小型風(fēng)力發(fā)電系統電流和電壓測量微型化隔離放大器

　　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。

圖二：使用交流─直流─交流變換器的小型風(fēng)力渦輪系統方塊圖。

　　為了要達到優(yōu)化的系統效率，圖二以及其他參考文獻[6, 8]中所描述的變換器顯示必須把重要的電流和電壓信息反饋給數字信號處理器(DSP)進(jìn)行計算和有效控制。這些信息可能包括直流線(xiàn)路電流大小、發(fā)電機相位電流、逆變輸出相位電流以及直流線(xiàn)路電壓。這樣的需求帶來(lái)了電流和電壓傳感器的商機，這些傳感器不僅需要具備足夠的精確度和反應速度，而且需要以高性?xún)r(jià)比提供高開(kāi)關(guān)噪聲抑制比和安全絕緣能力。

　　利用隔離放大器測量電流和電壓

　　雖然會(huì )有分流電阻功率損耗的缺點(diǎn)，具備高線(xiàn)性度、低成本和設計靈活等優(yōu)勢的分流電阻電流檢測是進(jìn)行電流測量一個(gè)經(jīng)常使用的方法。隨著(zhù)更佳散熱性能和更低阻值分流技術(shù)的發(fā)展，功率損耗可以通過(guò)降低分流信號的大小降到最低。

　　特別面向滿(mǎn)足功率轉換系統嚴格的要求設計，ACPL-C78A/C780/C784微型化隔離放大器可以接受±200mV的信號，非常適合接連基于分流方式的電流感應應用。通過(guò)選擇適合的分流電阻大小便可進(jìn)行由低于1A到超過(guò)100A廣大范圍的電流監測應用。

　　ACPL-C78X系列采用先進(jìn)的sigma-delta模數轉換技術(shù)和全差分方式實(shí)現1%的增益誤差(ACPL-C78A)、0.004%的超低非線(xiàn)性，以及直流到100kHz寬廣的帶寬，請參考圖三。采用延展型SSO-8封裝供貨，擁有8mm爬電距離和電氣間隙，ACPL-C78X提供有穩固的電氣隔離，并取得IEC/EN/DIN EN 60747-5-2的1140V工作電壓安全認證、UL 1577規定的5kVrms/1min雙重保護，以及15kV/μs的共模抑制能力[9]。

圖三：ACPL-C78X系列增益頻率響應圖。

　　結論

　　雖然不同的市場(chǎng)條件讓風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在每個(gè)地區都有不同的樣貌，從歐洲地區成功實(shí)施電價(jià)保護制度到北美地區和亞洲所采用法規、補貼和稅務(wù)優(yōu)惠的組合，風(fēng)能產(chǎn)業(yè)預料即將快速增長(cháng)，雖然目前已經(jīng)有許多讓人眼睛一亮的數MW風(fēng)力發(fā)電設備開(kāi)始邁入離岸深水區，但功率逆變器的大部份商機還是在于小型的風(fēng)力渦輪機市場(chǎng)。

　　ACPL-C78X微型化隔離放大器提供了典型小型風(fēng)力發(fā)電設計取得優(yōu)化效率所需的精確電流和電壓測量，高開(kāi)關(guān)噪聲抑制能力和高絕緣電壓可以帶來(lái)平穩的逆變器工作以及控制器和操作人員的安全性。