一種大功率可再生能源的應用現狀設計

　1研究現狀
　　現在新型的大功率可再生能源為風能和太陽能。新型風機單臺的平均功率已經超過了2MW，并且有5MW的投入使用。在過去幾年里，太陽能也從單機0.5MW提高到現在的單機1MW+.10MW的光伏發電站最為常見，同時高達60MW的電站也已經在運行。兩者都需要通過逆變器連接到電網上，也都需要通過濾波器向電網提供低THD的正弦電流。
　　風機在發電側有一個boost特性的變換器，將變化的發電側電壓變換為恒定直流電壓使得并網逆變器可以最優化運行。與此相似，太陽能電池板向變換器提供和光照強度、環境溫度、負載電流和功率成正比的電壓。該可變輸入電壓范圍超過1:2.通常大功率光伏并網逆變器不使用額外的前端變換器。
　　功率轉換效率在所有參數中最為重要?，F在，電力電子在風機中使用1200V和1700V硅元件，在太陽能電池中使用1200V硅元件（對于小功率單相電源使用600V）。通過選擇合適的硅器件，使用更先進的半導體技術，可以減小變換器的損耗以提高系統的效率。本文并不討論這些，因為在未來5到10年里，如果沒有太大變化，IGBT仍然是首選的電力電子器件。
　　基于雙饋感應電機的風機結構已經不再流行。所有使用雙饋原理的風機廠商正在發展基于直驅式和傳統四象限驅動的電機。
　　對于將兩個串行的電力電子變換器放置在一個直驅式結構，風機變換器的效率可以達到96%~97%.這個效率是發電機的輸出通過dV/dt濾波器、發電機側變換器、直流母線、并網逆變器以及輸出正弦濾波器后的效率。電力變換器的大小由價格和可靠性的需求決定。
　　可靠性也是一個很重要的因素。風車不能夠停止工作，停止轉動。為此，所有的元器件都需要良好的性能，同時也需要對結構進行設計，以使得當一個器件出現故障時還能夠繼續運行。對于幾個MVA的大容量逆變器電源，需要很多數量的半導體芯片和開關模塊的并聯。
　　1.1 IGBT模塊并聯運行的解決方案
　　IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
　　IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給NPN晶體管提供基極電流，使IGBT 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對N 一層進行電導調制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態電壓。三菱制大功率IGBT模塊
　?。?）逆變器每一相為一個單元，每相有很多個IGBT模塊并聯，它們共用一個驅動。每個IGBT模塊都有獨立的門極電阻和對稱的DC和AC連接。作為一個成功的例子，SEMIKUBE IGBT模塊已經運用在太陽能領域。
　?。?）幾個逆變器的相單元并聯，分別使用獨立的驅動。由于不同驅動的延時不同，需要小的AC輸出的扼流圈。（SKiiP IPM 功率模塊的并聯）
　?。?）三相系統并聯到一根直流母線上，每一相也有幾個模塊并聯，每個系統使用獨立的驅動。對于更大的功率，需要將幾個三相逆變器并聯使用。由于不同驅動延遲不同，依然需要AC輸出的扼流圈?？梢允褂靡粋€PWM信號和直流母線。
　?。?）三相逆變器并聯運行，使用一個PWM控制器，需要額外控制并聯逆變器的負載電流分配。（復雜PWM控制）
　?。?）使用低延遲的主從驅動，可以驅動幾個并聯運行的模塊。不需要添加額外的電感，而且當一個半導體芯片損壞時，只會損壞一個開關模塊。
　?。?）帶有輸入或輸出端電流隔離的逆變器并聯運行。其中每一個并聯支路都是一個標準的、獨立的、基礎的單元，有不同的PWM和獨立的控制器，如圖1.
　　在一些風機結構中，發電機、整條驅動和中壓變壓器都被放在一個機艙中。這種情況下，機艙總重量會很大，但這卻是使得低壓發電機和中壓電網間傳輸損耗可以被接受的唯一的方法。在另一些設計中，風機的驅動系統被置于底部，即塔的基部。電能在低壓情況下傳輸距離達到100m，這會帶來更高的損耗和成本。
　　標準的工業上基于硅技術的1700V IGBT模塊對于1MW的三相逆變器必須并聯使用;現階段最大的單個三相逆變器為1.5 MW.因此對于幾個發電機繞組，可以將獨立的驅動系統簡單的并聯。同時，其可靠性要高于將同樣數量的模塊經過復雜并聯后組成一個更大功率的變換器（見圖1）。
　　
　　圖1 有3個發電機繞組和獨立驅動系統的風機結構
　　1.2 風力發電機
　　風車是一種利用風力驅動的帶有可調節的葉片或梯級橫木的輪子所產生的能量來運轉的機械裝置。古代的風車，是從船帆發展起來的，它具有6-8副像帆船那樣的篷，分布在一根垂直軸的四周，風吹時像走馬燈似的繞軸轉動，叫走馬燈式的風車。這種風車因效率較低，已逐步為具有水平轉動軸的木質布蓬風車和其它風車取代，如“立式風車”、“自動旋翼風車”等。風車在如今已很少用于磨碎谷物，但作為發電的一個手段正在獲得新生?！把b有發電渦輪機的農場”是由驅動發電機的大型風車組構成的。近代風車主要用于發電，由丹麥人在19世紀末開始應用，20世紀經過不斷改進趨于成熟，功率最大達到15MW.