Силовая электроника №3'2011

WIndSTACK — новая концепция преобразователей большой мощности

Колпаков Андрей

Тимс Алан (Tims Alan)


Мировой финансовый кризис оказал крайне негативное влияние на рынок возобновляемых источников энергии. Однако с начала 2010 г. ситуация стала меняться в лучшую сторону, было возобновлено много замороженных проектов и стартовало несколько новых, еще более крупных. Наиболее ощутимый рост наблюдается у производителей ветроэнергетических установок (ВЭУ) и солнечных энергетических станций (СЭС), в России аналогичный процесс идет в малой гидроэнергетике.

По прогнозам мирового агентства по ветроэнергетике (GWEC), в течение ближайших четырех лет количество введенных в действие ВЭУ увеличится примерно на 20%. При этом общая мощность ветроэнергетических установок к 2014 г. должна достичь 400 ГВт, что более чем в два раза превышает текущие показатели [1].

Наиболее крупный рост рынка возобновляемых источников энергии ожидается в Азии, где Китай уже в 2009 г. стал вторым после США производителем и поставщиком ВЭУ. Примером служит компания Xinjiang Goldwind Science & Technology, которая 26 августа 2010 г. подписала контракт с SEMIKRON о поставке интеллектуальных силовых модулей SKiiP и сборок на их основе для производства ветроэнергетических установок. Goldwind является одним из первых предприятий в Китае, специализирующихся на инновационных разработках в области ветроэнергетики, компания входит в пятерку крупнейших мировых производителей ветрогенераторов. В 2009 г. в стране было введено в действие ВЭУ на общую мощность 13,7 ГВт, что позволило довести суммарный объем производимой энергии до 25,8 ГВт (по данным BTM Consult APS за март 2010 г.). Технология генераторов с постоянными магнитами и прямым приводом, права на которую принадлежат Goldwind, является одной из самых передовых на рынке энергетики. Она используется в большинстве электрических машин, производимых в Китае, и имеет широкое применение в Европе и Америке.

Аналогичная ситуация наблюдается в секторе солнечной энергетики, который в 2010 г. вырос почти на 40%. Крупнейшим производителем этого вида энергии остается Германия, заметный рост идет также в северной Европе, США и особенно Азии. Ожидается, что по темпам роста на первое место может выйти Китай, если правительство этой страны ратифицирует программу развития СЭС, предусматривающую ввод в эксплуатацию к 2020 г. солнечных станций на общую мощность 30 ГВт.

Дизайнерская сеть SEMIKRON и тенденции развития силовой электроники

Первые заказные силовые сборки, получившие торговую марку Semistack, были разработаны компанией SEMIKRON около 50 лет назад. Эти изделия могут содержать силовые модули (тиристорные, MOSFET, IGBT), устройства управления и защиты (драйверы), датчики, конденсаторы и другие пассивные компоненты, систему охлаждения. За прошедшие годы инженерами и конструкторами компании накоплен уникальный опыт разработок мощных конвертеров. Более 12 000 типов таких изделий успешно эксплуатируются в различных отраслях промышленности. Диапазон выпущенных сборок Semistack простирается от простейших выпрямителей зарядных устройств и лифтовых приводов до мощных систем, работающих в ветроэлектростанциях, гелиоустановках, электромобилях, субмаринах.

В 2003 г. SEMIKRON объединила девять научных центров, расположенных в Южной Корее, Австралии, Южной Африке, США, Франции, Англии, Бразилии, Индии и Словении, в глобальную международную дизайнерскую сеть (Solution Centers Network). Основной задачей нового центра является создание базовых конструкций силовых сборок для основных промышленных применений. Наличие таких «платформ» позволяет быстро адаптировать готовый продукт под требования заказчиков.

Создание дизайнерской сети SEMIKRON позволило объединить все имеющиеся у компании ресурсы в области проектирования, производства и маркетинга и повысить эффективность и качество работы. Философией исследовательской сети является «глобальная работа в рамках локальной задачи», такая концепция позволяет максимально приблизить все имеющиеся ресурсы к решению конкретной проблемы. Расположение исследовательских лабораторий в различных странах мира делает глобальную сеть более конкурентоспособной и обеспечивает оперативную локальную поддержку конечного потребителя. Главной задачей инженеров, конструкторов и менеджеров каждой из лабораторий является нахождение оптимального решения, максимально полно удовлетворяющего специфическим требованиям, сформулированным заказчиком. Европейских (и российских) клиентов обслуживает крупнейшее предприятие сети, расположенное во Франции. Высокая эффективность подобной структуры подтверждается, например, тем фактом, что головной завод под Парижем имеет годовой оборот около €60 млн при численности сотрудников немногим более 100 человек. Это очень высокое соотношение, особенно с учетом того, что в производстве находятся не серийные изделия, а уникальные, технологически сложные силовые сборки.

Инженеры французского отделения компании специализируются на проектировании изделий, главным требованием к которым является надежная работа в тяжелых условиях эксплуатации (к ним относятся преобразователи для ветрогенераторов и электротранспорта). Состав и методика промежуточных и выходных испытаний, проводимых при разработке сборок SEMIKRON, выбираются с целью обеспечения минимальной вероятности отказа при длительной эксплуатации. У всех модулей Semistack производится 100%-ный контроль электрических и тепловых характеристик при полной нагрузке и в режиме короткого замыкания, они подвергаются испытаниям на воздействие климатических и механических факторов. При необходимости программа испытаний может быть скорректирована по требованиям заказчика.

Головной дизайнерский центр SEMIKRON во Франции ощутил резкий рост сектора возобновляемых источников энергии в начале 2010 г., когда стартовало сразу несколько новых перспективных проектов и спрос на конвертеры для данного применения вырос почти на 300%.

Выбор мощностных характеристик инвертора зависит от типа используемой ветротурбины. В большинстве современных ВЭУ используются синхронные генераторы с постоянными магнитами (PMSG), для работы которых необходим так называемый «полноразмерный» 4Q-преобразователь (рис. 1б), рассчитанный на полную мощность электрической машины. Такая схема способна работать в широком диапазоне скоростей турбины, она имеет хорошую управляемость, обеспечивает высокую эффективность преобразования и устойчивость при перегрузках в сети.

 Схема включения

Рис. 1. Схема включения: а) асинхронного генератора с двойным управлением (DFIG); б) синхронного генератора с постоянными магнитами (PMSG)

Примерно в 80% действующих ВЭУ используются так называемые асинхронные генераторы с двойным регулированием (Double Fed Induction Generator, DFIG), в которых силовой блок управляет током ротора (рис. 1а). При этом на инвертор поступает не более 20% мощности, вырабатываемой генератором, что является основным достоинством подобных машин. Остальные 80% генерируются статорной обмоткой, непосредственно подключенной к сети. К недостаткам таких устройств относятся низкая надежность скользящих кольцевых контактов ротора, необходимость использования механического редуктора, наличие контактора в статорной цепи, а также плохая управляемость системы из-за косвенного способа контроля. При возникновении перегрузки в сети необходимо резко повышать ток ротора, чтобы стабилизировать сетевое напряжение. Большая электромеханическая постоянная времени мощных генераторов неизбежно вносит запаздывание в контур регулирования.

В последние годы резко возросли требования по управлению реактивной мощностью и обеспечению стабильности сетевых характеристик при провалах напряжения в сети. Это обусловило массовый переход на новый тип генераторов, синхронных и асинхронных, с электронными конвертерами, способными быстро реагировать на изменение нагрузки и преобразующими 100% вырабатываемой мощности. В этом случае система оказывается полностью контролируемой, обеспечивающий синхронизацию с сетью 50 или 60 Гц, способной компенсировать гармоническую реактивную мощность и вырабатывать ее. Кроме того, синхронная машина с постоянными магнитами может быть выполнена с большим количеством пар полюсов (>50), что позволяет отказаться от применения механического редуктора, являющегося одним из наименее надежных узлов турбины.

Силовые инверторы ВЭУ, как правило, строятся на модулях 17 класса и работают при напряжении 690 В АС, что является на сегодня оптимальным с точки зрения технической и экономической эффективности. Дляvснижения удельной стоимости энергии проектируются и вводятся в действие все более мощные турбины, что требует разработки соответствующих преобразовательных устройств. Огромное значение имеет и регион установки ВЭУ, во многом определяющий требования по климатическим воздействиям (рис. 2). Для монтируемых на суше станций экономически выгодно применять турбины мощностью 2–3 МВт, система охлаждения может быть воздушной или жидкостной. При оффшорной установке оптимальной считается мощность 5–6 МВт и выше, производство пилотных серий таких преобразователей уже ведется. Дальнейшее увеличение мощности связано с переходом на средневольтовый диапазон напряжений (MV), для работы в котором SEMIKRON активно развивает концепцию многоуровневых преобразователей на базе низковольтных ячеек.

 Регион установки и особенности эксплуатации ВЭУ

Рис. 2. Регион установки и особенности эксплуатации ВЭУ

Самые крупные из современных преобразователей СЭС рассчитаны на мощность единичной установки до 500 кВт, в ближайшее время эта величина должна быть повышена до 1 МВт. В таких устройствах, как правило, используется только один инвертор, называемый GTI (Grid-Tie Inverter). Величина выходного сигнала GTI Vout пропорциональна минимальному входному напряжению постоянного тока, а пусковое напряжение солнечной батареи определяется минимальным уровнем освещенности. Если выбранное значение выходного сигнала ниже нормы, ток будет возрастать, однако ниже будет и пусковое напряжение. Таким образом, выбор величины Vout является компромиссным: как правило, оно составляет 3×270 В или 3×328 В. В подобных применениях инвертор по выходу используется только примерно на 50%, при этом ключи 12 класса, способные обеспечивать напряжение до 480 В АС, работают в СЭС с уровнями 270–330 В. КПД, зависящий от коэффициента модуляции m и отношения В AC/В DC, в этом случае оказывается достаточно низким.

Общей тенденцией современного рынка мощных преобразовательных устройств является рост предложения готовых мощных узлов и подсистем. В полной мере это относится к преобразователям, предназначенным для работы в ветряных, солнечных и гидроэнергетических станциях, где законченные изделия гораздо более востребованы, чем дискретные силовые модули. Применение специализированных конвертеров, разработанных, изготовленных и испытанных по требованиям заказчика, снижает эксплуатационные риски, значительно сокращает затраты на проектирование конечного продукта и время его выхода на рынок.

Концепция «гибкой» базовой платформы инвертора мощностью 450–2500 кВт

На выставке PCIM-2010 компания SEMIKRON представила новую концепцию силового преобразователя, предназначенного для применения в энергетических установках высокой мощности. Сборка WindSTACK представляет собой трехфазный инвертор на базе интеллектуальных модулей (IPM) SKiiP, содержащих силовой каскад, схему управления и защиты, датчики тока и температуры, а также радиатор. Широкий диапазон топологий схем, возможность выбора типа охлаждения (воздушное или жидкостное), простота параллельного соединения позволяют применять эту сборку в конвертерах различных энергетических систем высокой мощности. Прежде всего, новая разработка ориентирована на новейшие типы ВЭУ с синхронным генератором и полноразмерным четырехквадрантным конвертером.

Базовый конструктив WindSTACK включает три фазные ячейки (рис. 3а), соединенные в вертикальном положении. Каждая ячейка содержит полумостовой модуль SKiiP на радиаторе, звено постоянного тока (ЗПТ) с полипропиленовыми конденсаторами и снабберами, а также терминалы для подключения АС-выходов. Элементы сборки устанавливаются на жесткой раме, связь ЗПТ с DC-терминалами осуществляется посредством низкоиндуктивных шин. Фазные блоки соединяются между собой копланарными коннекторами, позволяющими сформировать 2Q- или 4Q-конфигурацию, а также включить модули SKiiP в параллель, удвоив таким образом мощность инвертора.

 а) Фазная ячейка WindSTACK на базе модуля SKiiP;

Рис. 3. а) Фазная ячейка WindSTACK на базе модуля SKiiP; б) банк конденсаторов на копланарной шине

В фазных ячейках можно использовать модули SKiiP с воздушным или жидкостным радиатором (рис. 4), при этом сборка инверторов в различных конфигурациях осуществляется с помощью одинаковых механических частей. Благодаря этому в рамках одного базового конструктива можно изготовить инвертор для различного типа ветро- или гидротурбин, солнечных батарей, приводов и т. д.

Базовые констуктивы WindSTACK с жидкостным охлаждением

Рис. 4. Базовые констуктивы WindSTACK с жидкостным охлаждением

Широкие возможности конструктива WindSTACK можно продемонстрировать на следующем примере. Типовая сборка мощностью 1,5 МВт для работы с генератором DFIG (рис. 5а) включает в себя два инвертора с воздушным охлаждением, соединенных в 4Q-конфигурации. Законченная система помещается в корпус шириной 600 мм и высотой 1200 мм, соответственно в стандартном шкафу 2000 мм можно разместить не только преобразователь, но и элементы коммутации, фильтры, контроллер и т. д.

 а) 4Q-преобразователь мощностью 1,5 МВт; б) полноразмерный конвертер

Рис. 5. а) 4Q-преобразователь мощностью 1,5 МВт с воздушным охлаждением для ветрогенератора DFIG; б) полноразмерный конвертер 2,5 МВт для синхронной машины с постоянными магнитами

На базе аналогичных ячеек можно создать «полноразмерный» 4Q-преобразователь мощностью 2,5 МВт для синхронной машины с постоянными магнитами, показанный на рис. 5б. Таким же образом с помощью двух инверторов на базе четырехэлементных модулей SKiiP с жидкостным охлаждением собирается конвертер, предназначенный для работы с ВЭУ мощностью 1,5 МВт.

Самые мощные версии WindSTACK с жидкостным охлаждением доступны в двух исполнениях, получивших название «шасси 4/3» и «шасси 2/3» (рис. 6). Конструктив 4/3 предназначен для применения в системах, в которых генераторный инвертор нагружен больше, чем сетевой. При включении двух ячеек в параллель диапазон мощности такого изделия составляет 1,5–2,5 МВт, что соответствует рекордному показателю более 10 кВА/л. В «младшем» элементе семейства (шасси 2/3) использованы трехэлементные SKiiP, эти сборки ориентированы на работу с генераторами типа DFIG, в которых конвертер преобразует около 20% энергии, вырабатываемой электрической машиной. Изделия данного класса также могут быть использованы в солнечных энергетических станциях высшего диапазона мощности.

 Базовые конструктивы WindSTACK типоразмера 4/3 и 2/3 с жидкостным охлаждением

Рис. 6. Базовые конструктивы WindSTACK типоразмера 4/3 и 2/3 с жидкостным охлаждением

Для работы каждой трехфазной сборки требуется свой контур отвода тепла, причем все ячейки инвертора охлаждаются параллельно, что позволяет исключить взаимный нагрев силовых ключей. Подключение подводящих и отводящих шлангов осуществляется с помощью специальных штуцеров, обеспечивающих быстрое и надежное соединение методом обжима (рис. 7).

 Штуцеры для подводящих и отводящих шлангов

Рис. 7. Штуцеры для подводящих и отводящих шлангов

Промежуточное соединение фазных ячеек производится с помощью набора низкоиндуктивных копланарных шин, поставляемых в качестве опции. Пользуясь различными видами шин, можно собрать четырехквадрантный конвертер или объединить ячейки параллельно, удвоив таким образом мощность трехфазного инвертора. В состав преобразователя можно также включить тормозной чоппер. Следует отметить, что широкий диапазон мощности сборки WindSTACK, а также возможность конфигурирования схемы для конкретного применения обеспечиваются при минимальном наборе конструктивных элементов. Выходные АС-шины в стандартном исполнении позволяют подключать выходные кабели в передней части сборки, опционально АС-коннекторы могут располагаться в нижней части каждого инвертора.

Основным элементом WindSTACK, определяющим его мощностные характеристики, является самый мощный в мире полумостовой интеллектуальный модуль SKiiP. Этот силовой ключ очень популярен и востребован на рынке возобновляемых источников энергии. Сказанное подтверждается тем фактом, что более половины из 122 ГВт общей мощности ВЭУ преобразуется конвертерами на базе SKiiP. В самых современных оффшорных установках с полноразмерными преобразователями доля компонентов SEMIKRON превышает 80%.

К началу 2011 г. ячейка WindSTACK прошла полный цикл квалификационных тестов, став, таким образом, стандартным изделием с четко определенным набором технических характеристик и условий эксплуатации. Как и все другие сборки, выпускаемые дизайнерским центром SEMIKRON, WindSTACK подвергается различным видам приемо-сдаточных испытаний, условия проведения которых соответствуют международным и собственным стандартам компании. Тесты включают проверку изоляции и электрических характеристик, многочасовую прогонку при полной нагрузке, термоциклирование, короткое замыкание, ударные и вибрационные воздействия и т. д.

Каждый модуль SKiiP (рис. 8), предназначенный для установки в сборку WindSTACK, в ходе его изготовления кроме 100%-ной проверки электрических параметров проходит уникальный цикл испытаний в составе четырехквадрантного преобразователя ветроэнергетической установки (ВЭУ) при полной нагрузке, предельных температуре и напряжении питания. Основной целью этой процедуры является определение причин ранних отказов и их устранение, что позволяет обеспечить необходимый для энергетических применений срок службы. Модули подвергаются двум циклам воздействий с предельной нагрузкой при температуре охлаждающей жидкости +80 °C. Силовые кристаллы при этом разогреваются до +140 °C, что обеспечивает максимальный термомеханический стресс для всей конструкции SKiiP.

 В основе сборки WindSTACK — интеллектуальный модуль SKiiP

Рис. 8. В основе сборки WindSTACK — интеллектуальный модуль SKiiP

Заключение

Использование гибких базовых платформ, к которым относится WindSTACK, предоставляет пользователям широкие возможности по выбору конфигурации схемы и диапазона мощности. Производитель готовой системы избавляется от необходимости проектировать силовую часть преобразователя, закупать комплектующие, заниматься изготовлением и испытаниями конвертера. Соответственно, исключаются риски, связанные с перечисленными этапами разработки и производства, существенно сокращается время вывода изделия на рынок. На рис. 9 показан один из этапов монтажа оффшорной ВЭУ высокой мощности.

 Монтаж оффшорной ветроэнергетической установки высокой мощности

Рис. 9. Монтаж оффшорной ветроэнергетической установки высокой мощности

Дальнейшее совершенствование WindSTACK связано с применением модулей SKiiP новейшего, четвертого поколения, позволяющих повысить плотность тока примерно на 15–20%. Их отличает также наличие диагностического цифрового CAN-интерфейса [5] и повышенная помехозащищенность. Активно ведется работа по переходу на средневольтовый диапазон напряжений, что позволит существенно расширить диапазон мощности конвертеров ВЭУ. В июле 2010 г. Федеральное министерство образования и исследований Германии одобрило создание объединенного исследовательского центра компаний SEMIKRON, Power Converter Solutions (PCS) и Технического университета Дрездена (TUD). Первый совместный проект получил название «Повышение эффективности использования возобновляемых источников энергии с многоуровневыми преобразователями — EEMT». Работа, на которую министерство образования Германии выделило €1,2 млн, должна продлиться три года и закончиться в марте 2013-го. Целью проекта является развитие инновационных технологий силовой электроники для повышения эффективности использования энергии возобновляемых источников.

Проект ЕЕМТ, в частности, предусматривает разработку инновационных схем конвертеров ветротурбин и солнечных батарей. Используемые в настоящее время двухуровневые устройства требуют применения сложных фильтров для обеспечения качества электроэнергии. Они достаточно дороги и громоздки, кроме того, генерируемые ими потери мощности существенно снижают эффективность работы всей системы. Многоуровневая топология инверторов (Multi Level Inverter, MLI), которая должна внедряться в рамках проекта ЕЕМТ, позволяет существенно снизить требования к выходным синусоидальным фильтрам, а также потери мощности на них. Аппаратная реализация подобных устройств несколько сложнее, чем традиционных двухуровневых, однако более высокая эффективность работы многоуровневых схем делает их привлекательными и с коммерческой точки зрения. Концепция фазного блока WindSTACK позволяет с успехом применить его в качестве ячейки MLI. В ходе реализации проекта компанией SEMIKRON должны быть разработаны новые интеллектуальные силовые модули и инверторные ячейки, предназначенные для работы в составе системы, проектирование которой является задачей PCS. Устройство управления и защиты будет разрабатываться на кафедре Института электротехники, входящего в состав TUD.

Литература

  1. www.renewableenergyworld.com.
  2. www.Semikron.com.
  3. www.gwec.net.
  4. Колпаков А. Энергия, принесенная ветром // Силовая электроника. 2005. № 3.
  5. Колпаков А. SKiiP 4 — новая серия IPM высокой мощности // Силовая электроника. 2009. № 4.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_03_34.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо