適合小型風(fēng)力發(fā)電系統電流和電壓測量的微型化隔離

摘要

搭配分流電阻，隔離放大器在具有高開(kāi)關(guān)噪聲的功率變換器中亦可提供精確的電流測量；當和電阻分壓電路配套使用時(shí)，還可以作為精確的電壓傳感器。這些電流和電壓信息可以提供給控制器進(jìn)行計算和實(shí)施有效控制，幫助小型風(fēng)力發(fā)電系統取得最佳的轉換效率。具備高共模噪聲抑制比、高隔離電壓、內置安全絕緣以及超小尺寸等特性，微型化隔離放大器為小型風(fēng)力發(fā)電渦輪機提供了一個(gè)理想的電流/電壓檢測方案。

介紹

作為最具前景的替代能源之一，風(fēng)力發(fā)電不受金融危機和經(jīng)濟衰退的影響，預估會(huì )在未來(lái)5年以每年22.4%的速度持續增長(cháng)[1]。大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)目前也已經(jīng)開(kāi)始擴展到離岸的深水區域，例如愛(ài)爾蘭海的25MW Arklow海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，以及可以提供420MW發(fā)電容量的美國第一個(gè)離岸風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)風(fēng)角(Cape Wind)。

除了關(guān)注預計會(huì )在尺寸以及安裝數量持續增長(cháng)大型數MW風(fēng)力渦輪機外，大部分功率逆變器制造商面對的市場(chǎng)商機大多在100kW的小型風(fēng)力渦輪機市場(chǎng)。雖然相對于太陽(yáng)能發(fā)電，風(fēng)力功率逆變器的市場(chǎng)較小，但卻正在大幅增長(cháng)。許多新的進(jìn)展正在影響這個(gè)領(lǐng)域，包括風(fēng)能建筑(Building Integrated Wind Energy, BIWE)，例如1kW的AVX 1000和60kW的WindCube?，以及垂直軸風(fēng)力渦輪機的進(jìn)一步發(fā)展，如UGE 10kW VAWT[2]。

聚焦小型風(fēng)力渦輪機市場(chǎng)

美國小型風(fēng)力渦輪機市場(chǎng)在2008年增長(cháng)了78%，增加17.3MW的發(fā)電容量，相同時(shí)間全球的增長(cháng)大約在53%和38.7MW，其中美國制造商占有2008年全球小型風(fēng)力發(fā)電機銷(xiāo)售的49%，持續保持著(zhù)長(cháng)期的主導地位[3]。

對于美國小型風(fēng)力渦輪機的商用市場(chǎng)(21-100kW)，增長(cháng)主要來(lái)自于更多的私人投資而增加的生產(chǎn)數量。而在占有市場(chǎng)份額最大的家用市場(chǎng)，則受到投資和批量生產(chǎn)所帶來(lái)的成本降低所推動(dòng)，家用電力價(jià)格的升高和大眾對這項技術(shù)的更多了解也是市場(chǎng)增長(cháng)的原因之一。

歐洲地區目前已經(jīng)有超過(guò)40家主要位于德國和西班牙的制造商積極搶進(jìn)小型風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)，這些制造商生產(chǎn)功率容量低于1kW到數百kW的小型風(fēng)力發(fā)電機。

小型風(fēng)力發(fā)電系統

圖一中的小型風(fēng)力發(fā)電系統通常包含有風(fēng)力渦輪機、發(fā)電機、交流─直流整流器、充電控制器和可充電電池模塊、逆變器、配線(xiàn)以及支持整個(gè)系統的塔座，其中充電控制器和電池模塊通常是必須的以符合遠程離線(xiàn)風(fēng)能系統的需求。

圖一：小型風(fēng)力發(fā)電系統的簡(jiǎn)化方塊圖。

效率是關(guān)鍵

由于風(fēng)速變化特性的因素，許多風(fēng)力發(fā)電方案都采用可變速度控制技術(shù)以期由風(fēng)力取得最高能量并將渦輪驅動(dòng)負載（turbine drive-train loads）降到最低。在這個(gè)產(chǎn)業(yè)中提出并討論了許多不同的可變速度控制方法，共同目標就是效率優(yōu)化[5, 6]。

除了風(fēng)速控制部分外，逆變器也在風(fēng)力發(fā)電系統的功率變換過(guò)程中扮演著(zhù)非常關(guān)鍵的角色。以風(fēng)力渦輪可變速度發(fā)電設備為例，逆變器是連接供電網(wǎng)并提供符合電力要求電源的基本設備，逆變器可以是商用的單相或工業(yè)用三項的分立零組件或模塊，并通過(guò)數字信號處理器(DSP)控制來(lái)提供高效率能源轉換。高效逆變系統需要對電力設備進(jìn)行精密的時(shí)序控制和安全隔離，避免有害高電壓開(kāi)關(guān)瞬變損害控制器和危害操作人員。

以30kW的電力轉換系統為例[6]，在連接供電網(wǎng)的風(fēng)能系統上使用了簡(jiǎn)單的交流─直流─交流變換器以及模塊化控制方式。圖二是這個(gè)功率轉換器的類(lèi)似方塊圖，基于發(fā)電機輸出的電壓和頻率會(huì )隨著(zhù)風(fēng)速變化，因此使用一個(gè)直流─直流升壓斬波電路來(lái)維持穩定的直流線(xiàn)路電壓，輸入的直流電流經(jīng)過(guò)調節追隨經(jīng)過(guò)預先設定的優(yōu)化電流參考，以便在渦輪系統的最大功率輸出點(diǎn)運行。在和供電網(wǎng)的連接上，PWM信號通過(guò)ACPL-332J門(mén)極驅動(dòng)[7]控制IGBT，通過(guò)對逆變器直流電壓的調節提供電流到電力線(xiàn)上。