經(jīng)過(guò)優(yōu)化的用于可再生能源系統的大功率逆變器

摘要：詳細介紹了賽米控大功率三相逆變器平臺Semistack在風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應用。 敘詞：可再生能源 逆變器 Semistack Abstract：This article introduces the application of Semistack, a high-power three-phase inverter platform by Semikron in wind power generation and photovoltaic power generation. Keyword：Renewable energy, Inverter, Semistack
1 前言

可再生能源市場(chǎng)正從全球金融危機中強勁反彈。先前延誤或停工的項目已重新啟動(dòng)，許多新項目正在實(shí)施。這一高潮有力地掀起了整個(gè)供應鏈對可再生能源系統組件的需求，包括風(fēng)力發(fā)電和光伏逆變器。

全球風(fēng)能理事會(huì )（GWEC）預測未來(lái)4年總裝機容量的年均增長(cháng)率為20.9％。這將使得到2014年風(fēng)電總裝機容量增加一倍以上，超過(guò)400GW。亞洲地區的增長(cháng)前景尤其強烈，其中中國是2009年世界最大的風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)，如今他們風(fēng)力發(fā)電能力的累計基礎僅次于美國，位居第二。

同樣，對于光伏發(fā)電，2010年預計到了40%的累計光伏裝機容量的強勁增長(cháng)。德國是最大的市場(chǎng)，而南歐、美國和亞洲的新市場(chǎng)也看到了良好的增長(cháng)- 尤其是在亞洲，如果中國政府批準其國內光伏增長(cháng)刺激計劃，預計該計劃設定到2020年實(shí)現30GW的裝機目標。

2 逆變器拓撲趨勢

賽米控方案解決中心在2010年直接目睹了該效應，標準可再生能源逆變器的訂單量增長(cháng)驚人，超過(guò)300％，并且對新項目的開(kāi)發(fā)有濃厚的興趣。

賽米控方案解決中心在電力電子行業(yè)是獨一無(wú)二的，因為它是惟一專(zhuān)注于電力電子組件和平臺設計與制造的公司。賽米控及其各子公司將半導體、驅動(dòng)器和其它主要器件集成為電力電子組件已超過(guò)50年。2003年，賽米控將這些子公司合并，組建了賽米控方案解決中心組，目前包括8個(gè)方案解決中心，每大洲1個(gè)，其關(guān)鍵策略是直接為當地市場(chǎng)制造電力電子平臺，提供解決方案和技術(shù)支持。

對于逆變器來(lái)說(shuō)，清晰的功率拓撲結構趨勢正在出現。其中，在風(fēng)電行業(yè)，新的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是使用全功率逆變器的永磁同步電機（SG）。該配置能夠提供更高的整體效率，可用風(fēng)速范圍更廣，并且使逆變器能夠適應有關(guān)發(fā)電設備對電網(wǎng)干擾行為的新規定。

額定功率已經(jīng)統一，對于陸上系統，新項目的典型額定功率在2MW和3MW之間，主要使用水冷式逆變器，采用雙饋感應發(fā)電機（DFIG）和SG應用，風(fēng)冷或水冷，功率最低點(diǎn)為1.5MW。海上應用的功率穩定在（5-6）MW，一些試點(diǎn)應用超過(guò)了這個(gè)級別。雖然對于海上系統轉向中壓（MV）是一個(gè)明確的趨勢，但是許多新項目發(fā)展繼續使用并聯(lián)的低壓（LV）逆變器。

在太陽(yáng)能應用中，電網(wǎng)互聯(lián)系統的功率技術(shù)趨勢通常為每逆變器達500kW，一些正在進(jìn)行的新項目達到1MW以上。

風(fēng)電和太陽(yáng)能市場(chǎng)的成熟度加上強大的市場(chǎng)復蘇，給逆變器供應商帶來(lái)越來(lái)越大的壓力，要提供已通過(guò)資格預審的、低技術(shù)風(fēng)險并且足夠靈活地被用于某個(gè)額定功率范圍的現成標準逆變器。上市時(shí)間已成為主要的驅動(dòng)力，用于可再生能源的逆變器已成為商品項目。

3 靈活的平臺（450 kW ~2.5 MW以上）

現在有了一個(gè)新的逆變器平臺，可以使系統集成商隨時(shí)獲得1個(gè)易于使用的多功能變頻器，以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。用于可再生能源的Semistack是一個(gè)大功率三相逆變器的平臺，它使用集成了散熱器的SKiiP智能功率模塊（IPM）、電源模塊、驅動(dòng)和保護傳感器/功能，并為可再生能源應用進(jìn)行了優(yōu)化。模塊化的結構，SKiiP IPM額定功率有多種選擇，可選風(fēng)冷或水冷以及能夠將逆變器并聯(lián)連接，使其可用于廣泛的應用中，從約450kW到超過(guò)250MW的全功率系統，如那些用在SG風(fēng)力發(fā)電應用中的系統。

逆變器的基本配置，包括3個(gè)垂直機械安裝的半橋相位單元。每個(gè)相位單元包含1個(gè)SKiiP IPM和冷卻板或散熱器，帶有長(cháng)壽命聚丙烯電容器的直流母線(xiàn)，交流連接和緩沖器。單獨的相位單元通過(guò)1個(gè)低電感直流耦合連接在一起，并安裝在1個(gè)堅固的機械框架內?？赏ㄟ^(guò)直流母線(xiàn)將該逆變器組連接起來(lái)，實(shí)現1個(gè)完整的4象限變換器，或者將逆變器并聯(lián)以獲得更大的額定功率。

圖1用于可再生能源的Semistack平臺包含三個(gè)模塊化半橋（GB）相位單元

現有風(fēng)冷和水冷兩個(gè)版本可提供。兩個(gè)版本都使用相同的整體機械結構進(jìn)行配置。用戶(hù)可在2個(gè)解決方案中進(jìn)行選擇，1個(gè)是通常用于太陽(yáng)能應用及低功率雙饋風(fēng)力發(fā)電應用的簡(jiǎn)單風(fēng)冷解決方案，另1個(gè)是通常用于較大SG風(fēng)力發(fā)電應用的更大功率的水冷解決方案。

圖2 使用水冷機箱實(shí)現最大的功率密度

對于可再生能源，Semistack的多功能性體現在以下應用的實(shí)現中。通過(guò)將2臺風(fēng)冷Semistack逆變器組合成一個(gè)4象限配置，可以很容易地組成一個(gè)典型的1.5MW雙饋系統。完整的逆變器可被裝入600mm寬的機柜中，高度僅為1200mm，使得整個(gè)組件可被裝入標準的2000mm機柜，并保留空間給其他設備。

圖3小巧的4Q 1.5MW風(fēng)冷雙饋配置節省機柜空間

同樣，兩臺帶有4托架SKiiP的水冷逆變器可以以同樣的方式進(jìn)行組合，來(lái)配置一個(gè)高達1.5MW的全功率4象限SG應用。

水冷版本有兩種機箱尺寸可供選擇，采用水冷版本可以實(shí)現更大的額定功率。較大的 4/3機箱可容納4托架或3托架SKiiP IPM。在四象限配置中，有可能將4托架和3托架組件組合在一起。這允許對SKiiP模塊進(jìn)行優(yōu)化，因為對發(fā)電機側逆變器的要求比電網(wǎng)側的往往更嚴格。4/3機箱可容納2臺逆變器并聯(lián)的1.5MW或2.5MW全功率應用。Semistack擁有10kVA/升的功率密度，與其最接近的競爭對手相比，至少有20％的優(yōu)勢。較小的3/2機箱采用3托架和2托架SKiiP，用于較低功率的需求，通常用于逆變器額定功率為約是系統功率30%的DFIG系統中，以及大功率的太陽(yáng)能系統。每個(gè)逆變器只需2個(gè)冷卻回路水接頭，因為內部并聯(lián)了獨立的冷卻板以避免熱堆積。用于出口和入口的2個(gè)快速連接器位于每個(gè)逆變器的底部以方便與外部冷卻系統的連接。

圖4水冷版本提供了兩種機箱： 4/3機箱和3/2機箱

4 功能設計

由于用在可再生能源的Semistack平臺的功能設計，通過(guò)1個(gè)在組件之間耦合連接的低電感母線(xiàn)，組件可以在直流母線(xiàn)處很容易地連接在一起。這使得配置4象限應用以及并聯(lián)逆變器，以獲取更大功率變得容易了。此外，通過(guò)使用另一種Semistack組件，可以添加1個(gè)制動(dòng)斬波器。這種靈活性使得系統集成商可以輕松地使用相同的組件構建一系列不同額定功率的產(chǎn)品。作為標準配置，提供1個(gè)簡(jiǎn)單的交流母線(xiàn)，以便于逆變器組件前部的電纜連接，或選購交流母線(xiàn)工具包，用于定位到每個(gè)逆變器組件底部的AC連接。

圖 5 2.5MW 4Q SG配置

用于可再生能源的Semistack平臺可以很容易地結合在一起，形成4個(gè)象限、更高功率的配置，如圖5所示的2.5MW 4Q SG配置。

Semistack的核心是SKiiP3智能功率模塊。SKiiP是目前市場(chǎng)上功率最大的IPM，并且是風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)中使用最為廣泛的大功率模塊。如今，全球風(fēng)力發(fā)電機組中有超過(guò)57GW是由賽米控的設備驅動(dòng)的。因此，選擇用于可再生能源的Semistack對于風(fēng)力發(fā)電應用來(lái)說(shuō)很自然。

圖6用于可再生能源的Semistack模塊的核心是SKiiP智能功率模塊

5 產(chǎn)品完全合格

根據定義，賽米控方案解決中心平臺是一個(gè)明確定義或認定的標準產(chǎn)品或系列標準產(chǎn)品。用于可再生能源的Semistack，像其它方案解決中心平臺一樣，經(jīng)過(guò)嚴格的資格審查程序。在這一過(guò)程中，Semistack按照國際和內部標準進(jìn)行一系列嚴格的測試，包括電、熱、熱循環(huán)、環(huán)境及沖擊和振動(dòng)。

此外，每個(gè)SKiiP IPM在其生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)完全測試。在生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)完全組裝的Semistack都會(huì )經(jīng)歷包括隔離、運行負載測試和短路測試的一整套測試。另外，對于要求更為嚴格的客戶(hù)，有一個(gè)可選的燒機測試可供選擇。對于連接電網(wǎng)的高價(jià)值發(fā)電設備來(lái)說(shuō)，在長(cháng)時(shí)間的使用中，可以最大限度地確保魯棒性和可靠性。

6 對于可再生能源市場(chǎng)的好處

逆變器系統供應商可從能夠外包一個(gè)用于可再生能源的Semistack標準產(chǎn)品中獲益。系統供應商現在可以自由地選擇合格的型號，無(wú)需在設計和制造資源方面進(jìn)行昂貴的投資，并可以最小化技術(shù)風(fēng)險。Semistack產(chǎn)品系列的靈活性和功能設計為供應鏈增加了另一個(gè)維度，使系統供應商可以滿(mǎn)足當今市場(chǎng)普遍存在的商品面市時(shí)間短的需求。

用于可再生能源的Semistack也不會(huì )過(guò)時(shí)，因為它兼容下一代SKiiP IPM。Semistack已準備好在利用新的第4代SKiiP技術(shù)優(yōu)勢，第4代SKiiP功率密度更高并且采用了新的數字驅動(dòng)器。

產(chǎn)品規格

1代： gen. side1100Vdc / 690Vac/ 620A/ sw/fr 2kHz / fmin.3Hz / Cos phi 0,7/ 50C°;

grid side 690Vac / 480A/ sw/fr 2kHz / 50Hz / Cos phi -1/ 50°C

2 代： gen.side 1100Vdc / 690Vac /1300A / sw/fr 2kHz / fmin 3HZ/ Cos phi 0,95/ 40°C/12l/min; grid side 1100Vdc / 690Vac /1250A / sw/fr 2kHz / 50Hz/ Cos phi -1/ 40°C/12l/min

3代： gen.side 1100Vdc / 690Vac /2300A / sw/fr 2kHz / fmin 3Hz/ Cos phi 0,95/ 50°C; grid side 1100Vdc / 690Vac /2520A / sw/fr 2kHz / 50Hz/ Cos phi -1/ 50°C

作者簡(jiǎn)介

Alan Tims, 賽米控，Solutions Business Development Manager Asia■