摘要：詳細介紹了賽米控大功率三相逆變器平臺Semistack在風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電的應用。 敘詞：可再生能源 逆變器 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

可再生能源市場正從全球金融危機中強勁反彈。先前延誤或停工的項目已重新啟動，許多新項目正在實施。這一高潮有力地掀起了整個供應鏈對可再生能源系統(tǒng)組件的需求，包括風力發(fā)電和光伏逆變器。

全球風能理事會（GWEC）預測未來4年總裝機容量的年均增長率為20.9％。這將使得到2014年風電總裝機容量增加一倍以上，超過400GW。亞洲地區(qū)的增長前景尤其強烈，其中中國是2009年世界最大的風力發(fā)電市場，如今他們風力發(fā)電能力的累計基礎僅次于美國，位居第二。

同樣，對于光伏發(fā)電，2010年預計到了40%的累計光伏裝機容量的強勁增長。德國是最大的市場，而南歐、美國和亞洲的新市場也看到了良好的增長- 尤其是在亞洲，如果中國政府批準其國內光伏增長刺激計劃，預計該計劃設定到2020年實現30GW的裝機目標。

2 逆變器拓撲趨勢

賽米控方案解決中心在2010年直接目睹了該效應，標準可再生能源逆變器的訂單量增長驚人，超過300％，并且對新項目的開發(fā)有濃厚的興趣。

賽米控方案解決中心在電力電子行業(yè)是獨一無二的，因為它是惟一專注于電力電子組件和平臺設計與制造的公司。賽米控及其各子公司將半導體、驅動器和其它主要器件集成為電力電子組件已超過50年。2003年，賽米控將這些子公司合并，組建了賽米控方案解決中心組，目前包括8個方案解決中心，每大洲1個，其關鍵策略是直接為當地市場制造電力電子平臺，提供解決方案和技術支持。

對于逆變器來說，清晰的功率拓撲結構趨勢正在出現。其中，在風電行業(yè)，新的開發(fā)重點是使用全功率逆變器的永磁同步電機（SG）。該配置能夠提供更高的整體效率，可用風速范圍更廣，并且使逆變器能夠適應有關發(fā)電設備對電網干擾行為的新規(guī)定。

額定功率已經統(tǒng)一，對于陸上系統(tǒng)，新項目的典型額定功率在2MW和3MW之間，主要使用水冷式逆變器，采用雙饋感應發(fā)電機（DFIG）和SG應用，風冷或水冷，功率最低點為1.5MW。海上應用的功率穩(wěn)定在（5-6）MW，一些試點應用超過了這個級別。雖然對于海上系統(tǒng)轉向中壓（MV）是一個明確的趨勢，但是許多新項目發(fā)展繼續(xù)使用并聯的低壓（LV）逆變器。

在太陽能應用中，電網互聯系統(tǒng)的功率技術趨勢通常為每逆變器達500kW，一些正在進行的新項目達到1MW以上。

風電和太陽能市場的成熟度加上強大的市場復蘇，給逆變器供應商帶來越來越大的壓力，要提供已通過資格預審的、低技術風險并且足夠靈活地被用于某個額定功率范圍的現成標準逆變器。上市時間已成為主要的驅動力，用于可再生能源的逆變器已成為商品項目。

3 靈活的平臺（450 kW ~2.5 MW以上）

現在有了一個新的逆變器平臺，可以使系統(tǒng)集成商隨時獲得1個易于使用的多功能變頻器，以滿足市場需求。用于可再生能源的Semistack是一個大功率三相逆變器的平臺，它使用集成了散熱器的SKiiP智能功率模塊（IPM）、電源模塊、驅動和保護傳感器/功能，并為可再生能源應用進行了優(yōu)化。模塊化的結構，SKiiP IPM額定功率有多種選擇，可選風冷或水冷以及能夠將逆變器并聯連接，使其可用于廣泛的應用中，從約450kW到超過250MW的全功率系統(tǒng)，如那些用在SG風力發(fā)電應用中的系統(tǒng)。

逆變器的基本配置，包括3個垂直機械安裝的半橋相位單元。每個相位單元包含1個SKiiP IPM和冷卻板或散熱器，帶有長壽命聚丙烯電容器的直流母線，交流連接和緩沖器。單獨的相位單元通過1個低電感直流耦合連接在一起，并安裝在1個堅固的機械框架內?？赏ㄟ^直流母線將該逆變器組連接起來，實現1個完整的4象限變換器，或者將逆變器并聯以獲得更大的額定功率。

圖1用于可再生能源的Semistack平臺包含三個模塊化半橋（GB）相位單元

現有風冷和水冷兩個版本可提供。兩個版本都使用相同的整體機械結構進行配置。用戶可在2個解決方案中進行選擇，1個是通常用于太陽能應用及低功率雙饋風力發(fā)電應用的簡單風冷解決方案，另1個是通常用于較大SG風力發(fā)電應用的更大功率的水冷解決方案。

圖2 使用水冷機箱實現最大的功率密度

對于可再生能源，Semistack的多功能性體現在以下應用的實現中。通過將2臺風冷Semistack逆變器組合成一個4象限配置，可以很容易地組成一個典型的1.5MW雙饋系統(tǒng)。完整的逆變器可被裝入600mm寬的機柜中，高度僅為1200mm，使得整個組件可被裝入標準的2000mm機柜，并保留空間給其他設備。

圖3小巧的4Q 1.5MW風冷雙饋配置節(jié)省機柜空間

同樣，兩臺帶有4托架SKiiP的水冷逆變器可以以同樣的方式進行組合，來配置一個高達1.5MW的全功率4象限SG應用。

水冷版本有兩種機箱尺寸可供選擇，采用水冷版本可以實現更大的額定功率。較大的 4/3機箱可容納4托架或3托架SKiiP IPM。在四象限配置中，有可能將4托架和3托架組件組合在一起。這允許對SKiiP模塊進行優(yōu)化，因為對發(fā)電機側逆變器的要求比電網側的往往更嚴格。4/3機箱可容納2臺逆變器并聯的1.5MW或2.5MW全功率應用。Semistack擁有10kVA/升的功率密度，與其最接近的競爭對手相比，至少有20％的優(yōu)勢。較小的3/2機箱采用3托架和2托架SKiiP，用于較低功率的需求，通常用于逆變器額定功率為約是系統(tǒng)功率30%的DFIG系統(tǒng)中，以及大功率的太陽能系統(tǒng)。每個逆變器只需2個冷卻回路水接頭，因為內部并聯了獨立的冷卻板以避免熱堆積。用于出口和入口的2個快速連接器位于每個逆變器的底部以方便與外部冷卻系統(tǒng)的連接。

圖4水冷版本提供了兩種機箱： 4/3機箱和3/2機箱

4 功能設計

由于用在可再生能源的Semistack平臺的功能設計，通過1個在組件之間耦合連接的低電感母線，組件可以在直流母線處很容易地連接在一起。這使得配置4象限應用以及并聯逆變器，以獲取更大功率變得容易了。此外，通過使用另一種Semistack組件，可以添加1個制動斬波器。這種靈活性使得系統(tǒng)集成商可以輕松地使用相同的組件構建一系列不同額定功率的產品。作為標準配置，提供1個簡單的交流母線，以便于逆變器組件前部的電纜連接，或選購交流母線工具包，用于定位到每個逆變器組件底部的AC連接。

圖 5 2.5MW 4Q SG配置

用于可再生能源的Semistack平臺可以很容易地結合在一起，形成4個象限、更高功率的配置，如圖5所示的2.5MW 4Q SG配置。

Semistack的核心是SKiiP3智能功率模塊。SKiiP是目前市場上功率最大的IPM，并且是風力發(fā)電市場中使用最為廣泛的大功率模塊。如今，全球風力發(fā)電機組中有超過57GW是由賽米控的設備驅動的。因此，選擇用于可再生能源的Semistack對于風力發(fā)電應用來說很自然。

圖6用于可再生能源的Semistack模塊的核心是SKiiP智能功率模塊

5 產品完全合格

根據定義，賽米控方案解決中心平臺是一個明確定義或認定的標準產品或系列標準產品。用于可再生能源的Semistack，像其它方案解決中心平臺一樣，經過嚴格的資格審查程序。在這一過程中，Semistack按照國際和內部標準進行一系列嚴格的測試，包括電、熱、熱循環(huán)、環(huán)境及沖擊和振動。

此外，每個SKiiP IPM在其生產過程中經過完全測試。在生產過程中，每個完全組裝的Semistack都會經歷包括隔離、運行負載測試和短路測試的一整套測試。另外，對于要求更為嚴格的客戶，有一個可選的燒機測試可供選擇。對于連接電網的高價值發(fā)電設備來說，在長時間的使用中，可以最大限度地確保魯棒性和可靠性。

6 對于可再生能源市場的好處

逆變器系統(tǒng)供應商可從能夠外包一個用于可再生能源的Semistack標準產品中獲益。系統(tǒng)供應商現在可以自由地選擇合格的型號，無需在設計和制造資源方面進行昂貴的投資，并可以最小化技術風險。Semistack產品系列的靈活性和功能設計為供應鏈增加了另一個維度，使系統(tǒng)供應商可以滿足當今市場普遍存在的商品面市時間短的需求。

用于可再生能源的Semistack也不會過時，因為它兼容下一代SKiiP IPM。Semistack已準備好在利用新的第4代SKiiP技術優(yōu)勢，第4代SKiiP功率密度更高并且采用了新的數字驅動器。

產品規(guī)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

作者簡介

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