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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页适用于风力发电机的可靠电力电子器件中心议题： 不同阻断电压下IGBT效率的对比 并联IGBT模块 基本单元的串联解决方案： 采用经验证有效的半导体元件 使用简单的线变压器，得到纯净的正弦波电流 线路功率因数良好且总谐波失真小 有功和无功功率控制在兆瓦级，大功率电力电子应用中需要大容量的半导体器件。然而，对于某些应用来说，即使是目前可以得到的最大半导体器件容量也不够大。因此需要将它们并联。在传统的电力电子电路中将半导体器件并联是非常普遍的。 现在讨论一种可能的方案：电力电子装配把包含IGBT和二极管的IGBT基本单元
2、、散热器、直流环节电容、驱动器和保护电路、辅助电源和PWM控制器（一个独立单元）组装在一个三相逆变器中。这些单元可以并联，例如用于一台带永磁发电机的4象限驱动风力发电机和所展示的全功率4兆瓦变换器。 本文介绍一种在中压范围内得到更大风力发电功率的方法。该方法使用变速中压永磁发电机的线路接口连接，没有任何电压和功率限制，并且采用已经证明有效的半导体器件和组件。将基本电力电子单元串联以获得更高的电压，并联以获得更高的功率等级。 不同阻断电压下IGBT效率的对比 IGBT在电力电子电路中使用非常广泛。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、4.5
3、kV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被放置在目前可得到的最大外壳中以制造逆变器时，可以找到这个问题的答案。当然，在最优工作条件下模拟可用功率更简单。 为了做到这一点，选用了最大的标准外壳（IHM，190mm宽）。IGBT都被封装在这个外壳中，并定义了最佳工作条件：直流运行电压Vdc、,交流输出电压Vac、载波开关频率3.6kHz以及尽可能好的冷却条件。图1显示了基于给定参数而计算出的不同IGBT的可用功率。 结果显示，采用3.3kV、1200A独立模块得到的最大功率约为采用1.7kV、2400AIGBT所得功率的一半。相比之下，6.5kV、600A
4、IGBT模块所提供的功率仅为1.7kVIGBT的四分之一。产生这一结果的原因是IGBT模块的损耗。如果计算图2中三个变换器的效率，可以看到损耗比为1:2:4。 对于这个对比，我们使用了相同的载波开关频率fsw=3.6kHz。这使得我们有机会采用相对较小的滤波器设计逆变器。使用不同的载波开关频率，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1.7kVIGBT可实现最大效率，它是一款单位模块价格非常合理的标准工业产品。不同阻断电压下IGBT效率的对比. 运行条件是：fsw=3,6KHz、cos=0.9，相同模块和冷却条件下三相逆变器的运行 1.7kVIGBT封装在不同的模块外壳
5、中。为了对比，我们可以采用最大的单管模块IHM2.4kA、1.7kV，将两个这样的模块和一个尺寸与长度相近的双管模块SKiiP1513GB172做比较。如果两个SKiiP在散热器上背靠背放置，则可得到一个电流是2x1.5kA=3.0kA的半桥（外壳温度=25时），或者电流为2.25kA的半桥（外壳温度为70时）。 两个单管模块将提供一个2.4kA的半桥。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。可用逆变器输出功率与开关频率的关系见图3。 图4配备了1800kVA基本单元的示例 如果采用了更强大的SKiiP模块，如使用
6、氮化铝作为陶瓷基板的SKiiP1.8kA,1.7kV，可从三相逆变器获得更高的功率，即1800kVA。 并联IGBT模块 以下方案对于IGBT模块的并联运行是可行的。 一台三相逆变器用于整个功率的提供，相脚是由许多并联的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与对称直流环节和交流输出连接。1 三相IGBT基本单元硬并联。 整个系统是通过一台控制器及其PWM信号控制。所有三相逆变器都连接到一个公共的直流环节电压。对于每个独立基本单元驱动器，采用驱动器并联板实现并联。驱动器工作时间小的变化（小于100ns）是通过小的交流输出扼流圈进行补偿的（电感5H）。所有的三相逆
7、变器同时运行，但存在小的时延，小时延可通过额外的交流扼流圈进行补偿。采用对称布局和IGBT饱和压降的正温度系数来保证适当的负载电流均衡。2 第2项所述的系统每个基本单元附带PWM信号的附加校正。并联基本单元的精确负载电流均衡是由附加PWM校正控制的。 将几个带同步PWM的单元并联运行，且用附加PWM控制消除循环电流。3 每个基本单元都使用电气负载隔离。各个基本单元都有自己的控制器，通过绝缘绕组给负载提供电力。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。假如输出也是电气隔离的，则不同直流环节间不存在循环电流。这是将
8、带有标准独立控制器的标准独立基本单元并联起来的最简单的方法。 一个基于发电机侧电气隔离的简单设计如图5所示。三个并联的带分立电机绕组的独立4象限驱动器。该驱动器可以和一个或两个驱动器并联运行。 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4象限驱动器都是标准的，拥有自己的发电机侧和电网侧控制器。第四个控制器的目的是提供统一的发电机扭矩共享。万一运行过程中一个4象限驱动器出现了问题，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独立绕组的永磁发电机。该系统为最多达12个四象限驱动器并联而研制，可用于连接12台发电机或12
9、个发电机绕组。4 基本单元的串联 风力发电机设计工程师需要将以下诸方面考虑到他们的设计中。 大功率风力发电机； 低损耗； 变速； 高效率； 采用经验证有效的半导体元件； 使用简单的线变压器，得到纯净的正弦波电流； 线路功率因数良好且总谐波失真小； 有功和无功功率控制； 模块化设计，适合不同的功率和电压且安装快速； 可靠性高； 最低的成本。 可选的最佳方案：中压发电机。在未来的大功率风力发电机设计中，中压发电机是必不可少的。然而，中压硅片并不适用于此类应用。因此，正确的解决方案是将基本单元串联起来。例如：一台额定输出电压为6.3kV的5MW风力发电机，输出电流为3x436Arms。整流过的变速发
10、电机电压为1kV10kV的直流电压。 这样变化的电压如何才能连入电网？每个风力发电机需要有自己的变压器用来与电网相连。电网的电压应在20kV-30kV范围，这应该是变压器的输出电压。 变压器可由几个三相绕组组成，这里用了10个，每个为3x690V，作为输入电压。 基于单元的中压风力发电机 新型中压风力发电机的原理如图6所示。 每个三相绕组附带一个基本单元和一个600kVA的三相逆变器。第四个IGBT管脚可被连接到每个基本单元的前面，这种排列可被称为中压单元。所有单元都可如图6所示串联起来。如果第四管脚的IGBT开关是关断的，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器放电
11、，控制自己的直流环节电压。对于3x690V交流电压，直流环节电压将为1.05kV。10个串联的基本单元可以产生高达101.05kV=10.5kV的反电动势（EMF）。 电压仍然与整流后的发电机电压保持平衡。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，不得不旁路掉部分单元。如果旁路掉5个单元，剩余的反电动势是51.05kV=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，它也将被旁路掉。单元直流环节电压最大值是1.2kV，因此即使仅有9个单元串联也可承载高达91.2kV=10.
12、8kV的整流后发电机电压。 带中压同步发电机的变速风力发电机 带中压同步发电机的变速风力发电机特点如下。 发电机直流电压范围从0至Vdcmax; 每单元直流电压1.05kV（采用1.7kV硅片）； Vdcmax.percell=1.2kV； 单元数量=Vdcmax/Vcell+1； 单元功率：Pgenmax/单元数量； 系统冗余(+1)； 单元导通时间在0%-100%之间变化； 关断的单元可以产生全部的无功功率； 不论功率高低，效率都高； 线路测纹波频率=NcellFswcell； 简单的网侧变压器。 大功率应用使用多个IGBT模块。然而，使用更多的带独立控制的开关要好的多。例如，用几个并联或串联的单元而不是一个巨大的单个单元。 优点如下： 线路的功率因数好、电流总谐波失真小、开关频率更低、更少的无源器件； 模块化设计，适合不同的功率和电压且安装快速； 采用经验证有效的半导体元件； 更高的效率； 高可靠性； 极低的每kW成本。第 1 页 共 1 页
