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<5μH）。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xx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xx循环电流。[3]

    每个基本单元都使用负载隔离。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最简单的方法。

    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。

    三个1500kVA4Q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。该系统为最多达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]

    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{zd1}的成本。

  可选的{zj0}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6.3kV的5MW风力发电机，输出电流为3x436Arms。整流过的变速发电机电压为1kV～10kV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3x690V，作为输入电压。

    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。

    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3x690V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10×1.05kV=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5×1.05kV=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{zd0}值是1.2kV，因此即使仅有9个单元串联也可承载高达9×1.2kV=10.8kV的整流后发电机电压。

    带中压的变速风力发电机

    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1.05kV（采用1.7kV硅片）；

    ⑶Vdcmax.percell=1.2kV；

    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%-{bfb}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。

    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。