)體器件應(yīng)用于兩電平時(shí)的最大電壓和功率等級限制。不同于兩電平變換器，多電平變換器通過鉗位二極管或鉗位電容來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓的平衡。多電平拓?fù)渚哂须妷旱燃壐摺⒅C波含量小、濾波器容量小、共模電壓小以及電磁兼容性能好的優(yōu)點(diǎn)。(共模電壓和電磁兼容問題是由于開關(guān)管的高開關(guān)頻率引起的。高的開關(guān)頻率導(dǎo)致大的dv/dt。電壓脈沖引起電流流入電機(jī)的雜散電容，從而導(dǎo)致機(jī)端過電壓引起電磁兼容問題。)
本文比較了三種不同電路拓?fù)涞亩嚯娖阶儞Q器：中點(diǎn)鉗位變換器、飛跨電容變換器以及H橋級聯(lián)變換器，總結(jié)了它們與兩電平變換器相比的優(yōu)缺點(diǎn)。
圖2中三電平中點(diǎn)鉗位變換器是目前在中壓驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前10MW的變換器已可制造。三電平變換器的廣泛使用主要是因?yàn)槠渲绷麟娙輸?shù)量少、封裝體積小、共模電壓低以及整體造價(jià)低。背靠背的中點(diǎn)鉗位三電平變換器在中壓驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用廣泛。中壓應(yīng)用需要變換器單元的并聯(lián)，最大輸出功率限制在10MW。
在變換器的設(shè)計(jì)中，直流電容電壓的平衡是需要重點(diǎn)考慮的問題。目前對直流電容電壓平衡的機(jī)制已有深入的理解，電容電壓平衡的控制方法已經(jīng)在產(chǎn)品中使用。三電平中點(diǎn)鉗位電壓源型變換器在工業(yè)上也有廣泛的應(yīng)用，開關(guān)管主要使用IGBT和IGCT。
較大功率等級的基于中點(diǎn)鉗位的三電平變換器模塊在市場上已有銷售。使用此通用模塊搭建的變換器能將電能變換成需要的電壓、電流以及頻率等級。采用將開關(guān)器件、驅(qū)動(dòng)以及其它元件集成的方案，可以降低成本、損耗、重量、體積，減小工程量以及維護(hù)量，延長使用時(shí)間。模塊化的功率器件具有良好的開放性，使得使用此模塊的任何生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品可以和其它產(chǎn)品兼容。這樣可以降低開發(fā)功率變換產(chǎn)品的復(fù)雜性。如圖2所示，變換器的每一個(gè)橋可以是一個(gè)獨(dú)立的功率變換模塊。
飛跨電容式變換器 (FSC) 在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界實(shí)驗(yàn)室中已有廣泛的研究，但目前為止只有一家制造商生產(chǎn)出了商用的產(chǎn)品。因此用戶對飛跨電容式變換器的體驗(yàn)非常有限。飛跨電容變換器的主要優(yōu)點(diǎn)在于開關(guān)管的功率均衡分擔(dān)、開關(guān)狀態(tài)冗余使選擇更加靈活以及大量的電容使故障穿越性能好。飛跨電容變換器沒有被廣泛采用的主要原因是此拓?fù)湫枰罅康闹绷麟娙荩總€(gè)電容需要單獨(dú)的預(yù)充電電路，增加了裝置啟動(dòng)的復(fù)雜性，同時(shí)封裝體積大。飛跨電容變換器實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行成本高。圖3為三電平的飛跨電容變換器。
如圖4所示，在級聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)中，電機(jī)的每一相驅(qū)動(dòng)電路由若干個(gè)串聯(lián)的功率模塊組成。通過增加串聯(lián)模塊的數(shù)量可以增加驅(qū)動(dòng)電壓的等級。每個(gè)模塊都有獨(dú)立的直流電容，并有專用的二極管整流為直流電容充電。為了限制變換器輸出的諧波電流，需要在電網(wǎng)接口處增加多繞組變壓器;變壓器繞組隨每一相串聯(lián)的功率模塊數(shù)量的增加而增加。這種結(jié)構(gòu)需要大量的開關(guān)器件，例如一個(gè)4160V的系統(tǒng)，每相需要五個(gè)串聯(lián)的功率模塊，三相總共需要60個(gè)IGBT和90個(gè)前端二極管。封裝體積大，開關(guān)器件多，從而引起可靠性問題。同時(shí)，用可控整流取代前端二極管不控整流橋以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行非常困難。級聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)不適用于共直流的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。盡管有以上缺點(diǎn)，但在所有的中壓驅(qū)動(dòng)電路中，CHB驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)最低的諧波輸出和最低的共模電壓，從而可以省去電機(jī)輸出濾波器。由六個(gè)功率模塊級聯(lián)的CHB驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)15MW的功率等級。一般情況下，N電平級聯(lián)H橋多電平變換器的電平數(shù)等于功率模塊數(shù)量的兩倍加一，如圖4所示，七電平變換器可以由每相三個(gè)功率模塊級聯(lián)而成。
市場上已有的變速恒頻風(fēng)機(jī)均使用電壓源型變換器。然而，Rockwell公司已經(jīng)嘗試將PWM電流源型逆變器電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)機(jī)中。為了達(dá)到四象限運(yùn)行的目的，開關(guān)管要求可以阻斷正反方向電壓，但只允許通過單向電流。SGCT 是滿足這一要求的唯一開關(guān)器件。基于三電平電流源型變換器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)如圖5所示。表6顯示，電流源型變換器主要的優(yōu)點(diǎn)是可以雙向運(yùn)行，減少共模電壓和電磁兼容問題。該表顯示電壓源型變換器性能優(yōu)于電流源型變換器。電流源型變換器應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電裝置的缺點(diǎn)是低風(fēng)速下功率因數(shù)超前，不滿足并網(wǎng)準(zhǔn)則。為了解決電流源型變換器的這一問題，需要采用比目前的電機(jī)控制技術(shù)更為復(fù)雜的控制技術(shù)。
結(jié)論
本文討論了適用于大功率風(fēng)機(jī)(10MW級)的電力電子變流器結(jié)構(gòu)和開關(guān)器件。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等多種因素出發(fā)，比較了各種選擇的性能特點(diǎn)。適于的開關(guān)器件可選擇IGBT、IGCT、IEGT、SGCT, 相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)可選擇NPC，或電流源型變換器。
