直面風力發(fā)電設計挑戰(zhàn)

中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.53億千瓦，開發(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)展風力發(fā)電的主要市場之一。中.國風力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展，同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩(wěn)步提升。隨著中.國風力發(fā)電機的國產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)?；L電成本可望再降，因此風電開始成為越來越多投資者的淘金之地。風力發(fā)電場建設、并網(wǎng)發(fā)電、風電設備制造等領域成為投資熱點，市場前景十分看好。

預計中.國2009年風電行業(yè)的利潤總額仍將保持高速增長，預計2010、2011年增速會稍有回落，但增長速度也將達到60%以上。2010年中.國累計風電裝機容量有望突破2000萬千瓦，提前實現(xiàn)2020年的規(guī)劃目標。

英飛凌科技(中.國)有限公司家電及工業(yè)功率器件市場經(jīng)理陳子穎表示：“在中國目前的風電市場上，主流風機功率是1.5MW和2.0MW，但也正在向更高的功率發(fā)展，如2.5到3.6MW功率風機已有商業(yè)化運行(上海東海大橋的海上風電功率達到3.6MW)。”

IXYS公司全球銷售副總裁Bradley Green也說：“目前安裝的1到1.5MW風機將會被改進，或被更新的技術(如2.5到4MW的風機)所替代。這么做的優(yōu)勢是，設計師無需尋找更多的新的風力渦輪發(fā)電機安裝地點，而可從每個現(xiàn)有風力渦輪發(fā)電機安裝地點產(chǎn)生更多的電力?！?

由于風能是一種非常不穩(wěn)定的能源，風機輸出的電壓、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，風機的葉片帶動發(fā)電機旋轉，風力發(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(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。

一般來說，一個能實現(xiàn)與現(xiàn)有國家電網(wǎng)并網(wǎng)的大型風力發(fā)電場通常主要由以下幾個部分組成：風力渦輪機、整流器、逆變器、控制器、晶閘管、同步器、防雷裝置、變壓器、風機管理和風機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

不過，隨著新一代的逆變器能夠自動與電網(wǎng)實現(xiàn)同步，因此很多現(xiàn)代風電系統(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：“現(xiàn)在的逆變器本身就是一個可并網(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)功率器件市場經(jīng)理陳子穎說：“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。”

由于風電場一般都建于自然環(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(tǒng)可靠性要求非常高。一般來說，位于最前端的風力渦輪機是影響系統(tǒng)可靠性的最關鍵設備，它的電機控制系統(tǒng)必須在任何風力情況下保持勻速轉動和自動根據(jù)風向調(diào)整葉片的方位，而且要在風雨雷電沙塵的各種氣候條件下長時間保持正常工作狀態(tài)。目前丹麥的Vestas公司是世界風機市場的領先供應商。

整流器用于將風力渦輪機發(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程中的損失。在靠近電網(wǎng)端，逆變器再將整流器過來的直流電能轉變成電網(wǎng)采用的正弦電波，然后通過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)動器、驅(qū)動保護、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)，以及防過流沖擊的可恢復PolySwitch器件或一次性熔斷器。目前市場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行升壓。

對于由幾百臺風機組成的大型風力發(fā)電場來說，風場的信息化管理和風機遠程監(jiān)控必不可少。在這樣的系統(tǒng)中需要對現(xiàn)場運行設備進行實時監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)、以及各類信號報警等各項功能。一般來說，各種采集信號及控制信號通過工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線匯集到工控機中(如研華工控機UNO-2170)，然后再通過另外一個以太網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳送到風能檢測服務器當中。工控機充當數(shù)據(jù)網(wǎng)關的作用。

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

此外，由于每臺風力渦輪機的工作環(huán)境都非常惡劣，晝夜溫差大，風沙嚴重，因此需要管理型寬溫工業(yè)以太網(wǎng)交換機進行網(wǎng)絡支持。風電應用對網(wǎng)絡交換機的要求主要有以下四點：1）工作溫度范圍從-45到75℃；2）電機控制系統(tǒng)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、較長時間的平均無故障時間；3）為了保障通信的可靠性，要求建立冗余的環(huán)網(wǎng)，具有較小的自愈時間。通信網(wǎng)絡出故障時，能夠平滑的切換到冗余備份線路；4）為了保證遠程監(jiān)控的數(shù)據(jù)的安全性，交換機需要有全面的網(wǎng)絡安全設置。

近期國內(nèi)一大型風機整機制造企業(yè)經(jīng)過全面的考察后，最終選擇了研華的EKI-6554SI和EKI-4654R作為風場管理系統(tǒng)以及風機遠程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構交換機主干設備。

每個風機的塔基處安裝一臺研華的管理型冗余交換機EKI-7554SI，通過單模光纖連接構成一個冗余環(huán)網(wǎng)。同時監(jiān)控中心內(nèi).部每個環(huán)網(wǎng)的EKI-7554SI通過電口連接到研華24口網(wǎng)管型冗余千兆以太網(wǎng)交換機EKI-4654R。監(jiān)控中心內(nèi).部服務器，工程師站通過EKI-4654R構成局域網(wǎng)系統(tǒng)。

EKI-4654R具有如下優(yōu)越特性：1）快速冗余。可以組成快速的冗余網(wǎng)絡，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(shù)據(jù)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、IP/MAC與端口綁定、流量控制功能、訪問控制列表技術、IEEE802.1x身份驗證機制、QoS機制和系統(tǒng)日志等措施來保證工業(yè)網(wǎng)絡的萬無一失。

大功率整流元件選擇

如前所述，我們必須先在塔頂將風機產(chǎn)生的不穩(wěn)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：“風機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技術的發(fā)展，目前風電整流主要采用IGBT可控整流來實現(xiàn)。”

英飛凌IGBT芯片采用了溝槽柵場終止技術，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(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)也成了風電整流器市場的新寵，這些新技術的應用會使得風電變流器的可靠性，壽命會大大提高，成本也會降低?！?