可再生能源系统中大功率逆变器的实际应用

引言

　　可再生能源市场正从全球金融危机中强劲反弹。先前延误或停工的项目已重新启动，许多新项目正在实施。这一高潮有力地掀起了整个供应链对可再生能源系统组件的需求，包括风力发电和光伏逆变器。

　　全球风能理事会（GWEC）预测未来4年总装机容量的年均增长率为20.9％。这将使得到2014年风电总装机容量增加一倍以上，超过400GW。亚洲地区的增长前景尤其强烈，其中中国是2009年世界最大的风力发电市场，如今他们风力发电能力的累计基础仅次于美国，位居第二。

　　同样，对于光伏发电，2010年预计到了40%的累计光伏装机容量的强劲增长。德国是最大的市场，而南欧、美国和亚洲的新市场也看到了良好的增长- 尤其是在亚洲，如果中国政府批准其国内光伏增长刺激计划，预计该计划设定到2020年实现30GW的装机目标。

　　1 逆变器拓扑趋势

　　赛米控方案解决中心在2010年直接目睹了该效应，标准可再生能源逆变器的订单量增长惊人，超过300％，并且对新项目的开发有浓厚的兴趣。

　　赛米控方案解决中心在电力电子行业是独一无二的，因为它是惟一专注于电力电子组件和平台设计与制造的公司。赛米控及其各子公司将半导体、驱动器和其它主要器件集成为电力电子组件已超过50年。2003年，赛米控将这些子公司合并，组建了赛米控方案解决中心组，目前包括八个方案解决中心，每大洲一个，其关键策略是直接为当地市场制造电力电子平台，提供解决方案和技术支持。

　　对于逆变器来说，清晰的功率拓扑结构趋势正在出现。其中，在风电行业，新的开发重点是使用全功率逆变器的永磁同步电机（SG）。该配置能够提供更高的整体效率，可用风速范围更广，并且使逆变器能够适应有关发电设备对电网干扰行为的新规定。

　　额定功率已经统一，对于岸上系统，新项目的典型额定功率在2MW和3MW之间，主要使用水冷式逆变器，采用双馈感应发电机（DFIG）和SG应用，风冷或水冷，功率最低点为1.5MW。海上应用的功率稳定在5-6MW，一些试点应用超过了这个级别。虽然对于海上系统转向中压（MV）是一个明确的趋势，但是许多新项目发展继续使用并联的低压（LV）逆变器。

　　在太阳能应用中，电网互联系统的功率技术趋势通常为每逆变器达500kW，一些正在进行的新项目达到1MW以上。

　　风电和太阳能市场的成熟度加上强大的市场复苏，给逆变器供应商带来越来越大的压力，要提供已通过资格预审的、低技术风险并且足够灵活地被用于某个额定功率范围的现成标准逆变器。上市时间已成为主要的驱动力，用于可再生能源的逆变器已成为商品项目。

　　灵活的平台： 从450 kW 至2.5 MW以上

　　现在有了一个新的逆变器平台，可以使系统集成商随时获得一个易于使用的多功能变频器，以满足市场需求。用于可再生能源的SemiSTack是一个大功率三相逆变器的平台，它使用集成了散热器的SKiiP智能功率模块（IPM）、电源模块、驱动和保护传感器/功能，并为可再生能源应用进行了优化。模块化的结构，SKiiP IPM额定功率有多种选择，可选风冷或水冷以及能够将逆变器并联连接，使其可用于广泛的应用中，从约450kW到超过250MW的全功率系统，如那些用在SG风力发电应用中的系统。

2 逆变器的基本配置

　　包括三个垂直机械安装的半桥相位单元。每个相位单元包含一个SKiiP IPM和冷却板或散热器，带有长寿命聚丙烯电容器的 直流母线，交流连接和缓冲器。单独的相位单元通过一个低电感直流耦合连接在一起并安装在一个坚固的机械框架内。可通过直流母线将该逆变器组连接起来实现一个完整的四象限变换器，或者将逆变器并联以获得更大的额定功率。

　　图1 用于可再生能源的Semistack平台包含三个模块化半桥（GB）相位单元

　　现有风冷和水冷两个版本可提供。两个版本都使用相同的整体机械结构进行配置。用户可在两个解决方案中进行选择，一个是通常用于太阳能应用及低功率双馈风力发电应用的简单风冷解决方案，另一个是通常用于较大SG风力发电应用的更大功率的水冷解决方案。

　　图2 使用水冷机箱，实现了最大的功率密度

　　对于可再生能源，Semistack的多功能性体现在以下应用的实现中。通过将两台风冷Semistack逆变器组合成一个四象限配置可以很容易地组成一个典型的1.5MW双馈系统。完整的逆变器可被装入600mm宽的机柜中。高度仅为1200mm，使得整个组件可被装入标准的2000mm机柜，并保留空间给其他设备。

　　图3 小巧的4Q 1.5MW风冷双馈配置节省机柜空间

　　同样，两台带有四托架SKiiP的水冷逆变器可以以同样的方式进行组合来配置一个高达1.5MW的全功率四象限SG应用。

水冷版本有两种机箱尺寸可供选择，采用水冷版本可以实现更大