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  • 产品名称:风力发电机专用IGBT模块 SKIIP1513GB172-3DL SKIIP1213GB123-2DL V3

  • 产品型号:SKIIP1814GB12E4-3DL,SKIIP1814GB12E4-3DW ,SKIIP2414
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风力发电机专用IGBT模块 SKIIP1513GB172-3DL SKIIP1213GB123-2DL V3 SKIIP2013GB172-4DL V3 1700V----2000A SKIIP2403GB172-4DW V3 1700V----2400A
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风力发电机专用IGBT模块 SKIIP1513GB172-3DL SKIIP1213GB123-2DL V3
在兆瓦级,大功率电力电子应用中需要大容量的半导体器件。然而,对于某些应用来说,即使是目前可以得到的*大半导体器件容量也不够大。因此需要将它们并联。在传统的电力电子电路中将半导体器件并联是非常普遍的。

 

  现在讨论一种可能的方案:电力电子装配把包含IGBT和二极管的IGBT基本单元、散热器、直流环节电容、驱动器和保护电路、辅助电源和PWM控制器(一个独立单元)组装在一个三相逆变器中。这些单元可以并联,例如用于一台带永磁发电机的4象限驱动风力发电机和所展示的全功率4兆瓦变换器。

 

  本文介绍一种在中压范围内得到更大风力发电功率的方法。该方法使用变速中压永磁发电机的线路接口连接,没有任何电压和功率限制,并且采用已经证明有效的半导体器件和组件。将基本电力电子单元串联以获得更高的电压,并联以获得更高的功率等级。

 

  2 不同阻断电压下IGBT效率的对比

 

  IGBT在电力电子电路中使用非常广泛。如今有各种电压等级的IGBT,广泛用于工业应用的1200V和1700V IGBT以及3.3kV、4.5kV和6.5kV的中压IGBT。那么哪种电压等级*适合大功率应用呢?当上述IGBT被放置在目前可得到的*大外壳中以制造逆变器时,可以找到这个问题的答案。当然,在*优工作条件下模拟可用功率更简单。

 

  为了做到这一点,选用了*大的标准外壳(IHM,190mm宽)。IGBT都被封装在这个外壳中,并定义了*佳工作条件:直流运行电压Vdc、,交流输出电压Vac、载波开关频率3.6 kHz以及尽可能好的冷却条件。图1显示了基于给定参数而计算出的不同IGBT的可用功率。

 

基于给定参数而计算出的不同IGBT的可用功率

 

  结果显示,采用3.3 kV、1200 A独立模块得到的*大功率约为采用1.7 kV、2400 A IGBT所得功率的一半。相比之下,6.5 kV、600 A IGBT模块所提供的功率仅为1.7 kV IGBT的四分之一。产生这一结果的原因是IGBT模块的损耗。如果计算图2中三个变换器的效率,可以看到损耗比为1:2:4。

 

  对于这个对比,我们使用了相同的载波开关频率fsw = 3.6kHz。这使得我们有机会采用相对较小的滤波器设计逆变器。使用不同的载波开关频率,将导致所用的输出正弦滤波器不同。基于上述种种原因,可以看出,采用1.7 kV IGBT可实现*大效率,它是一款单位模块价格非常合理的标准工业产品。 

 

  不同阻断电压下IGBT效率的对比.

 

  运行条件是:fsw = 3,6KHz、cosφ = 0.9,相同模块和冷却条件下三相逆变器的运行

 

  1.7 kV IGBT封装在不同的模块外壳中。为了对比,我们可以采用*大的单管模块IHM 2.4kA、   1.7kV,将两个这样的模块和一个尺寸与长度相近的双管模块SKiiP1513GB172做比较。如果两个SKiiP在散热器上背靠背放置,则可得到一个电流是2 x 1.5kA = 3.0kA的半桥(外壳温度= 25 ℃时 ),或者电流为 2.25kA的半桥(外壳温度为70 ℃时)。

 

  两个单管模块将提供一个2.4kA的半桥。比较计算的结果可以看到,与放置在*大外壳中的标准模块相比,采用SKiiP的方案可在整个开关频率范围内提供更高的输出电流。可用逆变器输出功率与开关频率的关系见图3。

 

可用逆变器输出功率与开关频率的关系

 

  如果采用了更强大的SKiiP模块,如使用氮化铝作为陶瓷基板的SKiiP 1.8kA, 1.7kV,可从三相逆变器获得更高的功率,即1800 kVA。

 

 配备了1800 kVA基本单元的示例

 

图4   配备了1800 kVA基本单元的示例

 

  3 并联IGBT模块

 

  以下方案对于IGBT模块的并联运行是可行的。

 

  ⑴ 一台三相逆变器用于整个功率的提供,相脚是由许多并联的IGBT模块和一个强大的驱动器组成。每个IGBT模块必须有自己的栅极电阻与对称直流环节和交流输出连接。[1]

 

  ⑵  三相IGBT基本单元硬并联。

 

  整个系统是通过一台控制器及其PWM信号控制。所有三相逆变器都连接到一个公共的直流环节电压。对于每个独立基本单元驱动器,采用驱动器并联板实现并联。驱动器工作时间小的变化(小于100ns )是通过小的交流输出扼流圈进行补偿的(电感< 5 μH)。所有的三相逆变器同时运行,但存在小的时延,小时延可通过额外的交流扼流圈进行补偿。采用对称布局和IGBT饱和压降的正温度系数来保证适当的负载电流均衡。[2]

 

  第2项所述的系统每个基本单元附带PWM信号的附加校正。并联基本单元的**负载电流均衡是由附加PWM校正控制的。

 

  将几个带同步PWM的单元并联运行,且用附加PWM控制消除循环电流。[3]

 

  每个基本单元都使用电气负载隔离。各个基本单元都有自己的控制器,通过绝缘绕组给负载提供电力。PWM是独立的、非同步的、自由运行的信号,且每个基本单元都有自己单独的直流环节。在电网侧,每个基本单元有自己的正弦LC滤波器。假如输出也是电气隔离的,则不同直流环节间不存在循环电流。 这是将带有标准独立控制器的标准独立基本单元并联起来的*简单的方法。一个基于发电机侧电气隔离的简单设计如图5所示 。三个并联的带分立电机绕组的独立4象限驱动器。该驱动器可以和一个或两个驱动器并联运行。

 

一个基于发电机侧电气隔离的简单设计

 

  三个1500kVA 4Q驱动单元连接到永磁风力发电机单独的绕组上。每个4象限驱动器都是标准的,拥有自己的发电机侧和电网侧控制器。第四个控制器的目的是提供统一的发电机扭矩共享。万一运行过程中一个4象限驱动器出现了问题,其余驱动器的运行不会被中断。所描述的系统已应用于3.6MW风力发电机,该风力发电机拥有一台带有三个独立绕组的永磁发电机。该系统为*多达12个四象限驱动器并联而研制,可用于连接12台发电机或12个发电机绕组。[4]

 

  4 基本单元的串联

 

  风力发电机设计工程师需要将以下诸方面考虑到他们的设计中。

 

  ⑴ 大功率风力发电机;

 

  ⑵ 低损耗;

 

  ⑶ 变速;

 

  ⑷ 高效率;

 

  ⑸ 采用经验证有效的半导体元件;

 

  ⑹ 使用简单的线变压器,得到纯净的正弦波电流;

 

  ⑺ 线路功率因数良好且总谐波失真小;

 

  ⑻ 有功和无功功率控制;

 

  ⑼ 模块化设计,适合不同的功率和电压且安装快速; 

 

  ⑽ 可靠性高;

 

  ⑾ *低的成本。

 

  可选的*佳方案:中压发电机。 在未来的大功率风力发电机设计中,中压发电机是必不可少的。然而,中压硅片并不适用于此类应用。因此,正确的解决方案是将基本单元串联起来。例如:一台额定输出电压为6.3 kV的5MW风力发电机,输出电流为3 x 436 Arms。整流过的变速发电机电压为1kV~10 kV的直流电压。

 

  这样变化的电压如何才能连入电网?每个风力发电机需要有自己的变压器用来与电网相连。电网的电压应在20kV-30kV范围,这应该是变压器的输出电压。

 

  变压器可由几个三相绕组组成,这里用了10个,每个为3 x 690 V,作为输入电压。

 

  5 基于单元的中压风力发电机

 

  新型中压风力发电机的原理如图6所示。

 

新型中压风力发电机的原理

 

  每个三相绕组附带一个基本单元和一个600kVA的三相逆变器。第四个IGBT管脚可被连接到每个基本单元的前面,这种排列可被称为中压单元。所有单元都可如图6所示串联起来。如果第四管脚的IGBT开关是关断的,发电机的直流电流将对单元直流环节电压进行充电。单元电网侧三相逆变器放电,控制自己的直流环节电压。对于3 x 690V交流电压,直流环节电压将为1.05kV。10个串联的基本单元可以产生高达10 ×1.05 kV = 10.5kV的反电动势(EMF)。电压仍然与整流后的发电机电压保持平衡。如果发电机转速下降,发电机电压也会变低。因此,为控制整流后的直流电流,也是为控制发电机的转矩,不得不旁路掉部分单元。如果旁路掉5个单元,剩余的反电动势是5 ×1.05 kV = 5.25kV。旁路掉更多的单元会增加直流电流和发电机转矩。被旁路掉的单元可向电网提供全部的无功功率。如果某个单元失效,它也将被旁路掉。单元直流环节电压*大值是1.2 kV ,因此即使仅有9个单元串联也可承载高达9 ×1.2 kV = 10.8kV的整流后发电机电压。

 

  6 带中压同步发电机的变速风力发电机

 

  带中压同步发电机的变速风力发电机特点如下。

 

  ⑴ 发电机直流电压范围从0至Vdcmax;

 

  ⑵ 每单元直流电压1.05 kV(采用1.7 kV硅片);

 

  ⑶ Vdc max. per cell = 1.2 kV;

 

  ⑷ 单元数量= Vdcmax/Vcell+1;

 

  ⑸ 单元功率:Pgenmax/单元数量;

 

  ⑹ 系统冗余 (+1);

 

  ⑺ 单元导通时间在0%-100%之间变化;

 

  ⑻ 关断的单元可以产生全部的无功功率;

 

  ⑼ 不论功率高低,效率都高 ;

 

  ⑽ 线路测纹波频率 = Ncell × Fswcell;

 

  ⑾ 简单的网侧变压器。

 

  7 结论

 

  大功率应用使用多个IGBT模块。然而,使用更多的带独立控制的开关要好的多。例如,用几个并联或串联的单元而不是一个巨大的单个单元。

 

  优点如下:

 

  ⑴ 线路的功率因数好、电流总谐波失真小、开关频率更低、更少的无源器件;

 

  ⑵ 模块化设计,适合不同的功率和电压且安装快速;

 

  ⑶ 采用经验证有效的半导体元件;

 

  ⑷ 更高的效率;

 

  ⑸ 高可靠性;

 

  ⑹ 极低的每kW成本。

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