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)電機的國產化和發(fā)電的規(guī)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(fā)電場建設、并網發(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，而可從每個現有風力渦輪發(fā)電機安裝地點產生更多的電力?！?

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。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(fā)電機旋轉，風力發(fā)電機發(fā)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(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，一個能實現與現有國家電網并網的大型風力發(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實現同步，因此很多現代風電系統(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。”

英飛凌工業(yè)功率器件市場經理陳子穎說：“現代逆變器本身就是可并網的，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(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(xù)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(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(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)中需要對現場運行設備進行實時監(jiān)視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節(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。

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(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，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(jiān)控的數據的安全性，交換機需要有全面的網絡安全設置。

近期國內一大型風機整機制造企業(yè)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(tǒng)以及風機遠程監(jiān)控系統(tǒng)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(huán)網。同時監(jiān)控中心內.部每個環(huán)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(jiān)控中心內.部服務器，工程師站通過EKI-4654R構成局域網系統(tǒng)。

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(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?！?

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。”