大功率风机用电力电子变换器器件、电路技术评估

# 技术文库 2017-03-06 09:16 来源：中国电力电子产业网

　　摘要

　　风机单机功率的提升一定程度上有利于风电成本的降低。目前大功率风机单机功率为5MW级左右，有向10MW级发展的趋势。本文对应用于大功率风机的变换器及开关器件的可行方案进行评估。所考虑的电力电子变换器包括各种多电平电压源型变换器，以及基于SGCT的电流源型变换器。谐振变换器、矩阵变换器等应用前景不明朗的方案不在考虑之列。相关大功率变流器目前已应用于石油天然气、舰船动力等领域。本文从谐波含量、机电扭转作用、故障穿越能力、共模电压水平、电磁兼容能力、输入输出滤波器需求、整体效率、元件数量、体积以及适用功率等级等方面评估了各种变换器电路。对各种适用于大功率应用的开关器件的优缺点也同时进行了比较。

　　功率器件的分类与比较

　　下文中分别使用不同的颜色表示器件的性能等级、技术现状及发展趋势，如表1和表2所示。

　　变流器中半导体开关器件的选取需要考虑很多因素。如表3，功率半导体器件分为电流驱动型开关器件和电压驱动型开关器件。总体上，电流驱动型开关器件如IGCT、SGCT以及GTO比电压驱动型开关器件如IGBT需要的辅助元件多。晶闸管器件因不能满足风机变换器的各种要求，文中没有考虑晶闸管。电流驱动型开关管比电压驱动型开关管通态损耗低，但开关损耗大。高频变换器一般采用电压驱动型开关管。

　　GTO虽性能优异，但辅助电路多，这样装置的造价和复杂程度增加、可靠性降低。与GTO相比， IGBT和IGCT造价低，功率密度高。由于高功率等级的IGBT及IGCT的开关损耗分别小于同功率等级的GTO，因此GTO在中低功率应用中正被IGBT取代、在大功率应用中正被IGCT取代。GTO 器件本身的故障率在100 FIT左右，如果考虑驱动电路和缓冲电路故障，故障率将升至600 FIT，甚至更高。GTO器件的主要失效模式为短路。

　　IGBT和IGCT是目前最常用的两种开关器件。它们之间的差别在于IGCT允许通过的电流大而IGBT的开关频率高。高的开关频率使得IGBT变换器谐波含量低，但同时也增加了开关损耗。IGBT器件的通态压降比IGCT大。为了减小IGBT的通态压降，需要增加开关管的硅晶片面积，从而增加制造成本。

　　IGBT有塑封和压接两种封装技术。塑封IGBT一般是单面冷却，故障后的失效模式为开路，并可能出现外壳爆裂、弧光放电等情况。压接IGBT的失效模式为短路。在需要开关器件串联使用的场合，压接IGBT更有优势。目前，IGCT模块都采用压接封装技术。与IGBT模块相比，IGCT模块的热应力更小，发生爆裂和弧光放电等情况的几率更小。IGCT可以采用两面冷却设计，冷却效果明显优于IGBT。但是，IGBT的故障率低于IGCT模块，一般情况下是是后者故障率二分之一。

　　IGBT模块的驱动电路元件少。目前IGBT的驱动电路、控制电路和保护电路都可以高度集成。在短路故障时只要结温不超过安全工作范围，驱动电路仍可以继续安全工作。IGBT在大电流时具有退饱和特性，可以在一定程度上保护器件过流，其它的电力电子开关器件则都不具备这种特性。总之，IGBT具有驱动简单、过压过流保护实现容易、开关频率高以及不需要缓冲电路等特性，非常适合应用在中压驱动领域。IGBT是目前应用最广泛的电力电子开关器件。常见的IGBT器件的额定电压等级有600V、1200V、1700V、2500V、3300V和4500V，额定电流则可以达到2400A。虽然有更高电压等级的IGBT器件，但其电流等级却大为下降。例如，额定电压为6500V的IGBT器件的额定电流仅为650A。额定功率最大的IGBT电压电流参数为3600V/1700A和4500V/1200A。

　　IGBT有分立模块和智能功率模块两种。智能功率模块除具有一般IGBT器件优点外，它集成了驱动电路并具有内置保护功能。使用智能功率模块可减小设备体积和造价，提高可靠性，降低电磁干扰，简化冷却系统，加快变换器的设计和制造速度。常见的智能功率模块的电压等级为3300V，电流等级为1200A。

　　目前不对称阻断IGCT器件主要有6500V*3000A和6000V*4500A两种型号。由于IGCT驱动电路复杂，如将驱动电路故障考虑在内，IGCT故障率远高于同样考虑驱动电路故障的IGBT，IGCT的故障率一般在640 FIT左右。IGCT的失效模式为短路。

　　为了在不增加驱动电路损耗的前提下降低IGBT的导通损耗，IEGT应运而生。IEGT通常采用压接封装技术。IEGT的正向导通压降低于IGBT，有利于提高设备的功率密度和效率。IEGT的损耗很小，甚至低于晶闸管的损耗。IEGT的关断电压和关断电流均高于IGBT，典型值分别为4500V和4000A。IEGT的故障率略高于IGBT，驱动电路也更复杂，并且不具备IGBT类似的内在过流保护特性。IEGT器件失效后处于短路状态。

　　SGCT是集成了门级驱动的晶闸管，与IGCT非常相似。SGCT可以关断正向和反向电压，但只允许单向电流通过。因此，SGCT不需要串联二极管或者反并联二极管，降低了元件数量。SGCT的正向和反向关断电压可以达到6500V。目前SGCT电压等级可以达到6000V，电流等级5000A，额定容量达到30MVA。SGCT主要应用在电流源型的变换器中。由于SGCT本质上是反向关断的IGCT，其故障率和故障类型都和IGCT非常相似。

　　表4比较了常见的大功率电力电子半导体开关器件的主要特性。

　　表4 电力电子开关器件性能比较

　　电力电子变换器的主要类型及其特点

　　如表5所示，电力电子变换器可以分为两大类：电流源型变换器和电压源型变换器。电流源型变换器的整流器和逆变器的之间串联一个大的直流电感，使直流侧电流维持恒定，以保证交流侧输入和输出电流只能在正、负直流电流或零之间切换。电压源型变换器的整流器和逆变器的直流侧并联一个大的直流电容，使直流侧电压维持恒定，以保证交流侧输入和输出电压只能在正、负直流电压和零之间切换。为使风机能四象限运行，电压源型变换器和电流源型变换器均需工作在PWM模式。

　　表5 风机变换器分类

　　电压源型变换器分为两电平和多电平。如图1中两电平变换器在风力发电中应用最为广泛。两电平变换器输出两种电平，结构简单。多电平变换器输出多种电平，常见的一般从三电平到九电平。多电平的产生主要是为了克服半导体器件应用于两电平时的最大电压和功率等级限制。不同于两电平变换器，多电平变换器通过钳位二极管或钳位电容来实现动态电压的平衡。多电平拓扑具有电压等级高、谐波含量小、滤波器容量小、共模电压小以及电磁兼容性能好的优点。(共模电压和电磁兼容问题是由于开关管的高开关频率引起的。高的开关频率导致大的dv/dt。电压脉冲引起电流流入电机的杂散电容，从而导致机端过电压引起电磁兼容问题。)

　　本文比较了三种不同电路拓扑的多电平变换器：中点钳位变换器、飞跨电容变换器以及H桥级联变换器，总结了它们与两电平变换器相比的优缺点。

　　图2中三电平中点钳位变换器是目前在中压驱动中应用最广泛的一种拓扑结构，目前10MW的变换器已可制造。三电平变换器的广泛使用主要是因为其直流电容数量少、封装体积小、共模电压低以及整体造价低。背靠背的中点钳位三电平变换器在中压驱动中应用广泛。中压应用需要变换器单元的并联，最大输出功率限制在10MW。

　　在变换器的设计中，直流电容电压的平衡是需要重点考虑的问题。目前对直流电容电压平衡的机制已有深入的理解，电容电压平衡的控制方法已经在产品中使用。三电平中点钳位电压源型变换器在工业上也有广泛的应用，开关管主要使用IGBT和IGCT。

　　较大功率等级的基于中点钳位的三电平变换器模块在市场上已有销售。使用此通用模块搭建的变换器能将电能变换成需要的电压、电流以及频率等级。采用将开关器件、驱动以及其它元件集成的方案，可以降低成本、损耗、重量、体积，减小工程量以及维护量，延长使用时间。模块化的功率器件具有良好的开放性，使得使用此模块的任何生产厂商的产品可以和其它产品兼容。这样可以降低开发功率变换产品的复杂性。如图2所示，变换器的每一个桥可以是一个独立的功率变换模块。

　　飞跨电容式变换器 (FSC) 在学术界和工业界实验室中已有广泛的研究，但目前为止只有一家制造商生产出了商用的产品。因此用户对飞跨电容式变换器的体验非常有限。飞跨电容变换器的主要优点在于开关管的功率均衡分担、开关状态冗余使选择更加灵活以及大量的电容使故障穿越性能好。飞跨电容变换器没有被广泛采用的主要原因是此拓扑需要大量的直流电容，每个电容需要单独的预充电电路，增加了装置启动的复杂性，同时封装体积大。飞跨电容变换器实现四象限运行成本高。图3为三电平的飞跨电容变换器。

　　如图4所示，在级联H桥结构中，电机的每一相驱动电路由若干个串联的功率模块组成。通过增加串联模块的数量可以增加驱动电压的等级。每个模块都有独立的直流电容，并有专用的二极管整流为直流电容充电。为了限制变换器输出的谐波电流，需要在电网接口处增加多绕组变压器;变压器绕组随每一相串联的功率模块数量的增加而增加。这种结构需要大量的开关器件，例如一个4160V的系统，每相需要五个串联的功率模块，三相总共需要60个IGBT和90个前端二极管。封装体积大，开关器件多，从而引起可靠性问题。同时，用可控整流取代前端二极管不控整流桥以实现四象限运行非常困难。级联H桥结构不适用于共直流的驱动结构。尽管有以上缺点，但在所有的中压驱动电路中，CHB驱动电路可以实现最低的谐波输出和最低的共模电压，从而可以省去电机输出滤波器。由六个功率模块级联的CHB驱动电路可以实现高达15MW的功率等级。一般情况下，N电平级联H桥多电平变换器的电平数等于功率模块数量的两倍加一，如图4所示，七电平变换器可以由每相三个功率模块级联而成。

　　市场上已有的变速恒频风机均使用电压源型变换器。然而，Rockwell公司已经尝试将PWM电流源型逆变器电机驱动技术应用到风机中。为了达到四象限运行的目的，开关管要求可以阻断正反方向电压，但只允许通过单向电流。SGCT 是满足这一要求的唯一开关器件。基于三电平电流源型变换器的风力发电机如图5所示。表6显示，电流源型变换器主要的优点是可以双向运行，减少共模电压和电磁兼容问题。该表显示电压源型变换器性能优于电流源型变换器。电流源型变换器应用于风力发电装置的缺点是低风速下功率因数超前，不满足并网准则。为了解决电流源型变换器的这一问题，需要采用比目前的电机控制技术更为复杂的控制技术。