大功率风机用电力电子变换器器件、电路技术评估（2） 电子, 风机, 技术, 评估

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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。


　　结论
　　本文讨论了适用于大功率风机(10MW级)的电力电子变流器结构和开关器件。从技术和经济等多种因素出发，比较了各种选择的性能特点。适于的开关器件可选择IGBT、IGCT、IEGT、SGCT, 相应的电路结构可选择NPC，或电流源型变换器。