应用3300v IGBT模块的多电平风力发电系统__下载

由于陆地上设置风电系统存在着各种不同的限制条件，故今后在海上开发风力发电将逐渐形成主流。为了推进风电机组的大容量化，富士电机公司与清华大学一起，共同研制出一种多电平的风力发电系统。这一系统是将发电机的二次线圈作成多线圈设计，且串联接于变换器模块上，以获得高的输出电压，将3300v IGBT模

1 前言
因地球升温对策应尽力削减CO2的排放，因日本大地震后福岛核电站事故使对原子能发电须重新评价的社会形势，故人们对风力发电、太阳光伏发电等可再生能源的期待愈益加强。
风力发电系统由于设置场所的制约，故今后将主要趋向于海上风电的开发，并向大容量化发展。在海上风电系统情况下，发电场所与用电场所相隔甚远，因此须通过高电压系统力图降低输电损耗。目前，风力发电系统是将AC（交流）690V的发电机电压，利用功率变换器与电力系统相连，因而导致频率的变换。这通常是利用AC3.3KV、AC6.0KV等高压变压器的升压系统来解决。富士电机公司与清华大学一起共同研究出，不用升压变压器而通过变换器直接与电网连接的系统。本文，对应用了3300v IGBT模块的多电平方式风力发电系统予以介绍。
2 多电平方式的风力发电系统
表1所示为风力发电系统的技术动向。目前引入的风力发电系中70%为双馈方式。对于双馈方式而言，是将异步发电机的励磁线圈，通过PWM整流器+PWM逆变器的变换电路进行控制的。因异步发电机的电压为AC690V，较低，故借助升压变压器与高压电力系统联网。但这一方式的异步发电机频率有一定的范围，因此，需要增设齿轮变速箱。齿轮机构存在机械应力大，易产生故障等问题，故对取消齿轮箱、使用同步发电机直接驱动方式的研究正在盛行。直接驱动的方式下，是将同步发电机的输出电压，籍PWM整流器变换成一定的直流电压，通过PWM逆变器与电网连接的系统。此外，该同步发电机也是输出AC690V电压，还需要通过升压变压器与高压的电力系统连接，因此，不用升压变压器、直接与系统连接以实现装置的小型化、高效率化方式的研究势在必行。
图1所示为与清华大学共同研究的风电用多电平方式的电路结构。将发电机的二次线圈作成多线圈，与变换器(converter)模块串联连接可得到高的输出电压。对于AC3.3KV的系统，可用2个AC970V的变换器模块串联连接；对于AC6KV的系统，可用3个AC1180V的变换器模块串联连接，对于AC10KV的系统，可用5个AC1180V的变换器模块串联连接而成。
图2所示为整流回路部的电路结构，变换器电路由升压斩波电路方式的PFC（功率因数校正）电路，与单相逆变器构成。PFC电路是将已相位移的二次线圈并联构成。
藉助编码器，对发电机输出电压的相位进行检测，生成各二次线圈的输出电流指令，就像升压斩波电路输入电流形成各自的电流指令那样进行控制。
图3所示为单相逆变器的控制框图。如有功功率P和无功功率Q能独立控制一样，将至系统的输出电流进行dq变换和控制。
3 实验电路与实验结果
图4所示为功能验证用的3KW微型实验系统。发电机线圈由6线绝缘的线圈构成。(a1、c2)、(b1、a2)、(c1、b2)均有90度的相位移。
变换器模块为2个串联连接，发电机藉助于交流驱动回路，采用速度已控制的异步电机而运转。
图5示出PFC回路的输入电流和直流(dc)环的电压。正弦波的电流，输入相位已移相90度的电流，而且直流环的电压控制在恒定值。
图6所示为单相逆变器的实验波形。发电机线圈的电流与向系统的输出电流，均为畸变小的正弦波电流，此外，直流环的电压也基本控制为恒定的直流电压。
图7为三相逆变器部分的实验波形。逆变器部的相电压，藉助变换器模块输出3电平的电压，可获得含高次谐波少的电压，从而，即使连接电抗值小的负载，也能输出正弦波的电流。 [page]
4 实尺寸规模的电机与适用的IGBT模块
图8所示为连接于6kV系统的3MW风力发电系统主回路结构图，这是基于图1所示的电路结构图。发电机二次线圈电压为AC 1180V，变换器模块的输出电压也为AC 1180V，由此将3个变换器模块串联成级联(cascade)连接，然后接到AC 6kV系统。
此外，这时变换器模块的输出电流有效值为320A，峰值电流为450A。在这一方式下，因为是5电平的输出电压，即使在载波频率为1kHz，输出的也是高次谐波非常小的波形。因而变换器模块的逆变器部分，其IGBT模块能由3300V/800A的IGBT组成。而且，PFC变换器部是以2个已90度相位移的二次线圈并联控制，故也能由与逆变器相同电流容量的3300V/800A IGBT模块构成。
图9为富士电机的3300VIGBT模块的外观。规格有：3300V/800A、1000A、1200A、1500A四种，这一3300v IGBT模块具有以下特点：(1)IGBT芯片采用了沟槽栅(trenchgate)、场阻断(fieldstop)结构，可实现低损耗化；(2)利用了热传导率高的绝缘基板AIN-DBC，实现了高散热设计；(3)采用了超过600CT1（比较跟踪指标）的树脂和具有高温周期耐量的AlSiC基板，可实现高可靠性、长寿命化。
因而，象风力发电系统一样，作为要求高效率、长寿命装置适用的IGBT，这是最佳的IGBT模块。此外，如图8所示，3MW发电系统可由3300V/800A的IGBT模块构成，对于6MW级的发电系统，若用3300V/1500A的IGBT模块也能容易构成。
目前，风力发电系统已进展到从3MW到5MW的大容量化海上风力发电。按照这一发展趋势，采用3300V的IGBT模块的多电平方式风力发电系统是合适的。
5 结束语
多电平方式的风力发电系统，是将发电机的二次线圈作成多线圈，串联连接变换器模块而获得高输出电压的系统方式，具有可取消升压变压器，连接电抗器可小型化等特点。而且，由于应用了3300V的IGBT，可构成进一步低损耗、高可靠性的系统。
在富士电机公司，除了多电平方式的风力发电系统以外，类似这样的新型系统的开发，一直倡导企业与高校共同合作进行，而且也同时进行着适用于新系统的半导体器件的开发。通过变换回路与半导体器件的开发与产品化，对力图普及新能源的新能源系统构建是有利的。