风力发电系统中大功率变流器的应用初探

风力发电系统中大功率变流器的应用初探

发表时间：2018-10-17T16:10:57.927Z 来源：《电力设备》2018年第18期作者：郭建

[导读] 摘要：随着中国经济的发展和科技进步，中国风电技术发展迅速。

（中广核新能源新疆分公司新疆乌鲁木齐 830000）

摘要：随着中国经济的发展和科技进步，中国风电技术发展迅速。永磁直驱风力发电系统结构简单，风能利用率高，故障率低，稳定性和安全性得到了广泛的应用。转换器装置是直驱式永磁风力发电系统的重要组成部分。变流器的控制方法包括电网侧变流器控制和机侧变流器控制。本文分析了两者的控制功能。

关键词：风力发电系统；大功率变流器；器件串并联

引言

风力发电转换器是风力发电系统的关键组件。其作用是将风电机组在自然风作用下发出的不稳定频率和幅值的电能转换为频率和幅度稳定，并将符合电网要求的电能纳入电能中。格。风电变流器不仅提高了机组效率，而且对机组并网和电网安全稳定运行起着关键作用。 1中大功率变换器的原理

大中型电源转换器的电子开关基于一个双向四象限开关，可以阻断双向导通电流。但在实际采购过程中，难以满足型号的要求，尤其是功率转换器。因此，在实际应用过程中，可以使用标准半导体器件的组合来构建。为了确保换向的正确性，双向四象限开关需要在两个方向上独立控制电流。

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绝缘栅双极型晶体管

绝缘栅双极型晶体管被称为IGBT。成功的开发时间为1988年，目前市场上IGBT的最高电压已达到6500V，最大电流达到2400A。在正常情况下，IGBT被封装在模块中。在标准模块中，有许多IGBT芯片。例如，在3300V/1300A模块中，包含36个芯片和450多个电缆。这些芯片通常在并行固定过程中固定在一个位置以改善晶体管的绝缘性和导热性。此外，这种模块化的形式也很容易安装在散热器上。虽然大功率IGBT模块具有容易保护短路电流，保护电源等强大特性和优点，但也存在许多缺点和不足，如开关损坏引起的开路等，大功率转换器实际应用受到严重阻碍。

2.2集成门极换流晶闸管

集成门极换流晶闸管简称为IGCT，具有IGBT的许多优点，如饱和压降低，安全工作区宽。IGCT也有其自身的特点，可以阻断不对称的正负电压，以保证电压源PWM的正常工作。此外，IGCT在使用过程中的消耗非常低，可以降低风机制造商在转炉上的投入成本，同时也增加了相关工作的有效性。例如，在使用300KV A转换器时，不需要串联和并联工作。到目前为止，人们开发的IGCT已经达到了9KV/6KV 的水平，许多6.5KV的设备已经开始供应市场。正是由于这个发展因素，IGCT希望成为高压低频电流器件的最佳选择。但实质上，IGCT仍然属于GTO，知识解决了GTO的门驱动问题。由于栅极驱动电路中有很多电容，在实际工作中需要很大的功率来完成相应的工作，这对整体工作效率影响很大。加入短路故障后，不能及时切断固定开关，导致严重缺乏短路保护措施，这对中大功率变流器的发展是非常不利的。

2.3MOS关闭晶闸管

MOS可以关闭称为MTO的晶闸管。开发该技术的目的是去除IGCT集成电路中的MOSET。由于发电系统的整体运行，MOSEET被引入功率器件。因此，MTO外部的驱动电路中仅包含少量电路元件，但这些元件具有高可靠性，这与IGCT非常相似。当母线电压超过3KV时，IGCT和MTO的功率将被广泛使用。

3风力发电系统中大功率变流器的具体应用

3.1器件串联并联大功率变换器

器件串并联大功率变换器的电路结构为AC-DC-AC电流源模型。在实际应用过程中，功率器件GTO和两电平逆变器串联使用，实现高压电源转换效果。实现逆变器容量的有效增加。从实际结构理论可以看出，串并联大功率变换器的前级采用脉冲晶闸管整流方式，中间连接电抗器后，采用两端电平变换器GTO。串联后，拓扑结构将变得更加简单，故障点也会相应减少。在器件串并联结构的作用下，拓扑结构将变得更加简单，功率器件的数量也会相应减少。但是，由于器件的串联连接，整个电路也会遇到分压不均等问题。器件的并联会导致电流分配问题。因此，在实际应用过程中，风力发电系统对驱动电路的要求将大大提高，并且应该能够实现串联装置的及时接通和关断，以避免这样的问题作为电压不均匀性等，导致转换器击穿。

3.2多级大功率变换器

多电平大功率变流器的实用性主要取决于变频器的“多电平逆变器”功能。与二电平变换器相比，具有以下优点：变换器单个器件的电压应力相对较小，并且很容易实现高压电源的直接应用。在相同的开关频率下，输出波形更接近正弦波，并且还可以减少电磁干扰等问题。例如，ABB生产的ACS系列变频器主要采用三电平主拓扑结构，内部变频器的部分功率变换器由IGCT代替，从而提高了电压输出水平。

3.3并行转换器

在并联集电器的使用期间，执行多个转换器单元的并联连接，从而完成到整个电网的电力传输。变频器具有以下特点：一是采用复合高频开关技术和高质量电子元件，推动整个变频器单元结构更紧密，实现转换效率的有效提高；其次，在一些逆变器中，在单元并行过程中，可以增加冗余单元的数量，并且可以提高整个风力发电系统的可靠性。第三，全面监控各单位的安全设计，提供不间断电源。并联转换器提高了发电系统的电流水平，并提升了转换器的功率。

3.4多级组合多重转换器

在这种转换器的应用过程中，多级和多级逆变器的优点主要集中在一起，通过串联多个中压三级PWM模块实现高压输出。正是由于这种结构的双向效应，它构成了一个完整的无谐波系统，重叠整顿了电网，促进了整个风电结构符合国际要求和标准。在转换器设计中，应用了高压整流二极管和IGBT，大大减少了主回路中器件的使用，提高了整个系统的可靠性，并将转换器的整体效率提高到98％。然而，在实际应用中，很多转换器模块使用12脉冲整流和二极管钳位三电平拓扑结构，这不仅增加了器件的使用，而且导致整个系统配置缺乏成本