经过优化的用于可再生能源系统的大功率逆变器

摘要：详细介绍了赛米控大功率三相逆变器平台Semistack在风力发电和太阳能光伏发电的应用。 叙词：可再生能源 逆变器 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。

2 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8个方案解决中心，每大洲1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，对于陆上系统，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（5-6）MW，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。

3 灵活的平台（450 kW ~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1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。

逆变器的基本配置，包括3个垂直机械安装的半桥相位单元。每个相位单元包含1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1个低电感直流耦合连接在一起，并安装在1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1个完整的4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2个解决方案中进行选择，1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1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2台风冷Semistack逆变器组合成一个4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4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4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的额定功率。较大的 4/3机箱可容纳4托架或3托架SKiiP IPM。在四象限配置中，有可能将4托架和3托架组件组合在一起。这允许对SKiiP模块进行优化，因为对发电机侧逆变器的要求比电网侧的往往更严格。4/3机箱可容纳2台逆变器并联的1.5MW或2.5MW全功率应用。Semistack拥有10kVA/升的功率密度，与其最接近的竞争对手相比，至少有20％的优势。较小的3/2机箱采用3托架和2托架SKiiP，用于较低功率的需求，通常用于逆变器额定功率为约是系统功率30%的DFIG系统中，以及大功率的太阳能系统。每个逆变器只需2个冷却回路水接头，因为内部并联了独立的冷却板以避免热堆积。用于出口和入口的2个快速连接器位于每个逆变器的底部以方便与外部冷却系统的连接。

图4水冷版本提供了两种机箱： 4/3机箱和3/2机箱

4 功能设计

由于用在可再生能源的Semistack平台的功能设计，通过1个在组件之间耦合连接的低电感母线，组件可以在直流母线处很容易地连接在一起。这使得配置4象限应用以及并联逆变器，以获取更大功率变得容易了。此外，通过使用另一种Semistack组件，可以添加1个制动斩波器。这种灵活性使得系统集成商可以轻松地使用相同的组件构建一系列不同额定功率的产品。作为标准配置，提供1个简单的交流母线，以便于逆变器组件前部的电缆连接，或选购交流母线工具包，用于定位到每个逆变器组件底部的AC连接。

图 5 2.5MW 4Q SG配置

用于可再生能源的Semistack平台可以很容易地结合在一起，形成4个象限、更高功率的配置，如图5所示的2.5MW 4Q SG配置。

Semistack的核心是SKiiP3智能功率模块。SKiiP是目前市场上功率最大的IPM，并且是风力发电市场中使用最为广泛的大功率模块。如今，全球风力发电机组中有超过57GW是由赛米控的设备驱动的。因此，选择用于可再生能源的Semistack对于风力发电应用来说很自然。

图6用于可再生能源的Semistack模块的核心是SKiiP智能功率模块

5 产品完全合格

根据定义，赛米控方案解决中心平台是一个明确定义或认定的标准产品或系列标准产品。用于可再生能源的Semistack，像其它方案解决中心平台一样，经过严格的资格审查程序。在这一过程中，Semistack按照国际和内部标准进行一系列严格的测试，包括电、热、热循环、环境及冲击和振动。

此外，每个SKiiP IPM在其生产过程中经过完全测试。在生产过程中，每个完全组装的Semistack都会经历包括隔离、运行负载测试和短路测试的一整套测试。另外，对于要求更为严格的客户，有一个可选的烧机测试可供选择。对于连接电网的高价值发电设备来说，在长时间的使用中，可以最大限度地确保鲁棒性和可靠性。

6 对于可再生能源市场的好处

逆变器系统供应商可从能够外包一个用于可再生能源的Semistack标准产品中获益。系统供应商现在可以自由地选择合格的型号，无需在设计和制造资源方面进行昂贵的投资，并可以最小化技术风险。Semistack产品系列的灵活性和功能设计为供应链增加了另一个维度，使系统供应商可以满足当今市场普遍存在的商品面市时间短的需求。

用于可再生能源的Semistack也不会过时，因为它兼容下一代SKiiP IPM。Semistack已准备好在利用新的第4代SKiiP技术优势，第4代SKiiP功率密度更高并且采用了新的数字驱动器。

产品规格

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

作者简介

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