一种大功率可再生能源的应用现状设计和实现

交流电源功率因数可以通过控制Vs1的幅值来调节。每相等效电路和功率因数超前、滞后以及单位功率因数时的运行如图2所示。通过相图可以看到，当功率因数为1时，Vs1满足

图2 并网逆变器每相等效电路，单位功率因数以及超前和滞后功率因数的相图

2新型设计方案

2.1大功率风机逆变器单元串联

风机设计中采用基于独立发电机绕组的直驱式变换器有很多优势，但也有一个大缺陷。在发电机和变换器之间需要更多电缆--三套三相绕组设备。为此所有变换器需要放置在机舱中靠近发电机的地方。对于大功率低电压的情况，发电机电流远大于1500A.一个很好的方法是使用中压同步发电机并且只用一个二极管整流器。然而，在这种情况下，直流母线电压变化很大(1:2)，并且需要中压的硅器件。风机需要在最小的旋转速度和最小的直流电压下都可以产生电能。例如对于1000V直流电，输出到中压变压器上的电压相对较小，为660V.与此同时，直流母线电压可能超过2kV.

对于并网逆变器，一种合理的解决方案是将逆变器串联，这样可以对可变的发电机整流电压进行分压。这些并网逆变器接到中压变压器的初级绕组上，独立的维持其直流母线电压。对于更低的发电机电压，其中一些单元必须旁路掉，使得单元总的等效电压减小并对应于发电机电压。风机转矩的要求实际上是对发电机电流的要求;因此可以将其与真实的直流电流比较。如果需要的转矩比实际的直流电流大，则旁路的时间总和更大，更多的单元需要被旁路掉，这样等效反电势减小，直流电流增大。

每一个使用的并网逆变器控制并保持输入直流电压恒定，例如1000V,它们都连接到变压器的初级绕组上。如果直流电压高于一个设定值，放电电流增大。并网逆变器可以是单相和三相单元。单相单元只有一个变压器绕组。发电机发出的中压电经过整流，例如十几千伏，供电给串联起来的这种逆变器单元。其中一些单元有输入旁路开关，可以对直流母线进行控制。另一些则没有旁路开关，它们总是串联着，其电压之和对应于最小的发电机电压。

这里给出一个兆瓦级风机的功率转换方案，包括中压同步发电机、机舱中的二极管整流器、高效的中压直流电压传输装置、线端中压逆变器和高压并网变压器(见图3)。使用几个单元对变化的发电机输出电压分压。每个单元有一个三相或者单相的并网逆变器，分隔变压器绕组和直流母线电容。中压发电机的电流对直流母线充电并输入功率，变换器将能量输出。因此，直流母线电压要保持恒定，因为它决定了直流母线对电网的放电电流。单元输入处为一个半桥配置，例如经典的升压变换器，但它只当作旁路开关使用。如果发电机电压低于串联单元的电压之和，发电机的电流应该减小。为此，更多的单元需要被旁路，减小串联单元的数目，增加发电机电流。

图3 中压发电机和由几个单元串联构成的中压并网逆变器

2.2光伏应用

光伏(PV or photovoltaic)是太阳能光伏发电系统(photovoltaic power system)的简称。是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。 光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。

光伏应用中一般只有一个电力电子并网逆变器(GTI)。GTI的交流输出电压和最小直流输入电压成正比，该最小直流输入电压是和最小光照成正比的启动光伏电压。如果选择的交流输出电压越低，则额定功率对应的电流越高，然而启动电压会越低。为此需要对交流输出电压做一个折衷：一些产品使用3×270V,另一些使用3×328V.

当光伏电压/输出交流电压较低时，可以利用很小的能量，当交流输出电压设计得较高则无法利用这部分能量。在光伏应用中，GTI只工作在约1/2额定输出电压下。1200 V硅器件是一个发展，它使得输入输出交流电压可以达到480V,而现在的光伏应用中通常使用270V到330V.这样运行效率更低，因为其与调制比M,即Vac与Vdc的比值，密切相关。对于400Vac/650Vdc或者480 Vac/800Vdc,效率很接近而且都大于现在使用的270Vac/(500…900 Vdc)(见图4)。

图4 不同功率下GTI的效率;Fsw=5kHz