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風電是目前中.國政.府大力傾斜支持的綠色能源之一，西至青海 新 疆 山區幾百兆瓦級別的大型風電場，東至上海洋山港東海大橋大型海上風電場，南至深圳和汕頭幾千瓦級別的小功率風力發電機，中.國各地蓬勃發展的風電市場即將為海內外半導體供應商和系統集成商帶來一個巨大的發展機遇。 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，開發利用潛力巨大。目前中.國已成為繼歐洲、美國和印度之后發展風力發電的主要市場之一。中.國風力發電行業的發展前景十分廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發展，同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩步提升。隨著中.國風力發電機的國產化和發電的規模化，風電成本可望再降，因此風電開始成為越來越多投資者的淘金之地。風力發電場建設、并網發電、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2020年的規劃目標。 英飛凌科技(中.國)有限公司家電及工業功率器件市場經理陳子穎表示：“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展，如2.5到3.6MW功率風機已有商業化運行(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。這么做的優勢是，設計師無需尋找更多的新的風力渦輪發電機安裝地點，而可從每個現有風力渦輪發電機安裝地點產生更多的電力。” 由于風能是一種非常不穩定的能源，風機輸出的電壓、頻率和功率都很不穩定，因此不做處理不能直接輸入電網。陳子穎表示，以比較容易理解的直驅為例，風機的葉片帶動發電機旋轉，風力發電機發出的頻率往往不到電網頻率的一半，因此肯定不能直接掛到電網上，需要用逆變器重新產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。 一般來說，一個能實現與現有國家電網并網的大型風力發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控系統。 不過，隨著新一代的逆變器能夠自動與電網實現同步，因此很多現代風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：“現在的逆變器本身就是一個可并網的逆變器，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。” 由于風電場一般都建于自然環境極其惡劣的野外，為盡可能地降低維護成本，通常對系統可靠性要求非常高。一般來說，位于最前端的風力渦輪機是影響系統可靠性的最關鍵設備，它的電機控制系統必須在任何風力情況下保持勻速轉動和自動根據風向調整葉片的方位，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。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。在靠近電網端，逆變器再將整流器過來的直流電能轉變成電網采用的正弦電波，然后通過晶閘管和同步器確保生成的交流電與電網同步并將此正弦波交流電并到電網上。 逆變器通常由IGBT模塊、續流二極管、IGBT柵極驅動器、驅動保護、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。 在逆變器和電網之間一般都需要加變壓器，因為電網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電場來說，風場的信息化管理和風機遠程監控必不可少。在這樣的系統中需要對現場運行設備進行實時監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節、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以太網和現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口將數據傳送到風能檢測服務器當中。工控機充當數據網關的作用。 
圖1：工控機用于監控風力渦輪機狀態 風力發電系統通常安裝在帶有灰塵和大風的惡劣環境中。在這樣的環境中，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以太網交換機進行網絡支持。風電應用對網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）電機控制系統電磁環境惡劣，需要工業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，要求建立冗余的環網，具有較小的自愈時間。通信網絡出故障時，能夠平滑的切換到冗余備份線路；4）為了保證遠程監控的數據的安全性，交換機需要有全面的網絡安全設置。
圖2：風場管理系統網絡拓樸圖 近期國內一大型風機整機制造企業經過全面的考察后，最終選擇了研華的EKI-6554SI和EKI-4654R作為風場管理系統以及風機遠程監控系統網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網。同時監控中心內.部每個環網的EKI- 7554SI通過電口連接到研華24口網管型冗余千兆以太網交換機EKI-4654R。監控中心內.部服務器，工程師站通過EKI-4654R構成局域網系統。 EKI-4654R具有如下優越特性：1）快速冗余。可以組成快速的冗余網絡，使用研華獨創的X-Ring協議，具有超快小于10毫秒的自愈時間。2）抗強擾，適用于嚴苛環境。可以工作在嚴酷的電磁環境中，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）安全優勢，采取虛擬局域網技術、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機制和系統日志等措施來保證工業網絡的萬無一失。 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IGBT技術的發展，目前風電整流主要采用IGBT可控整流來實現。” 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，甚至整流器并聯。 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。” PrimePack是一種新的大電流IGBT模塊，內.部寄生電感很小，功率和溫度循環周次高，其目標市場之一就是風力發電應用。
圖3：英飛凌針對風電整流器市場的PrimePack大電流IGBT模塊 IXYS 則偏好整流二極管。Bradley Green說：“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用選擇不同類的二極管。不過，風機有二個簡單的要求：最高的可靠性和大功率處理能力。在5-6MW功率級別上，這些基本要求使得你只能選擇陶瓷封裝二極管。” 最近，IXYS專門針對像風力發電這樣的高電壓應用開發出了額定工作電壓高達3400V的整流器模塊MDD75-34N1，它含有兩個二極管，每個二極管在外殼溫度為100℃時的平均額定電流為175A。它通常應用在風力發電系統前端的整流級。 “對于2500V以上的高效率大功率整流應用而言，這一新系列產品代表著一個巨大的技術突破，”Bradley Green表示，“我們的大多數競爭對手現在仍在為提高2000V以上整流器產品的可靠性而傷腦筋，這一3400V整流器模塊的推出進一步凸顯了IXYS 在雙極高電壓大功率領域長期以來的市場領導地位。” 逆變器要求可靠性更高IGBT 風電是一種極其不穩定的能源，風的強度每分種都在變化，一天中風力也不一樣，而且一年四季可能會面臨極端高溫、低溫以及颶風。作為風能的變換和控制關鍵器件，IGBT 模塊會承受功率和溫度的頻繁變化，這會使得IGBT壽命縮短。在 IEC60747中，IGBT模塊的重要可靠性指標就是功率周次和溫度周次。 由于風電系統的需求把功率逆流器輸出功率提到了一個新高度，這就需要新的功率半導體技術和模塊封裝技術來降低逆變器損耗，提高效率和實現更高的功率密度。 陳子穎表示：“我們第.四.代IGBT4模塊的最高工作結溫已從125度提高到了150度，這使得系統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Bradley Green也指出：“在許多風電應用場合，普通塑封IGBT模塊的可靠性和效率已經無法滿足系統的可靠性要求，必須采用可靠性更高的陶瓷壓接式IGBT。” 他說：“我們的SPT+ Press-Pack IGBT產品是5.5-6MW功率級別風力發電機設計的基礎。由于昂貴的安裝成本緣故，這一功率級別要求極高的可靠性。盡管競爭對手在這一功率級別也能提供替代技術解決方案，但我們不相信它們的產品能夠在系統級質量和可靠性上滿足這一級別風力發電機的要求。” 與前一代產品相比，采用最新SPT+技術的新一代Press-Pack IGBT具有更大的安全工作區間，導通狀態損耗也降低了約25%。IXYS的全資英國子公司Westcode開發的Press-Pack IGBT采用完全密封壓接陶瓷封裝，以確保其市場領先的在兆瓦級大功率應用中的可靠性，在這類應用中，效率和可靠性是最重要的。 “隨著Press-Pack IGBT進入成熟的大規模生產階段，”IXYS公司國際銷售副總裁Bradley Green說，“將SPT+技術集成進Press-Pack IGBT就是合乎邏輯的下一步驟，因為這可以進一步提升效率和產品系列的堅固性。隨著大功率應用(如風力發電機)對高功率密度和最高級別可靠性的要求越來越高，Westcode已經看到市場正在快速接受我們的產品。” SPT+ Press-Pack IGBT系列的集電極電流范圍從240A到2400A，集電極發射極電壓可到4500V。T2400GB45E是新一代SPT+ Press-Pack IGBT系列的一個例子，它是一個2.4kA、4.5kV的Press-Pack IGBT，采用外部直徑為168毫米的陶瓷封裝。Westcode還提供將一個內.部二極管與IGBT做在一個封裝內的產品。 Press-Pack IGBT完全沒有模塊化設計所固有的可靠性缺點，如引線邦定或luo片焊接工藝，它在大功率應用中的可靠性已經被證明是業內最佳的。Westcode還提供一個互補性的大功率SONIC二極管系列，它的速度和軟開關能力可理想地匹配IGBT，他們組合起來可提供一個針對大功率應用的有吸引力的解決方案。 Bradley Green說：“在風機內，大功率SONIC二極管(快速恢復超軟)主要設計用作與陶瓷封裝IGBT配對的續流二極管。” 英飛凌目前除了為風電市場提供IGBT產品外，還提供功能完善的逆變器系統功率元件，包括IGBT模塊、驅動保護、濾波電容、直流總線、散熱器等，客戶只要設計控制板就可以完成一個完整逆變器的開發工作。陳子穎說：“我們已成功地把這一產品引進到中.國，使國內風電廠商自主逆變器的開發速度大大提高，從而幫助他們解決了風電供應鏈上最大的瓶頸問題。未來我們會致力于加強IGBT模塊在風電市場中的推廣和技術支持工作，幫助國內變流器廠商開發出基于IGBT模塊的高可靠性、低成本產品。” 但對于超大功率風機，我們一般需要使用晶閘管來作為逆變器的功率元件，因為工作在非常大功率的風電機通常含有很多儲存的電能。不管它們是儲存在電容庫還是馬達/變壓器繞組上，這一電能都可能是極具破.壞性的，并給系統帶來了一個很大的技術難題。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量。對于一些主要設計目標不是效率而是魯棒性和長壽命的風電機來說，晶閘管可能是最好的技術選擇。 上述儲存在電容庫和繞組中的電能在緊急情況下必須放掉。這些放電應用會在電路中的任一電能存儲位置上形成一個受控短路。在這些應用中一般不采用IGBT，因為IGBT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電速度旋轉的“軟啟動”應用中仍受青睞。 并網同步晶閘管選擇 不少風電系統還在使用晶閘管實現逆變器輸出交流電與電網交流電的同步。由于電網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關晶閘管。 Bradley Green表示：“晶閘管的設計簡單地對應工作的頻率。今天，快速開關晶閘管主要用于5-10KHz應用，針對50到100Hz應用的相位控制晶閘管具有更好的電流浪涌額度，這常常比更高的開關速度更吸引人。” Westcode 目前已針對大功率風電應用開發出新的6500V相位控制晶閘管。針對低正向傳導損耗進行優化設計的該新器件，具有1695A的標稱RMS額定電流和 10.5kA的浪涌電流額定值。該晶閘管采用47毫米極面密封壓接封裝，使用了Westcode先進無合金工藝。 當與相同電壓級別的類似器件比較時，為得到非常低的導通態電壓而優化設計的該相位控制晶閘管在1000A電流流過時的正向壓降只有2V。 防雷元件選擇 安裝在野外的風力發電系統必須安裝防雷系統。雷擊會產生瞬間的過電壓，即在微秒至毫秒內會產生高達 6KV伏的尖峰沖擊電壓。當雷擊發生時，強大的電流會通過各種途徑間接或直接地侵入機房設備使其損壞。據測定雷電電流可達20萬安培，既使是造成直接危害的二次感應電流也達l萬安培。因此風力發電系統必須采用合適的防過壓和過流元件來抵抗雷電的沖擊。 風力發電系統需要進行不同等級防雷保護的基本組件有：風力渦輪機、逆變器、控制風力渦輪機葉片間距和方位的電機、以及用于監測和控制的低電壓電路板。 Littelfuse 公司業務和技術開發經理Jim Colby指出：“風力渦輪機遭受雷擊的風險很高，因此需要可靠的防雷保護。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)來達到保護目的。這些MOV可以制造成34毫米或更大的盤，從而可以耗散大量浪涌能量。” 理論上，可以采用兩類過壓保護元件(即鉗位元件和開關元件)為風電應用提供過壓保護。鉗位元件有MOV和TVS二極管，它們可在工作時允許小于規定鉗位水平的電壓通過負載。開關元件主要有氣體放電管(GDT)和晶閘管浪涌電壓抑制器，它們對超過突破電壓的浪涌所作出的反應與分流元件相同。 開關元件相對于鉗位元件的優勢是，在動作狀態下，當它把有害浪涌電流導出負載時，出現在負載上的電壓極小；而鉗位元件仍保持鉗位電壓。因此，開關元件中耗散的功率遠遠低于鉗位元件。因此，Tyco電子認為，第一級防雷元件最好選擇GDT，第二級防雷元件最好選擇晶閘管浪涌電壓抑制器。過流保護最好采用可復位的PolySwitch元件，與一次性熔斷器相比，它可避免經常更換器件的麻煩，從而可大幅降低維護成本。 逆變器的AC端直接連到電網，因此它曝露于電網傳導的雷擊危險之下。Jim表示，它的雷擊防護可采用中等級別的MOV，它們可以是14mm或20mm的盤。 用于葉片間距或方位控制電機由二級電源電路控制，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1000W到3000W之間。 連接以上這些不同功率元件的是低電壓控制和監測電路，它們通常是像RS-232或RS-485的低速電路。它們面對的電氣威脅是低級別的浪涌電流和ESD。它們的保護可采用分立的TVS二極管(400W或600W)或硅保護陣列。 總的來說，所有的電源和控制組件在設計時都應該確保：像雷擊和ESD這樣的電氣威脅通過抑制元件得到鉗位和耗散，以確保系統有一個長和可靠的工作壽命。 |
