摘要
風機單機功率的提升一定程度上有利于風電成本的降低。目前大功率風機單機功率為5MW級左右，有向10MW級發展的趨勢。本文對應用于大功率風機的變換器及開關器件的可行方案進行評估。所考慮的電力電子變換器包括各種多電平電壓源型變換器，以及基于SGCT的電流源型變換器。諧振變換器、矩陣變換器等應用前景不明朗的方案不在考慮之列。相關大功率變流器目前已應用于石油天然氣、艦船動力等領域。本文從諧波含量、機電扭轉作用、故障穿越能力、共模電壓水平、電磁兼容能力、輸入輸出濾波器需求、整體效率、元件數量、體積以及適用功率等級等方面評估了各種變換器電路。對各種適用于大功率應用的開關器件的優缺點也同時進行了比較。
功率器件的分類與比較
下文中分別使用不同的顏色表示器件的性能等級、技術現狀及發展趨勢，如表1和表2所示。
變流器中半導體開關器件的選取需要考慮很多因素。如表3，功率半導體器件分為電流驅動型開關器件和電壓驅動型開關器件?？傮w上，電流驅動型開關器件如IGCT、SGCT以及GTO比電壓驅動型開關器件如IGBT需要的輔助元件多。晶閘管器件因不能滿足風機變換器的各種要求，文中沒有考慮晶閘管。電流驅動型開關管比電壓驅動型開關管通態損耗低，但開關損耗大。高頻變換器一般采用電壓驅動型開關管。
GTO雖性能優異，但輔助電路多，這樣裝置的造價和復雜程度增加、可靠性降低。與GTO相比， IGBT和IGCT造價低，功率密度高。由于高功率等級的IGBT及IGCT的開關損耗分別小于同功率等級的GTO，因此GTO在中低功率應用中正被IGBT取代、在大功率應用中正被IGCT取代。GTO 器件本身的故障率在100 FIT左右，如果考慮驅動電路和緩沖電路故障，故障率將升至600 FIT，甚至更高。GTO器件的主要失效模式為短路。
IGBT和IGCT是目前最常用的兩種開關器件。它們之間的差別在于IGCT允許通過的電流大而IGBT的開關頻率高。高的開關頻率使得IGBT變換器諧波含量低，但同時也增加了開關損耗。IGBT器件的通態壓降比IGCT大。為了減小IGBT的通態壓降，需要增加開關管的硅晶片面積，從而增加制造成本。
IGBT有塑封和壓接兩種封裝技術。塑封IGBT一般是單面冷卻，故障后的失效模式為開路，并可能出現外殼爆裂、弧光放電等情況。壓接IGBT的失效模式為短路。在需要開關器件串聯使用的場合，壓接IGBT更有優勢。目前，IGCT模塊都采用壓接封裝技術。與IGBT模塊相比，IGCT模塊的熱應力更小，發生爆裂和弧光放電等情況的幾率更小。IGCT可以采用兩面冷卻設計，冷卻效果明顯優于IGBT。但是，IGBT的故障率低于IGCT模塊，一般情況下是是后者故障率二分之一。
IGBT模塊的驅動電路元件少。目前IGBT的驅動電路、控制電路和保護電路都可以高度集成。在短路故障時只要結溫不超過安全工作范圍，驅動電路仍可以繼續安全工作。IGBT在大電流時具有退飽和特性，可以在一定程度上保護器件過流，其它的電力電子開關器件則都不具備這種特性?？傊?，IGBT具有驅動簡單、過壓過流保護實現容易、開關頻率高以及不需要緩沖電路等特性，非常適合應用在中壓驅動領域。IGBT是目前應用最廣泛的電力電子開關器件。常見的IGBT器件的額定電壓等級有600V、1200V、1700V、2500V、3300V和4500V，額定電流則可以達到2400A。雖然有更高電壓等級的IGBT器件，但其電流等級卻大為下降。例如，額定電壓為6500V的IGBT器件的額定電流僅為650A。額定功率最大的IGBT電壓電流參數為3600V/1700A和4500V/1200A。
IGBT有分立模塊和智能功率模塊兩種。智能功率模塊除具有一般IGBT器件優點外，它集成了驅動電路并具有內置保護功能。使用智能功率模塊可減小設備體積和造價，提高可靠性，降低電磁干擾，簡化冷卻系統，加快變換器的設計和制造速度。常見的智能功率模塊的電壓等級為3300V，電流等級為1200A。
目前不對稱阻斷IGCT器件主要有6500V*3000A和6000V*4500A兩種型號。由于IGCT驅動電路復雜，如將驅動電路故障考慮在內，IGCT故障率遠高于同樣考慮驅動電路故障的IGBT，IGCT的故障率一般在640 FIT左右。IGCT的失效模式為短路。
為了在不增加驅動電路損耗的前提下降低IGBT的導通損耗，IEGT應運而生。IEGT通常采用壓接封裝技術。IEGT的正向導通壓降低于IGBT，有利于提高設備的功率密度和效率。IEGT的損耗很小，甚至低于晶閘管的損耗。IEGT的關斷電壓和關斷電流均高于IGBT，典型值分別為4500V和4000A。IEGT的故障率略高于IGBT，驅動電路也更復雜，并且不具備IGBT類似的內在過流保護特性。IEGT器件失效后處于短路狀態。
SGCT是集成了門級驅動的晶閘管，與IGCT非常相似。SGCT可以關斷正向和反向電壓，但只允許單向電流通過。因此，SGCT不需要串聯二極管或者反并聯二極管，降低了元件數量。SGCT的正向和反向關斷電壓可以達到6500V。目前SGCT電壓等級可以達到6000V，電流等級5000A，額定容量達到30MVA。SGCT主要應用在電流源型的變換器中。由于SGCT本質上是反向關斷的IGCT，其故障率和故障類型都和IGCT非常相似。
表4比較了常見的大功率電力電子半導體開關器件的主要特性。
表4 電力電子開關器件性能比較
電力電子變換器的主要類型及其特點
如表5所示，電力電子變換器可以分為兩大類：電流源型變換器和電壓源型變換器。電流源型變換器的整流器和逆變器的之間串聯一個大的直流電感，使直流側電流維持恒定，以保證交流側輸入和輸出電流只能在正、負直流電流或零之間切換。電壓源型變換器的整流器和逆變器的直流側并聯一個大的直流電容，使直流側電壓維持恒定，以保證交流側輸入和輸出電壓只能在正、負直流電壓和零之間切換。為使風機能四象限運行，電壓源型變換器和電流源型變換器均需工作在PWM模式。
表5 風機變換器分類
電壓源型變換器分為兩電平和多電平。如圖1中兩電平變換器在風力發電中應用最為廣泛。兩電平變換器輸出兩種電平，結構簡單。多電平變換器輸出多種電平，常見的一般從三電平到九電平。多電平的產生主要是為了克服半導體器件應用于兩電平時的最大電壓和功率等級限制。不同于兩電平變換器，多電平變換器通過鉗位二極管或鉗位電容來實現動態電壓的平衡。多電平拓撲具有電壓等級高、諧波含量小、濾波器容量小、共模電壓小以及電磁兼容性能好的優點。(共模電壓和電磁兼容問題是由于開關管的高開關頻率引起的。高的開關頻率導致大的dv/dt。電壓脈沖引起電流流入電機的雜散電容，從而導致機端過電壓引起電磁兼容問題。)
本文比較了三種不同電路拓撲的多電平變換器：中點鉗位變換器、飛跨電容變換器以及H橋級聯變換器，總結了它們與兩電平變換器相比的優缺點。
圖2中三電平中點鉗位變換器是目前在中壓驅動中應用最廣泛的一種拓撲結構，目前10MW的變換器已可制造。三電平變換器的廣泛使用主要是因為其直流電容數量少、封裝體積小、共模電壓低以及整體造價低。背靠背的中點鉗位三電平變換器在中壓驅動中應用廣泛。中壓應用需要變換器單元的并聯，最大輸出功率限制在10MW。
在變換器的設計中，直流電容電壓的平衡是需要重點考慮的問題。目前對直流電容電壓平衡的機制已有深入的理解，電容電壓平衡的控制方法已經在產品中使用。三電平中點鉗位電壓源型變換器在工業上也有廣泛的應用，開關管主要使用IGBT和IGCT。
較大功率等級的基于中點鉗位的三電平變換器模塊在市場上已有銷售。使用此通用模塊搭建的變換器能將電能變換成需要的電壓、電流以及頻率等級。采用將開關器件、驅動以及其它元件集成的方案，可以降低成本、損耗、重量、體積，減小工程量以及維護量，延長使用時間。模塊化的功率器件具有良好的開放性，使得使用此模塊的任何生產廠商的產品可以和其它產品兼容。這樣可以降低開發功率變換產品的復雜性。如圖2所示，變換器的每一個橋可以是一個獨立的功率變換模塊。
飛跨電容式變換器 (FSC) 在學術界和工業界實驗室中已有廣泛的研究，但目前為止只有一家制造商生產出了商用的產品。因此用戶對飛跨電容式變換器的體驗非常有限。飛跨電容變換器的主要優點在于開關管的功率均衡分擔、開關狀態冗余使選擇更加靈活以及大量的電容使故障穿越性能好。飛跨電容變換器沒有被廣泛采用的主要原因是此拓撲需要大量的直流電容，每個電容需要單獨的預充電電路，增加了裝置啟動的復雜性，同時封裝體積大。飛跨電容變換器實現四象限運行成本高。圖3為三電平的飛跨電容變換器。
如圖4所示，在級聯H橋結構中，電機的每一相驅動電路由若干個串聯的功率模塊組成。通過增加串聯模塊的數量可以增加驅動電壓的等級。每個模塊都有獨立的直流電容，并有專用的二極管整流為直流電容充電。為了限制變換器輸出的諧波電流，需要在電網接口處增加多繞組變壓器;變壓器繞組隨每一相串聯的功率模塊數量的增加而增加。這種結構需要大量的開關器件，例如一個4160V的系統，每相需要五個串聯的功率模塊，三相總共需要60個IGBT和90個前端二極管。封裝體積大，開關器件多，從而引起可靠性問題。同時，用可控整流取代前端二極管不控整流橋以實現四象限運行非常困難。級聯H橋結構不適用于共直流的驅動結構。盡管有以上缺點，但在所有的中壓驅動電路中，CHB驅動電路可以實現最低的諧波輸出和最低的共模電壓，從而可以省去電機輸出濾波器。由六個功率模塊級聯的CHB驅動電路可以實現高達15MW的功率等級。一般情況下，N電平級聯H橋多電平變換器的電平數等于功率模塊數量的兩倍加一，如圖4所示，七電平變換器可以由每相三個功率模塊級聯而成。
市場上已有的變速恒頻風機均使用電壓源型變換器。然而，Rockwell公司已經嘗試將PWM電流源型逆變器電機驅動技術應用到風機中。為了達到四象限運行的目的，開關管要求可以阻斷正反方向電壓，但只允許通過單向電流。SGCT 是滿足這一要求的唯一開關器件。基于三電平電流源型變換器的風力發電機如圖5所示。表6顯示，電流源型變換器主要的優點是可以雙向運行，減少共模電壓和電磁兼容問題。該表顯示電壓源型變換器性能優于電流源型變換器。電流源型變換器應用于風力發電裝置的缺點是低風速下功率因數超前，不滿足并網準則。為了解決電流源型變換器的這一問題，需要采用比目前的電機控制技術更為復雜的控制技術。
結論
本文討論了適用于大功率風機(10MW級)的電力電子變流器結構和開關器件。從技術和經濟等多種因素出發，比較了各種選擇的性能特點。適于的開關器件可選擇IGBT、IGCT、IEGT、SGCT, 相應的電路結構可選擇NPC，或電流源型變換器。
