直面风力发电设计挑战 - 工业/测控 - 电子工程师俱乐部

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风电是目前中.国政.府大力倾斜支持的绿色能源之一，西至青海 新 疆 山区几百兆瓦级别的大型风电场，东至上海洋山港东海大桥大型海上风电场，南至深圳和汕头几千瓦级别的小功率风力发电机，中.国各地蓬勃发展的风电市场即将为海内外半导体供应商和系统集成商带来一个巨大的发展机遇。

中. 国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦，开发利用潜力巨大。目前中.国已成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。中.国风力发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。随着中.国风力发电机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降，因此风电开始成为越来越多投资者的淘金之地。风力发电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景十分看好。

预计中.国2009年风电行业的利润总额仍将保持高速增长，预计2010、2011年增速会稍有回落，但增长速度也将达到60%以上。2010年中.国累计风电装机容量有望突破2000万千瓦，提前实现2020年的规划目标。

英飞凌科技(中.国)有限公司家电及工业功率器件市场经理陈子颖表示：“在中.国目前的风电市场上，主流风机功率是1.5MW和2.0MW，但也正在向更高的功率发展，如2.5到3.6MW功率风机已有商业化运行(上海东海大桥的海上风电功率达到3.6MW)。”

IXYS 公司全球销售副总裁Bradley Green也说：“目前安装的1到1.5MW风机将会被改进，或被更新的技术(如2.5到4MW的风机)所替代。这么做的优势是，设计师无需寻找更多的新的风力涡轮发电机安装地点，而可从每个现有风力涡轮发电机安装地点产生更多的电力。”

由于风能是一种非常不稳定的能源，风机输出的电压、频率和功率都很不稳定，因此不做处理不能直接输入电网。陈子颖表示，以比较容易理解的直驱为例，风机的叶片带动发电机旋转，风力发电机发出的频率往往不到电网频率的一半，因此肯定不能直接挂到电网上，需要用逆变器重新产生一稳频稳压的交流电，而这就需要用到高压大电流的IGBT模块。

一般来说，一个能实现与现有国家电网并网的大型风力发电场通常主要由以下几个部分组成：风力涡轮机、整流器、逆变器、控制器、晶闸管、同步器、防雷装置、变压器、风机管理和风机远程监控系统。

不过，随着新一代的逆变器能够自动与电网实现同步，因此很多现代风电系统在逆变器之后都不需要再加同步器和晶闸管。例如，陈子颖说：“现在的逆变器本身就是一个可并网的逆变器，其电压、电流和相位都是可控的，因此不再需要同步器和晶闸管。”

由于风电场一般都建于自然环境极其恶劣的野外，为尽可能地降低维护成本，通常对系统可靠性要求非常高。一般来说，位于最前端的风力涡轮机是影响系统可靠性的最关键设备，它的电机控制系统必须在任何风力情况下保持匀速转动和自动根据风向调整叶片的方位，而且要在风雨雷电沙尘的各种气候条件下长时间保持正常工作状态。目前丹麦的Vestas公司是世界风机市场的领先供应商。

整流器用于将风力涡轮机发出的交流电转换成直流电，以尽可能地降低电能在传输过程中的损失。在靠近电网端，逆变器再将整流器过来的直流电能转变成电网采用的正弦电波，然后通过晶闸管和同步器确保生成的交流电与电网同步并将此正弦波交流电并到电网上。

逆变器通常由IGBT模块、续流二极管、IGBT栅极驱动器、驱动保护、滤波电容、散热器、隔离器和MCU构成。目前中.国能提供逆变器整机的主要供应商有：深圳安德森电子、上海力友电气、北京绿洲协力新能源、北京怡蔚、广州邮科电源和上海正川。

大功率风电应用要求能承受上千安培电流和几千伏高压的大功率IGBT器件或模块，而且要求它们必须具备很高的可靠性，目前能提供这类产品的供应商并不多，主要有：IXYS、Infineon、ST、BYD和富士电机。

防雷装置一般为防过压冲击的气体放电管(GDT)、晶闸管、TVS二极管或金属氧化物变阻器(MOV)，以及防过流冲击的可恢复PolySwitch器件或一次性熔断器。目前市场上主要的防雷器件供应商有：Tyco电子、Littelfuse、ST和君耀电子。

在逆变器和电网之间一般都需要加变压器，因为电网电压一般高达几万伏，这么高的电压逆变器是做不到的，因此需要大型变压器进行升压。

对于由几百台风机组成的大型风力发电场来说，风场的信息化管理和风机远程监控必不可少。在这样的系统中需要对现场运行设备进行实时监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节、以及各类信号报警等各项功能。一般来说，各种采集信号及控制信号通过工业以太网和现场总线汇集到工控机中(如研华工控机 UNO-2170)，然后再通过另外一个以太网口将数据传送到风能检测服务器当中。工控机充当数据网关的作用。


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2009-12-22 18:10:22 上传
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图1：工控机用于监控风力涡轮机状态

风力发电系统通常安装在带有灰尘和大风的恶劣环境中。在这样的环境中，使用一台有风扇的PC为主机平台将会导致风扇和系统故障，因此必须采用可靠性很高的工控机。

此外，由于每台风力涡轮机的工作环境都非常恶劣，昼夜温差大，风沙严重，因此需要管理型宽温工业以太网交换机进行网络支持。风电应用对网络交换机的要求主要有以下四点：1）工作温度范围从-45到75℃；2）电机控制系统电磁环境恶劣，需要工业交换机具有较强的抗电磁干扰能力、较长时间的平均无故障时间；3）为了保障通信的可靠性，要求建立冗余的环网，具有较小的自愈时间。通信网络出故障时，能够平滑的切换到冗余备份线路；4）为了保证远程监控的数据的安全性，交换机需要有全面的网络安全设置。


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图2：风场管理系统网络拓朴图

近期国内一大型风机整机制造企业经过全面的考察后，最终选择了研华的EKI-6554SI和EKI-4654R作为风场管理系统以及风机远程监控系统网络架构交换机主干设备。

每个风机的塔基处安装一台研华的管理型冗余交换机EKI-7554SI，通过单模光纤连接构成一个冗余环网。同时监控中心内.部每个环网的EKI- 7554SI通过电口连接到研华24口网管型冗余千兆以太网交换机EKI-4654R。监控中心内.部服务器，工程师站通过EKI-4654R构成局域网系统。

EKI-4654R具有如下优越特性：1）快速冗余。可以组成快速的冗余网络，使用研华独创的X-Ring协议，具有超快小于10毫秒的自愈时间。2）抗强扰，适用于严苛环境。可以工作在严酷的电磁环境中，并且在数据口防雷、快速脉冲群，静电等都有较高的防护等级。3）安装方式更加灵活，支持导轨式安装、面板式安装，堆叠式安装和机柜安装等多种方式。4）安全优势，采取虚拟局域网技术、IP/MAC与端口绑定、流量控制功能、访问控制列表技术、IEEE802.1x身份验证机制、QoS机制和系统日志等措施来保证工业网络的万无一失。

<strong>大功率整流元件选择</strong>

如前所述，我们必须先在塔顶将风机产生的不稳定交流电转换成直流电。这一整流用元件既可用大功率整流二极管，也可用晶闸管和IGBT。目前市面上大功率二极管和晶闸管供应商主要有：IXYS、英飞凌和ST。

英飞凌看好IGBT。陈子颖表示：“风机输出是电压和频率都不稳定的交流电，它需要整流后才能送去逆变。随着IGBT技术的发展，目前风电整流主要采用IGBT可控整流来实现。”

英飞凌IGBT芯片采用了沟槽栅场终止技术，损耗低，电流密度高，适合并联使用。这些是设计大功率整流器的基础。选择大电流IGBT模块(如2400A/3600A IGBT模块)可以把系统功率密度做得高一些，否则需要更多IGBT并联，甚至整流器并联。

风电整流器可以采用多种IGBT解决方案，如大电流IGBT模块 IHM，其最大电流可达3600A/1700V。在EconoPack+和EconoDUAL3封装中有450A/1700V不同电路结构的模块，在这些封装中都有适用于风电的第.四.代IGBT4的产品。陈子颖指出：“新的模块封装形式(如PrimePack)也成了风电整流器市场的新宠，这些新技术的应用会使得风电变流器的可靠性，寿命会大大提高，成本也会降低。”

PrimePack是一种新的大电流IGBT模块，内.部寄生电感很小，功率和温度循环周次高，其目标市场之一就是风力发电应用。


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图3：英飞凌针对风电整流器市场的PrimePack大电流IGBT模块

IXYS 则偏好整流二极管。Bradley Green说：“每种二极管都有它自己的特性，因此不同的客户可能为某一应用选择不同类的二极管。不过，风机有二个简单的要求：最高的可靠性和大功率处理能力。在5-6MW功率级别上，这些基本要求使得你只能选择陶瓷封装二极管。”

最近，IXYS专门针对像风力发电这样的高电压应用开发出了额定工作电压高达3400V的整流器模块MDD75-34N1，它含有两个二极管，每个二极管在外壳温度为100℃时的平均额定电流为175A。它通常应用在风力发电系统前端的整流级。

“对于2500V以上的高效率大功率整流应用而言，这一新系列产品代表着一个巨大的技术突破，”Bradley Green表示，“我们的大多数竞争对手现在仍在为提高2000V以上整流器产品的可靠性而伤脑筋，这一3400V整流器模块的推出进一步凸显了IXYS 在双极高电压大功率领域长期以来的市场领导地位。”

<strong>逆变器要求可靠性更高IGBT</strong>

风电是一种极其不稳定的能源，风的强度每分种都在变化，一天中风力也不一样，而且一年四季可能会面临极端高温、低温以及飓风。作为风能的变换和控制关键器件，IGBT 模块会承受功率和温度的频繁变化，这会使得IGBT寿命缩短。在 IEC60747中，IGBT模块的重要可靠性指标就是功率周次和温度周次。

由于风电系统的需求把功率逆流器输出功率提到了一个新高度，这就需要新的功率半导体技术和模块封装技术来降低逆变器损耗，提高效率和实现更高的功率密度。

陈子颖表示：“我们第.四.代IGBT4模块的最高工作结温已从125度提高到了150度，这使得系统能效比有了显著的提高。目前采用IGBT4芯片的英飞凌IGBT模块功率周次比上一代产品在相同工作条件下提高了5倍，新的封装形式(如PrimePack)温度周次提高了7倍。”

IXYS公司全球销售副总裁Bradley Green也指出：“在许多风电应用场合，普通塑封IGBT模块的可靠性和效率已经无法满足系统的可靠性要求，必须采用可靠性更高的陶瓷压接式IGBT。”

他说：“我们的SPT+ Press-Pack IGBT产品是5.5-6MW功率级别风力发电机设计的基础。由于昂贵的安装成本缘故，这一功率级别要求极高的可靠性。尽管竞争对手在这一功率级别也能提供替代技术解决方案，但我们不相信它们的产品能够在系统级质量和可靠性上满足这一级别风力发电机的要求。”

与前一代产品相比，采用最新SPT+技术的新一代Press-Pack IGBT具有更大的安全工作区间，导通状态损耗也降低了约25%。IXYS的全资英国子公司Westcode开发的Press-Pack IGBT采用完全密封压接陶瓷封装，以确保其市场领先的在兆瓦级大功率应用中的可靠性，在这类应用中，效率和可靠性是最重要的。

“随着Press-Pack IGBT进入成熟的大规模生产阶段，”IXYS公司国际销售副总裁Bradley Green说，“将SPT+技术集成进Press-Pack IGBT就是合乎逻辑的下一步骤，因为这可以进一步提升效率和产品系列的坚固性。随着大功率应用(如风力发电机)对高功率密度和最高级别可靠性的要求越来越高，Westcode已经看到市场正在快速接受我们的产品。”

SPT+ Press-Pack IGBT系列的集电极电流范围从240A到2400A，集电极发射极电压可到4500V。T2400GB45E是新一代SPT+ Press-Pack IGBT系列的一个例子，它是一个2.4kA、4.5kV的Press-Pack IGBT，采用外部直径为168毫米的陶瓷封装。Westcode还提供将一个内.部二极管与IGBT做在一个封装内的产品。

Press-Pack IGBT完全没有模块化设计所固有的可靠性缺点，如引线邦定或luo片焊接工艺，它在大功率应用中的可靠性已经被证明是业内最佳的。Westcode还提供一个互补性的大功率SONIC二极管系列，它的速度和软开关能力可理想地匹配IGBT，他们组合起来可提供一个针对大功率应用的有吸引力的解决方案。

Bradley Green说：“在风机内，大功率SONIC二极管(快速恢复超软)主要设计用作与陶瓷封装IGBT配对的续流二极管。”

英飞凌目前除了为风电市场提供IGBT产品外，还提供功能完善的逆变器系统功率元件，包括IGBT模块、驱动保护、滤波电容、直流总线、散热器等，客户只要设计控制板就可以完成一个完整逆变器的开发工作。陈子颖说：“我们已成功地把这一产品引进到中.国，使国内风电厂商自主逆变器的开发速度大大提高，从而帮助他们解决了风电供应链上最大的瓶颈问题。未来我们会致力于加强IGBT模块在风电市场中的推广和技术支持工作，帮助国内变流器厂商开发出基于IGBT模块的高可靠性、低成本产品。”

但对于超大功率风机，我们一般需要使用晶闸管来作为逆变器的功率元件，因为工作在非常大功率的风电机通常含有很多储存的电能。不管它们是储存在电容库还是马达/变压器绕组上，这一电能都可能是极具破.坏性的，并给系统带来了一个很大的技术难题。与 IGBT或其它解决方案相比，晶闸管具有极高的电流浪涌额度和更高的热质量。对于一些主要设计目标不是效率而是鲁棒性和长寿命的风电机来说，晶闸管可能是最好的技术选择。

上述储存在电容库和绕组中的电能在紧急情况下必须放掉。这些放电应用会在电路中的任一电能存储位置上形成一个受控短路。在这些应用中一般不采用IGBT，因为IGBT的抗浪涌电流额度值不高和成本太贵。而晶闸管具有极高的电流浪涌额定值，因此它在任一要求叶片以最佳发电速度旋转的“软启动”应用中仍受青睐。

<strong>并网同步晶闸管选择</strong>

不少风电系统还在使用晶闸管实现逆变器输出交流电与电网交流电的同步。由于电网交流电的频率并不高，因此我们一般选择相位控制晶闸管而不是快速开关晶闸管。

Bradley Green表示：“晶闸管的设计简单地对应工作的频率。今天，快速开关晶闸管主要用于5-10KHz应用，针对50到100Hz应用的相位控制晶闸管具有更好的电流浪涌额度，这常常比更高的开关速度更吸引人。”

Westcode 目前已针对大功率风电应用开发出新的6500V相位控制晶闸管。针对低正向传导损耗进行优化设计的该新器件，具有1695A的标称RMS额定电流和 10.5kA的浪涌电流额定值。该晶闸管采用47毫米极面密封压接封装，使用了Westcode先进无合金工艺。

当与相同电压级别的类似器件比较时，为得到非常低的导通态电压而优化设计的该相位控制晶闸管在1000A电流流过时的正向压降只有2V。

<strong>防雷元件选择</strong>

安装在野外的风力发电系统必须安装防雷系统。雷击会产生瞬间的过电压，即在微秒至毫秒内会产生高达 6KV伏的尖峰冲击电压。当雷击发生时，强大的电流会通过各种途径间接或直接地侵入机房设备使其损坏。据测定雷电电流可达20万安培，既使是造成直接危害的二次感应电流也达l万安培。因此风力发电系统必须采用合适的防过压和过流元件来抵抗雷电的冲击。

风力发电系统需要进行不同等级防雷保护的基本组件有：风力涡轮机、逆变器、控制风力涡轮机叶片间距和方位的电机、以及用于监测和控制的低电压电路板。

Littelfuse 公司业务和技术开发经理Jim Colby指出：“风力涡轮机遭受雷击的风险很高，因此需要可靠的防雷保护。这可以采用能抵抗几千安培浪涌电流冲击的金属氧化物压敏电阻(MOV)来达到保护目的。这些MOV可以制造成34毫米或更大的盘，从而可以耗散大量浪涌能量。”

理论上，可以采用两类过压保护元件(即钳位元件和开关元件)为风电应用提供过压保护。钳位元件有MOV和TVS二极管，它们可在工作时允许小于规定钳位水平的电压通过负载。开关元件主要有气体放电管(GDT)和晶闸管浪涌电压抑制器，它们对超过突破电压的浪涌所作出的反应与分流元件相同。

开关元件相对于钳位元件的优势是，在动作状态下，当它把有害浪涌电流导出负载时，出现在负载上的电压极小；而钳位元件仍保持钳位电压。因此，开关元件中耗散的功率远远低于钳位元件。因此，Tyco电子认为，第一级防雷元件最好选择GDT，第二级防雷元件最好选择晶闸管浪涌电压抑制器。过流保护最好采用可复位的PolySwitch元件，与一次性熔断器相比，它可避免经常更换器件的麻烦，从而可大幅降低维护成本。

逆变器的AC端直接连到电网，因此它曝露于电网传导的雷击危险之下。Jim表示，它的雷击防护可采用中等级别的MOV，它们可以是14mm或20mm的盘。

用于叶片间距或方位控制电机由二级电源电路控制，它们受到的雷击浪涌电流比较有限，因此可采用抗浪涌额定电流小一些的抑制元件。如果采用MOV，那么它们可以是7mm或10mm大小的盘。此处也可以采用轴向引线封装或表面封装的TVS二极管，它们的额定功率值在1000W到3000W之间。

连接以上这些不同功率元件的是低电压控制和监测电路，它们通常是像RS-232或RS-485的低速电路。它们面对的电气威胁是低级别的浪涌电流和ESD。它们的保护可采用分立的TVS二极管(400W或600W)或硅保护阵列。

总的来说，所有的电源和控制组件在设计时都应该确保：像雷击和ESD这样的电气威胁通过抑制元件得到钳位和耗散，以确保系统有一个长和可靠的工作寿命。