直面風(fēng)力發(fā)電設計挑戰

中國風(fēng)能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲量就有約2.53億千瓦，開(kāi)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(fēng)力發(fā)電的主要市場(chǎng)之一。中.國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，預計未來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間都將保持高速發(fā)展，同時(shí)盈利能力也將隨著(zhù)技術(shù)的逐漸成熟穩步提升。隨著(zhù)中.國風(fēng)力發(fā)電機的國產(chǎn)化和發(fā)電的規?；?，風(fēng)電成本可望再降，因此風(fēng)電開(kāi)始成為越來(lái)越多投資者的淘金之地。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)建設、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設備制造等領(lǐng)域成為投資熱點(diǎn)，市場(chǎng)前景十分看好。

預計中.國2009年風(fēng)電行業(yè)的利潤總額仍將保持高速增長(cháng)，預計2010、2011年增速會(huì )稍有回落，但增長(cháng)速度也將達到60%以上。2010年中.國累計風(fēng)電裝機容量有望突破2000萬(wàn)千瓦，提前實(shí)現2020年的規劃目標。

英飛凌科技(中.國)有限公司家電及工業(yè)功率器件市場(chǎng)經(jīng)理陳子穎表示：“在中國目前的風(fēng)電市場(chǎng)上，主流風(fēng)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到3.6MW功率風(fēng)機已有商業(yè)化運行(上海東海大橋的海上風(fēng)電功率達到3.6MW)?！?

IXYS公司全球銷(xiāo)售副總裁Bradley Green也說(shuō)：“目前安裝的1到1.5MW風(fēng)機將會(huì )被改進(jìn)，或被更新的技術(shù)(如2.5到4MW的風(fēng)機)所替代。這么做的優(yōu)勢是，設計師無(wú)需尋找更多的新的風(fēng)力渦輪發(fā)電機安裝地點(diǎn)，而可從每個(gè)現有風(fēng)力渦輪發(fā)電機安裝地點(diǎn)產(chǎn)生更多的電力?！?

由于風(fēng)能是一種非常不穩定的能源，風(fēng)機輸出的電壓、頻率和功率都很不穩定，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為例，風(fēng)機的葉片帶動(dòng)發(fā)電機旋轉，風(fēng)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)生一穩頻穩壓的交流電，而這就需要用到高壓大電流的IGBT模塊。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)能實(shí)現與現有國家電網(wǎng)并網(wǎng)的大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)通常主要由以下幾個(gè)部分組成：風(fēng)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(fēng)機管理和風(fēng)機遠程監控系統。

不過(guò)，隨著(zhù)新一代的逆變器能夠自動(dòng)與電網(wǎng)實(shí)現同步，因此很多現代風(fēng)電系統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(shuō)：“現在的逆變器本身就是一個(gè)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(chǎng)經(jīng)理陳子穎說(shuō)：“現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(fēng)電場(chǎng)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，通常對系統可靠性要求非常高。一般來(lái)說(shuō)，位于最前端的風(fēng)力渦輪機是影響系統可靠性的最關(guān)鍵設備，它的電機控制系統必須在任何風(fēng)力情況下保持勻速轉動(dòng)和自動(dòng)根據風(fēng)向調整葉片的方位，而且要在風(fēng)雨雷電沙塵的各種氣候條件下長(cháng)時(shí)間保持正常工作狀態(tài)。目前丹麥的Vestas公司是世界風(fēng)機市場(chǎng)的領(lǐng)先供應商。

整流器用于將風(fēng)力渦輪機發(fā)出的交流電轉換成直流電，以盡可能地降低電能在傳輸過(guò)程中的損失。在靠近電網(wǎng)端，逆變器再將整流器過(guò)來(lái)的直流電能轉變成電網(wǎng)采用的正弦電波，然后通過(guò)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、續流二極管、IGBT柵極驅動(dòng)器、驅動(dòng)保護、濾波電容、散熱器、隔離器和MCU構成。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(fēng)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(lèi)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(guò)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(guò)流沖擊的可恢復PolySwitch器件或一次性熔斷器。目前市場(chǎng)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(wàn)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(jìn)行升壓。

對于由幾百臺風(fēng)機組成的大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，風(fēng)場(chǎng)的信息化管理和風(fēng)機遠程監控必不可少。在這樣的系統中需要對現場(chǎng)運行設備進(jìn)行實(shí)時(shí)監視和控制，以實(shí)現數據采集、設備控制、測量、參數調節、以及各類(lèi)信號報警等各項功能。一般來(lái)說(shuō)，各種采集信號及控制信號通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)匯集到工控機中(如研華工控機UNO-2170)，然后再通過(guò)另外一個(gè)以太網(wǎng)口將數據傳送到風(fēng)能檢測服務(wù)器當中。工控機充當數據網(wǎng)關(guān)的作用。

風(fēng)力發(fā)電系統通常安裝在帶有灰塵和大風(fēng)的惡劣環(huán)境中。在這樣的環(huán)境中，使用一臺有風(fēng)扇的PC為主機平臺將會(huì )導致風(fēng)扇和系統故障，因此必須采用可靠性很高的工控機。

此外，由于每臺風(fēng)力渦輪機的工作環(huán)境都非常惡劣，晝夜溫差大，風(fēng)沙嚴重，因此需要管理型寬溫工業(yè)以太網(wǎng)交換機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )支持。風(fēng)電應用對網(wǎng)絡(luò )交換機的要求主要有以下四點(diǎn)：1）工作溫度范圍從-45到75℃；2）電機控制系統電磁環(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(cháng)時(shí)間的平均無(wú)故障時(shí)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(shí)間。通信網(wǎng)絡(luò )出故障時(shí)，能夠平滑的切換到冗余備份線(xiàn)路；4）為了保證遠程監控的數據的安全性，交換機需要有全面的網(wǎng)絡(luò )安全設置。

近期國內一大型風(fēng)機整機制造企業(yè)經(jīng)過(guò)全面的考察后，最終選擇了研華的EKI-6554SI和EKI-4654R作為風(fēng)場(chǎng)管理系統以及風(fēng)機遠程監控系統網(wǎng)絡(luò )架構交換機主干設備。

每個(gè)風(fēng)機的塔基處安裝一臺研華的管理型冗余交換機EKI-7554SI，通過(guò)單模光纖連接構成一個(gè)冗余環(huán)網(wǎng)。同時(shí)監控中心內.部每個(gè)環(huán)網(wǎng)的EKI-7554SI通過(guò)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。監控中心內.部服務(wù)器，工程師站通過(guò)EKI-4654R構成局域網(wǎng)系統。

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(luò )，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(shí)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，并且在數據口防雷、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(fǎng)問(wèn)控制列表技術(shù)、IEEE802.1x身份驗證機制、QoS機制和系統日志等措施來(lái)保證工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的萬(wàn)無(wú)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(fēng)機產(chǎn)生的不穩定交流電轉換成直流電。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(fēng)機輸出是電壓和頻率都不穩定的交流電，它需要整流后才能送去逆變。隨著(zhù)IGBT技術(shù)的發(fā)展，目前風(fēng)電整流主要采用IGBT可控整流來(lái)實(shí)現?！?

英飛凌IGBT芯片采用了溝槽柵場(chǎng)終止技術(shù)，損耗低，電流密度高，適合并聯(lián)使用。這些是設計大功率整流器的基礎。選擇大電流IGBT模塊(如2400A/3600A IGBT模塊)可以把系統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(fēng)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不同電路結構的模塊，在這些封裝中都有適用于風(fēng)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(fēng)電整流器市場(chǎng)的新寵，這些新技術(shù)的應用會(huì )使得風(fēng)電變流器的可靠性，壽命會(huì )大大提高，成本也會(huì )降低?！?