- 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(fēng)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(kāi)關(guān)晶閘管
中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)量就有約2.5億KW，開(kāi)發(fā)利用潛力巨大。目前中國(guó)已成為繼歐洲、美國(guó)和印度之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場(chǎng)之一。中國(guó)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，預(yù)計(jì)未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間都將保持高速發(fā)展，同時(shí)盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。隨著中國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國(guó)產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)模化，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(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為投資熱點(diǎn)，市場(chǎng)前景十分看好。
預(yù)計(jì)中國(guó)2009年風(fēng)電行業(yè)的利潤(rùn)總額仍將保持高速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2010、2011年增速會(huì)稍有回落，但增長(zhǎng)速度也將達(dá)到60%以上。2010年中國(guó)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量有望突破2000萬(wàn)KW，提前實(shí)現(xiàn)2020年的規(guī)劃目標(biāo)。
英飛凌科技(中國(guó))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(guó)目前的風(fēng)電市場(chǎng)上，主流風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)已有商業(yè)化運(yùn)行(上海東海大橋的海上風(fēng)電功率達(dá)到3.6MW)。”
IXYS公司全球銷售副總裁BradleyGreen也說(shuō)：“目前安裝的1～1.5MW風(fēng)機(jī)將會(huì)被改進(jìn)，或被更新的技術(shù)(如2.5～4MW的風(fēng)機(jī))所替代。這么做的優(yōu)勢(shì)是，設(shè)計(jì)師無(wú)需尋找更多的新的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)安裝地點(diǎn)，而可從每個(gè)現(xiàn)有風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)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(wěn)定的能源，風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的葉片帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(lái)說(shuō)，一個(gè)能實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有國(guó)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(jī)、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(jī)管理和風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
不過(guò)，隨著新一代的逆變器能夠自動(dòng)與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步，因此很多現(xiàn)代風(fēng)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(shuō)：“現(xiàn)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(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(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(hù)成本，通常對(duì)系統(tǒng)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(jī)是影響系統(tǒng)可靠性的最關(guān)鍵設(shè)備，它的電機(jī)控制系統(tǒng)必須在任何風(fēng)力情況下保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和自動(dòng)根據(jù)風(fēng)向調(diào)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(zhǎng)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(jī)市場(chǎng)的領(lǐng)先供應(yīng)商。
整流器用于將風(fēng)力渦輪機(jī)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(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(zhuǎn)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(xù)流二極管、IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)保護(hù)、濾波電容、散熱器、隔離器和MCU構(gòu)成。目前中.國(guó)能提供逆變器整機(jī)的主要供應(yīng)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(yīng)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(yīng)商并不多，主要有：IXYS、Infineon、ST、BYD和富士電機(jī)。
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(fù)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(yīng)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?yàn)殡娋W(wǎng)電壓一般高達(dá)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(duì)于由幾百臺(tái)風(fēng)機(jī)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(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控必不可少。在這樣的系統(tǒng)中需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)、以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。一般來(lái)說(shuō)，各種采集信號(hào)及控制信號(hào)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線匯集到工控機(jī)中(如研華工控機(jī)UNO-2170)，然后再通過(guò)另外一個(gè)以太網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳送到風(fēng)能檢測(cè)服務(wù)器當(dāng)中。工控機(jī)充當(dāng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的作用。
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(tái)有風(fēng)扇的PC為主機(jī)平臺(tái)將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇和系統(tǒng)故障，因此必須采用可靠性很高的工控機(jī)。
此外，由于每臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)的工作環(huán)境都非常惡劣，晝夜溫差大，風(fēng)沙嚴(yán)重，因此需要管理型寬溫工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)支持。風(fēng)電應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的要求主要有以下四點(diǎn)：
1）工作溫度范圍從-45～75℃；
2）電機(jī)控制系統(tǒng)電磁環(huán)境惡劣，需要工業(yè)交換機(jī)具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力、較長(zhǎng)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路；
4）為了保證遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)的安全性，交換機(jī)需要有全面的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)置。
近期國(guó)內(nèi)一大型風(fēng)機(jī)整機(jī)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(tǒng)以及風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)交換機(jī)主干設(shè)備。
每個(gè)風(fēng)機(jī)的塔基處安裝一臺(tái)研華的管理型冗余交換機(jī)EKI-7554SI，通過(guò)單模光纖連接構(gòu)成一個(gè)冗余環(huán)網(wǎng)。同時(shí)監(jiān)控中心內(nèi)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(jī)EKI-4654R。監(jiān)控中心內(nèi)部服務(wù)器，工程師站通過(guò)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(luò)，使用研華獨(dú)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(qiáng)擾，適用于嚴(yán)苛環(huán)境。可以工作在嚴(yán)酷的電磁環(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(hù)等級(jí)。
3）安裝方式更加靈活，支持導(dǎo)軌式安裝、面板式安裝，堆疊式安裝和機(jī)柜安裝等多種方式。
4）安全優(yōu)勢(shì)，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(wèn)控制列表技術(shù)、IEEE802.1x身份驗(yàn)證機(jī)制、QoS機(jī)制和系統(tǒng)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(jī)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(yīng)商主要有：IXYS、英飛凌和ST。
英飛凌看好IGBT。陳子穎表示：“風(fēng)機(jī)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(fēng)電整流主要采用IGBT可控整流來(lái)實(shí)現(xiàn)。”
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(shè)計(jì)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(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(dá)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(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(yīng)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。”
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(biāo)市場(chǎng)之一就是風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用。
IXYS則偏好整流二極管。BradleyGreen說(shuō)：“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(yīng)用選擇不同類的二極管。不過(guò)，風(fēng)機(jī)有二個(gè)簡(jiǎn)單的要求：最高的可靠性和大功率處理能力。在5-6MW功率級(jí)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(duì)像風(fēng)力發(fā)電這樣的高電壓應(yīng)用開(kāi)發(fā)出了額定工作電壓高達(dá)3400V的整流器模塊MDD75-34N1，它含有兩個(gè)二極管，每個(gè)二極管在外殼溫度為100℃時(shí)的平均額定電流為175A。它通常應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)前端的整流級(jí)。
“對(duì)于2500V以上的高效率大功率整流應(yīng)用而言，這一新系列產(chǎn)品代表著一個(gè)巨大的技術(shù)突破，”BradleyGreen表示，“我們的大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(jìn)一步凸顯了IXYS在雙極高電壓大功率領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位。”
逆變器要求可靠性更高IGBT
風(fēng)電是一種極其不穩(wěn)定的能源，風(fēng)的強(qiáng)度每分種都在變化，一天中風(fēng)力也不一樣，而且一年四季可能會(huì)面臨極端高溫、低溫以及颶風(fēng)。作為風(fēng)能的變換和控制關(guān)鍵器件，IGBT模塊會(huì)承受功率和溫度的頻繁變化，這會(huì)使得IGBT壽命縮短。在IEC60747中，IGBT模塊的重要可靠性指標(biāo)就是功率周次和溫度周次。
由于風(fēng)電系統(tǒng)的需求把功率逆流器輸出功率提到了一個(gè)新高度，這就需要新的功率半導(dǎo)體技術(shù)和模塊封裝技術(shù)來(lái)降低逆變器損耗，提高效率和實(shí)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(fēng)電應(yīng)用場(chǎng)合，普通塑封IGBT模塊的可靠性和效率已經(jīng)無(wú)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(shuō)：“我們的SPT+Press-PackIGBT產(chǎn)品是5.5-6MW功率級(jí)別風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于昂貴的安裝成本緣故，這一功率級(jí)別要求極高的可靠性。盡管競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在這一功率級(jí)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(jí)質(zhì)量和可靠性上滿足這一級(jí)別風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dǎo)通狀態(tài)損耗也降低了約25%。IXYS的全資英國(guó)子公司W(wǎng)estcode開(kāi)發(fā)的Press-PackIGBT采用完全密封壓接陶瓷封裝，以確保其市場(chǎng)領(lǐng)先的在兆瓦級(jí)大功率應(yīng)用中的可靠性，在這類應(yīng)用中，效率和可靠性是最重要的。
“隨著Press-PackIGBT進(jìn)入成熟的大規(guī)模生產(chǎn)階段，”IXYS公司國(guó)際銷售副總裁BradleyGreen說(shuō)，“將SPT+技術(shù)集成進(jìn)Press-PackIGBT就是合乎邏輯的下一步驟，因?yàn)檫@可以進(jìn)一步提升效率和產(chǎn)品系列的堅(jiān)固性。
隨著大功率應(yīng)用(如風(fēng)力發(fā)電機(jī))對(duì)高功率密度和最高級(jí)別可靠性的要求越來(lái)越高，Westcode已經(jīng)看到市場(chǎng)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(gè)例子，它是一個(gè)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(gè)內(nèi)部二極管與IGBT做在一個(gè)封裝內(nèi)的產(chǎn)品。
Press-PackIGBT完全沒(méi)有模塊化設(shè)計(jì)所固有的可靠性缺點(diǎn)，如引線邦定或luo片焊接工藝，它在大功率應(yīng)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(gè)互補(bǔ)性的大功率SONIC二極管系列，它的速度和軟開(kāi)關(guān)能力可理想地匹配IGBT，他們組合起來(lái)可提供一個(gè)針對(duì)大功率應(yīng)用的有吸引力的解決方案。
BradleyGreen說(shuō)：“在風(fēng)機(jī)內(nèi)，大功率SONIC二極管(快速恢復(fù)超軟)主要設(shè)計(jì)用作與陶瓷封裝IGBT配對(duì)的續(xù)流二極管。”
英飛凌目前除了為風(fēng)電市場(chǎng)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(dòng)保護(hù)、濾波電容、直流總線、散熱器等，客戶只要設(shè)計(jì)控制板就可以完成一個(gè)完整逆變器的開(kāi)發(fā)工作。陳子穎說(shuō)：“我們已成功地把這一產(chǎn)品引進(jìn)到中國(guó)，使國(guó)內(nèi)風(fēng)電廠商自主逆變器的開(kāi)發(fā)速度大大提高，從而幫助他們解決了風(fēng)電供應(yīng)鏈上最大的瓶頸問(wèn)題。未來(lái)我們會(huì)致力于加強(qiáng)IGBT模塊在風(fēng)電市場(chǎng)中的推廣和技術(shù)支持工作，幫助國(guó)內(nèi)變流器廠商開(kāi)發(fā)出基于IGBT模塊的高可靠性、低成本產(chǎn)品。”
但對(duì)于超大功率風(fēng)機(jī)，我們一般需要使用晶閘管來(lái)作為逆變器的功率元件，因?yàn)楣ぷ髟诜浅４蠊β实娘L(fēng)電機(jī)通常含有很多儲(chǔ)存的電能。不管它們是儲(chǔ)存在電容庫(kù)還是馬達(dá)/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(lái)了一個(gè)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(duì)于一些主要設(shè)計(jì)目標(biāo)不是效率而是魯棒性和長(zhǎng)壽命的風(fēng)電機(jī)來(lái)說(shuō)，晶閘管可能是最好的技術(shù)選擇。
上述儲(chǔ)存在電容庫(kù)和繞組中的電能在緊急情況下必須放掉。這些放電應(yīng)用會(huì)在電路中的任一電能存儲(chǔ)位置上形成一個(gè)受控短路。在這些應(yīng)用中一般不采用IGBT，因?yàn)镮GBT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(dòng)”應(yīng)用中仍受青睞。
并網(wǎng)同步晶閘管選擇
不少風(fēng)電系統(tǒng)還在使用晶閘管實(shí)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(kāi)關(guān)晶閘管。
BradleyGreen示：“晶閘管的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單地對(duì)應(yīng)工作的頻率。今天，快速開(kāi)關(guān)晶閘管主要用于5-10KHz應(yīng)用，針對(duì)50～100Hz應(yīng)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(kāi)關(guān)速度更吸引人。”
Westcode目前已針對(duì)大功率風(fēng)電應(yīng)用開(kāi)發(fā)出新的6500V相位控制晶閘管。
針對(duì)低正向傳導(dǎo)損耗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的該新器件，具有1695A的標(biāo)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(jìn)無(wú)合金工藝。
當(dāng)與相同電壓級(jí)別的類似器件比較時(shí)，為得到非常低的導(dǎo)通態(tài)電壓而優(yōu)化設(shè)計(jì)的該相位控制晶閘管在1000A電流流過(guò)時(shí)的正向壓降只有2V。
防雷元件選擇
安裝在野外的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須安裝防雷系統(tǒng)。雷擊會(huì)產(chǎn)生瞬間的過(guò)電壓，即在微秒至毫秒內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)6KV的尖峰沖擊電壓。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，強(qiáng)大的電流會(huì)通過(guò)各種途徑間接或直接地侵入機(jī)房設(shè)備使其損壞。據(jù)測(cè)定雷電電流可達(dá)20萬(wàn)安培，既使是造成直接危害的二次感應(yīng)電流也達(dá)l萬(wàn)安培。因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須采用合適的防過(guò)壓和過(guò)流元件來(lái)抵抗雷電的沖擊。
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要進(jìn)行不同等級(jí)防雷保護(hù)的基本組件有：風(fēng)力渦輪機(jī)、逆變器、控制風(fēng)力渦輪機(jī)葉片間距和方位的電機(jī)、以及用于監(jiān)測(cè)和控制的低電壓電路板。
Littelfuse公司業(yè)務(wù)和技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理JimColby指出：“風(fēng)力渦輪機(jī)遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)很高，因此需要可靠的防雷保護(hù)。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(lái)達(dá)到保護(hù)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(guò)壓保護(hù)元件(即鉗位元件和開(kāi)關(guān)元件)為風(fēng)電應(yīng)用提供過(guò)壓保護(hù)。鉗位元件有MOV和TVS二極管，它們可在工作時(shí)允許小于規(guī)定鉗位水平的電壓通過(guò)負(fù)載。開(kāi)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(duì)超過(guò)突破電壓的浪涌所作出的反應(yīng)與分流元件相同。
開(kāi)關(guān)元件相對(duì)于鉗位元件的優(yōu)勢(shì)是，在動(dòng)作狀態(tài)下，當(dāng)它把有害浪涌電流導(dǎo)出負(fù)載時(shí)，出現(xiàn)在負(fù)載上的電壓極小；而鉗位元件仍保持鉗位電壓。因此，開(kāi)關(guān)元件中耗散的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鉗位元件。因此，Tyco電子認(rèn)為，第一級(jí)防雷元件最好選擇GDT，第二級(jí)防雷元件最好選擇晶閘管浪涌電壓抑制器。過(guò)流保護(hù)最好采用可復(fù)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(hù)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(dǎo)的雷擊危險(xiǎn)之下。Jim表示，它的雷擊防護(hù)可采用中等級(jí)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(jī)由二級(jí)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(cè)電路，它們通常是像RS-232或RS-485的低速電路。它們面對(duì)的電氣威脅是低級(jí)別的浪涌電流和ESD。它們的保護(hù)可采用分立的TVS二極管(400W或600W)或硅保護(hù)陣列。
總的來(lái)說(shuō)，所有的電源和控制組件在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)該確保：像雷擊和ESD這樣的電氣威脅通過(guò)抑制元件得到鉗位和耗散，以確保系統(tǒng)有一個(gè)長(zhǎng)和可靠的工作壽命。
