- 大功率整流元件選擇
- 降低逆變器損耗
- 并網(wǎng)同步晶閘管選擇等
- 風電整流器采用新的模塊封裝形式
- 采用可靠性更高的陶瓷壓接式IGBT
- 選擇相位控制晶閘管而不是快速開關(guān)晶閘管
中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.5億KW，開發(fā)利用潛力巨大。目前中國已成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風力發(fā)電的主要市場之一。中國風力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展，同時盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。隨著中國風力發(fā)電機的國產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)模化，風電成本可望再降，因此風電開始成為越來越多投資者的淘金之地。風力發(fā)電場建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為投資熱點，市場前景十分看好。
預計中國2009年風電行業(yè)的利潤總額仍將保持高速增長，預計2010、2011年增速會稍有回落，但增長速度也將達到60%以上。2010年中國累計風電裝機容量有望突破2000萬KW，提前實現(xiàn)2020年的規(guī)劃目標。
英飛凌科技(中國)有限公司家電及工業(yè)功率器件市場經(jīng)理陳子穎表示：“在中國目前的風電市場上，主流風機功率是1.5MW和2.0MW，但也正在向更高的功率發(fā)展，如2.5～3.6MW功率風機已有商業(yè)化運行(上海東海大橋的海上風電功率達到3.6MW)。”
IXYS公司全球銷售副總裁BradleyGreen也說：“目前安裝的1～1.5MW風機將會被改進，或被更新的技術(shù)(如2.5～4MW的風機)所替代。這么做的優(yōu)勢是，設(shè)計師無需尋找更多的新的風力渦輪發(fā)電機安裝地點，而可從每個現(xiàn)有風力渦輪發(fā)電機安裝地點產(chǎn)生更多的電力。”
由于風能是一種非常不穩(wěn)定的能源，風機輸出的電壓、頻率和功率都很不穩(wěn)定，因此不做處理不能直接輸入電網(wǎng)。陳子穎表示，以比較容易理解的直驅(qū)為例，風機的葉片帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，風力發(fā)電機發(fā)出的頻率往往不到電網(wǎng)頻率的一半，因此肯定不能直接掛到電網(wǎng)上，需要用逆變器重新產(chǎn)生一穩(wěn)頻穩(wěn)壓的交流電，而這就需要用到高壓大電流的IGBT模塊。
一般來說，一個能實現(xiàn)與現(xiàn)有國家電網(wǎng)并網(wǎng)的大型風力發(fā)電場通常主要由以下幾個部分組成：風力渦輪機、整流器、逆變器、控制器、晶閘管、同步器、防雷裝置、變壓器、風機管理和風機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。
不過，隨著新一代的逆變器能夠自動與電網(wǎng)實現(xiàn)同步，因此很多現(xiàn)代風電系統(tǒng)在逆變器之后都不需要再加同步器和晶閘管。例如，陳子穎說：“現(xiàn)在的逆變器本身就是一個可并網(wǎng)的逆變器，其電壓、電流和相位都是可控的，因此不再需要同步器和晶閘管。”
英飛凌工業(yè)功率器件市場經(jīng)理陳子穎說：“現(xiàn)代逆變器本身就是可并網(wǎng)的，因此不再需要同步器和晶閘管。”
由于風電場一般都建于自然環(huán)境極其惡劣的野外，為盡可能地降低維護成本，通常對系統(tǒng)可靠性要求非常高。
一般來說，位于最前端的風力渦輪機是影響系統(tǒng)可靠性的最關(guān)鍵設(shè)備，它的電機控制系統(tǒng)必須在任何風力情況下保持勻速轉(zhuǎn)動和自動根據(jù)風向調(diào)整葉片的方位，而且要在風雨雷電沙塵的各種氣候條件下長時間保持正常工作狀態(tài)。目前丹麥的Vestas公司是世界風機市場的領(lǐng)先供應商。
整流器用于將風力渦輪機發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，以盡可能地降低電能在傳輸過程中的損失。在靠近電網(wǎng)端，逆變器再將整流器過來的直流電能轉(zhuǎn)變成電網(wǎng)采用的正弦電波，然后通過晶閘管和同步器確保生成的交流電與電網(wǎng)同步并將此正弦波交流電并到電網(wǎng)上。
逆變器通常由IGBT模塊、續(xù)流二極管、IGBT柵極驅(qū)動器、驅(qū)動保護、濾波電容、散熱器、隔離器和MCU構(gòu)成。目前中.國能提供逆變器整機的主要供應商有：深圳安德森電子、上海力友電氣、北京綠洲協(xié)力新能源、北京怡蔚、廣州郵科電源和上海正川。
大功率風電應用要求能承受上千安培電流和幾千伏高壓的大功率IGBT器件或模塊，而且要求它們必須具備很高的可靠性，目前能提供這類產(chǎn)品的供應商并不多，主要有：IXYS、Infineon、ST、BYD和富士電機。
防雷裝置一般為防過壓沖擊的氣體放電管(GDT)、晶閘管、TVS二極管或金屬氧化物變阻器(MOV)，以及防過流沖擊的可恢復PolySwitch器件或一次性熔斷器。目前市場上主要的防雷器件供應商有：Tyco電子、Littelfuse、ST和君耀電子。
在逆變器和電網(wǎng)之間一般都需要加變壓器，因為電網(wǎng)電壓一般高達幾萬伏，這么高的電壓逆變器是做不到的，因此需要大型變壓器進行升壓。
對于由幾百臺風機組成的大型風力發(fā)電場來說，風場的信息化管理和風機遠程監(jiān)控必不可少。在這樣的系統(tǒng)中需要對現(xiàn)場運行設(shè)備進行實時監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)、以及各類信號報警等各項功能。一般來說，各種采集信號及控制信號通過工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線匯集到工控機中(如研華工控機UNO-2170)，然后再通過另外一個以太網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳送到風能檢測服務器當中。工控機充當數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的作用。
風力發(fā)電系統(tǒng)通常安裝在帶有灰塵和大風的惡劣環(huán)境中。在這樣的環(huán)境中，使用一臺有風扇的PC為主機平臺將會導致風扇和系統(tǒng)故障，因此必須采用可靠性很高的工控機。
此外，由于每臺風力渦輪機的工作環(huán)境都非常惡劣，晝夜溫差大，風沙嚴重，因此需要管理型寬溫工業(yè)以太網(wǎng)交換機進行網(wǎng)絡支持。風電應用對網(wǎng)絡交換機的要求主要有以下四點：
1）工作溫度范圍從-45～75℃；
2）電機控制系統(tǒng)電磁環(huán)境惡劣，需要工業(yè)交換機具有較強的抗電磁干擾能力、較長時間的平均無故障時間；
3）為了保障通信的可靠性，要求建立冗余的環(huán)網(wǎng)，具有較小的自愈時間。通信網(wǎng)絡出故障時，能夠平滑的切換到冗余備份線路；
4）為了保證遠程監(jiān)控的數(shù)據(jù)的安全性，交換機需要有全面的網(wǎng)絡安全設(shè)置。
近期國內(nèi)一大型風機整機制造企業(yè)經(jīng)過全面的考察后，最終選擇了研華的EKI-6554SI和EKI-4654R作為風場管理系統(tǒng)以及風機遠程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)交換機主干設(shè)備。
每個風機的塔基處安裝一臺研華的管理型冗余交換機EKI-7554SI，通過單模光纖連接構(gòu)成一個冗余環(huán)網(wǎng)。同時監(jiān)控中心內(nèi)部每個環(huán)網(wǎng)的EKI-7554SI通過電口連接到研華24口網(wǎng)管型冗余千兆以太網(wǎng)交換機EKI-4654R。監(jiān)控中心內(nèi)部服務器，工程師站通過EKI-4654R構(gòu)成局域網(wǎng)系統(tǒng)。
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EKI-4654R具有如下優(yōu)越特性：
1）快速冗余?？梢越M成快速的冗余網(wǎng)絡，使用研華獨創(chuàng)的X-Ring協(xié)議，具有超快小于10毫秒的自愈時間。
2）抗強擾，適用于嚴苛環(huán)境?？梢怨ぷ髟趪揽岬碾姶怒h(huán)境中，并且在數(shù)據(jù)口防雷、快速脈沖群，靜電等都有較高的防護等級。
3）安裝方式更加靈活，支持導軌式安裝、面板式安裝，堆疊式安裝和機柜安裝等多種方式。
4）安全優(yōu)勢，采取虛擬局域網(wǎng)技術(shù)、IP/MAC與端口綁定、流量控制功能、訪問控制列表技術(shù)、IEEE802.1x身份驗證機制、QoS機制和系統(tǒng)日志等措施來保證工業(yè)網(wǎng)絡的萬無一失。
大功率整流元件選擇
如前所述，我們必須先在塔頂將風機產(chǎn)生的不穩(wěn)定交流電轉(zhuǎn)換成直流電。這一整流用元件既可用大功率整流二極管，也可用晶閘管和IGBT。目前市面上大功率二極管和晶閘管供應商主要有：IXYS、英飛凌和ST。
英飛凌看好IGBT。陳子穎表示：“風機輸出是電壓和頻率都不穩(wěn)定的交流電，它需要整流后才能送去逆變。隨著IGBT技術(shù)的發(fā)展，目前風電整流主要采用IGBT可控整流來實現(xiàn)。”
英飛凌IGBT芯片采用了溝槽柵場終止技術(shù)，損耗低，電流密度高，適合并聯(lián)使用。這些是設(shè)計大功率整流器的基礎(chǔ)。選擇大電流IGBT模塊(如2400A/3600AIGBT模塊)可以把系統(tǒng)功率密度做得高一些，否則需要更多IGBT并聯(lián)，甚至整流器并聯(lián)。
風電整流器可以采用多種IGBT解決方案，如大電流IGBT模塊IHM，其最大電流可達3600A/1700V。在EconoPack+和EconoDUAL3封裝中有450A/1700V不同電路結(jié)構(gòu)的模塊，在這些封裝中都有適用于風電的第四代IGBT4的產(chǎn)品。陳子穎指出：“新的模塊封裝形式(如PrimePack)也成了風電整流器市場的新寵，這些新技術(shù)的應用會使得風電變流器的可靠性，壽命會大大提高，成本也會降低。”
PrimePack是一種新的大電流IGBT模塊，內(nèi)部寄生電感很小，功率和溫度循環(huán)周次高，其目標市場之一就是風力發(fā)電應用。
IXYS則偏好整流二極管。BradleyGreen說：“每種二極管都有它自己的特性，因此不同的客戶可能為某一應用選擇不同類的二極管。不過，風機有二個簡單的要求：最高的可靠性和大功率處理能力。在5-6MW功率級別上，這些基本要求使得你只能選擇陶瓷封裝二極管。”
最近，IXYS專門針對像風力發(fā)電這樣的高電壓應用開發(fā)出了額定工作電壓高達3400V的整流器模塊MDD75-34N1，它含有兩個二極管，每個二極管在外殼溫度為100℃時的平均額定電流為175A。它通常應用在風力發(fā)電系統(tǒng)前端的整流級。
“對于2500V以上的高效率大功率整流應用而言，這一新系列產(chǎn)品代表著一個巨大的技術(shù)突破，”BradleyGreen表示，“我們的大多數(shù)競爭對手現(xiàn)在仍在為提高2000V以上整流器產(chǎn)品的可靠性而傷腦筋，這一3400V整流器模塊的推出進一步凸顯了IXYS在雙極高電壓大功率領(lǐng)域長期以來的市場領(lǐng)導地位。”
逆變器要求可靠性更高IGBT
風電是一種極其不穩(wěn)定的能源，風的強度每分種都在變化，一天中風力也不一樣，而且一年四季可能會面臨極端高溫、低溫以及颶風。作為風能的變換和控制關(guān)鍵器件，IGBT模塊會承受功率和溫度的頻繁變化，這會使得IGBT壽命縮短。在IEC60747中，IGBT模塊的重要可靠性指標就是功率周次和溫度周次。
由于風電系統(tǒng)的需求把功率逆流器輸出功率提到了一個新高度，這就需要新的功率半導體技術(shù)和模塊封裝技術(shù)來降低逆變器損耗，提高效率和實現(xiàn)更高的功率密度。
陳子穎表示：“我們第四代IGBT4模塊的最高工作結(jié)溫已從125℃提高到了150℃，這使得系統(tǒng)能效比有了顯著的提高。目前采用IGBT4芯片的英飛凌IGBT模塊功率周次比上一代產(chǎn)品在相同工作條件下提高了5倍，新的封裝形式(如PrimePack)溫度周次提高了7倍。”
IXYS公司全球銷售副總裁BradleyGreen也指出：“在許多風電應用場合，普通塑封IGBT模塊的可靠性和效率已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的可靠性要求，必須采用可靠性更高的陶瓷壓接式IGBT。”
他說：“我們的SPT+Press-PackIGBT產(chǎn)品是5.5-6MW功率級別風力發(fā)電機設(shè)計的基礎(chǔ)。由于昂貴的安裝成本緣故，這一功率級別要求極高的可靠性。盡管競爭對手在這一功率級別也能提供替代技術(shù)解決方案，但我們不相信它們的產(chǎn)品能夠在系統(tǒng)級質(zhì)量和可靠性上滿足這一級別風力發(fā)電機的要求。”
與前一代產(chǎn)品相比，采用最新SPT+技術(shù)的新一代Press-PackIGBT具有更大的安全工作區(qū)間，導通狀態(tài)損耗也降低了約25%。IXYS的全資英國子公司W(wǎng)estcode開發(fā)的Press-PackIGBT采用完全密封壓接陶瓷封裝，以確保其市場領(lǐng)先的在兆瓦級大功率應用中的可靠性，在這類應用中，效率和可靠性是最重要的。
“隨著Press-PackIGBT進入成熟的大規(guī)模生產(chǎn)階段，”IXYS公司國際銷售副總裁BradleyGreen說，“將SPT+技術(shù)集成進Press-PackIGBT就是合乎邏輯的下一步驟，因為這可以進一步提升效率和產(chǎn)品系列的堅固性。
隨著大功率應用(如風力發(fā)電機)對高功率密度和最高級別可靠性的要求越來越高，Westcode已經(jīng)看到市場正在快速接受我們的產(chǎn)品。”
SPT+Press-PackIGBT系列的集電極電流范圍從240～2400A，集電極發(fā)射極電壓可到4500V。T2400GB45E是新一代SPT+Press-PackIGBT系列的一個例子，它是一個2.4kA、4.5kV的Press-PackIGBT，采用外部直徑為168mm的陶瓷封裝。Westcode還提供將一個內(nèi)部二極管與IGBT做在一個封裝內(nèi)的產(chǎn)品。
Press-PackIGBT完全沒有模塊化設(shè)計所固有的可靠性缺點，如引線邦定或luo片焊接工藝，它在大功率應用中的可靠性已經(jīng)被證明是業(yè)內(nèi)最佳的。Westcode還提供一個互補性的大功率SONIC二極管系列，它的速度和軟開關(guān)能力可理想地匹配IGBT，他們組合起來可提供一個針對大功率應用的有吸引力的解決方案。
BradleyGreen說：“在風機內(nèi)，大功率SONIC二極管(快速恢復超軟)主要設(shè)計用作與陶瓷封裝IGBT配對的續(xù)流二極管。”
英飛凌目前除了為風電市場提供IGBT產(chǎn)品外，還提供功能完善的逆變器系統(tǒng)功率元件，包括IGBT模塊、驅(qū)動保護、濾波電容、直流總線、散熱器等，客戶只要設(shè)計控制板就可以完成一個完整逆變器的開發(fā)工作。陳子穎說：“我們已成功地把這一產(chǎn)品引進到中國，使國內(nèi)風電廠商自主逆變器的開發(fā)速度大大提高，從而幫助他們解決了風電供應鏈上最大的瓶頸問題。未來我們會致力于加強IGBT模塊在風電市場中的推廣和技術(shù)支持工作，幫助國內(nèi)變流器廠商開發(fā)出基于IGBT模塊的高可靠性、低成本產(chǎn)品。”
但對于超大功率風機，我們一般需要使用晶閘管來作為逆變器的功率元件，因為工作在非常大功率的風電機通常含有很多儲存的電能。不管它們是儲存在電容庫還是馬達/變壓器繞組上，這一電能都可能是極具破壞性的，并給系統(tǒng)帶來了一個很大的技術(shù)難題。與IGBT或其它解決方案相比，晶閘管具有極高的電流浪涌額度和更高的熱質(zhì)量。對于一些主要設(shè)計目標不是效率而是魯棒性和長壽命的風電機來說，晶閘管可能是最好的技術(shù)選擇。
上述儲存在電容庫和繞組中的電能在緊急情況下必須放掉。這些放電應用會在電路中的任一電能存儲位置上形成一個受控短路。在這些應用中一般不采用IGBT，因為IGBT的抗浪涌電流額度值不高和成本太貴。而晶閘管具有極高的電流浪涌額定值，因此它在任一要求葉片以最佳發(fā)電速度旋轉(zhuǎn)的“軟啟動”應用中仍受青睞。
并網(wǎng)同步晶閘管選擇
不少風電系統(tǒng)還在使用晶閘管實現(xiàn)逆變器輸出交流電與電網(wǎng)交流電的同步。由于電網(wǎng)交流電的頻率并不高，因此我們一般選擇相位控制晶閘管而不是快速開關(guān)晶閘管。
BradleyGreen示：“晶閘管的設(shè)計簡單地對應工作的頻率。今天，快速開關(guān)晶閘管主要用于5-10KHz應用，針對50～100Hz應用的相位控制晶閘管具有更好的電流浪涌額度，這常常比更高的開關(guān)速度更吸引人。”
Westcode目前已針對大功率風電應用開發(fā)出新的6500V相位控制晶閘管。
針對低正向傳導損耗進行優(yōu)化設(shè)計的該新器件，具有1695A的標稱RMS額定電流和10.5kA的浪涌電流額定值。該晶閘管采用47mm極面密封壓接封裝，使用了Westcode先進無合金工藝。
當與相同電壓級別的類似器件比較時，為得到非常低的導通態(tài)電壓而優(yōu)化設(shè)計的該相位控制晶閘管在1000A電流流過時的正向壓降只有2V。
防雷元件選擇
安裝在野外的風力發(fā)電系統(tǒng)必須安裝防雷系統(tǒng)。雷擊會產(chǎn)生瞬間的過電壓，即在微秒至毫秒內(nèi)會產(chǎn)生高達6KV的尖峰沖擊電壓。當雷擊發(fā)生時，強大的電流會通過各種途徑間接或直接地侵入機房設(shè)備使其損壞。據(jù)測定雷電電流可達20萬安培，既使是造成直接危害的二次感應電流也達l萬安培。因此風力發(fā)電系統(tǒng)必須采用合適的防過壓和過流元件來抵抗雷電的沖擊。
風力發(fā)電系統(tǒng)需要進行不同等級防雷保護的基本組件有：風力渦輪機、逆變器、控制風力渦輪機葉片間距和方位的電機、以及用于監(jiān)測和控制的低電壓電路板。
Littelfuse公司業(yè)務和技術(shù)開發(fā)經(jīng)理JimColby指出：“風力渦輪機遭受雷擊的風險很高，因此需要可靠的防雷保護。這可以采用能抵抗幾千安培浪涌電流沖擊的金屬氧化物壓敏電阻(MOV)來達到保護目的。這些MOV可以制造成34mm或更大的盤，從而可以耗散大量浪涌能量。”
理論上，可以采用兩類過壓保護元件(即鉗位元件和開關(guān)元件)為風電應用提供過壓保護。鉗位元件有MOV和TVS二極管，它們可在工作時允許小于規(guī)定鉗位水平的電壓通過負載。開關(guān)元件主要有氣體放電管(GDT)和晶閘管浪涌電壓抑制器，它們對超過突破電壓的浪涌所作出的反應與分流元件相同。
開關(guān)元件相對于鉗位元件的優(yōu)勢是，在動作狀態(tài)下，當它把有害浪涌電流導出負載時，出現(xiàn)在負載上的電壓極??；而鉗位元件仍保持鉗位電壓。因此，開關(guān)元件中耗散的功率遠遠低于鉗位元件。因此，Tyco電子認為，第一級防雷元件最好選擇GDT，第二級防雷元件最好選擇晶閘管浪涌電壓抑制器。過流保護最好采用可復位的PolySwitch元件，與一次性熔斷器相比，它可避免經(jīng)常更換器件的麻煩，從而可大幅降低維護成本。
逆變器的AC端直接連到電網(wǎng)，因此它曝露于電網(wǎng)傳導的雷擊危險之下。Jim表示，它的雷擊防護可采用中等級別的MOV，它們可以是14mm或20mm的盤。
用于葉片間距或方位控制電機由二級電源電路控制，它們受到的雷擊浪涌電流比較有限，因此可采用抗浪涌額定電流小一些的抑制元件。如果采用MOV，那么它們可以是7mm或10mm大小的盤。此處也可以采用軸向引線封裝或表面封裝的TVS二極管，它們的額定功率值在1000～3000W之間。
連接以上這些不同功率元件的是低電壓控制和監(jiān)測電路，它們通常是像RS-232或RS-485的低速電路。它們面對的電氣威脅是低級別的浪涌電流和ESD。它們的保護可采用分立的TVS二極管(400W或600W)或硅保護陣列。
總的來說，所有的電源和控制組件在設(shè)計時都應該確保：像雷擊和ESD這樣的電氣威脅通過抑制元件得到鉗位和耗散，以確保系統(tǒng)有一個長和可靠的工作壽命。
