風力發電技術與半導體器件及控制系統
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發布日期：2022-12-09
中國柴油發電機組網行業資料——風力發電技術與半導體器件及控制系統
Enercon公司開創了一系列無齒輪直驅式風力渦輪發電機，其額定發電量現在可達到4.5MW。在這種設計中，將轉子直接裝在發電機上，就可將傳動輪系軸承的數量減少到只有兩個低速旋轉部件。問題在于如何在低轉速時產生足夠的電力，以及如何用最好的方法將其轉換為電網頻率。Enercon公司解決發電機問題的方法是使用一個有大量電極的電激同步發電機，例如該公司的E-40機型600kW風力渦輪發電機中的直徑為4.8m的84極電激勵同步發電機。在這里，轉子的速度從18rpm~34 rpm不等，掃過面積為1521m2。由于在工業變頻驅動設計領域深厚的功底，Enercon公司采用自己的電子電路。與之相比，Zephyros公司剛推出的 Z72型2MW風力渦輪發電機雖然同樣具有直驅發電機，但卻采用ABB公司的改進型ACS 1000變速電動機傳動控制器。一個驅動軸軸承支承也是由ABB公司制造的永磁發電機。Zyphyros公司在列舉發電機損耗降低、部分負載效率出色、故障機率較低等優點時，突出了永磁發電機的好處。永磁發電機的不足之處是它因使用高導磁率的磁性材料(如釹鐵硼和釤鈷)而成本很高。永磁發電機的另一個缺點是功率因數特性差，必須由變頻電路來進行補償。
但許多專家認為，永磁發電機是發展方向，對大型直驅設計來說尤其是這樣。英國NaREC(新能源與再生能源中心)的電氣技術專家Adrian Wilson說,這種方法是當今一個以減輕重量為主要目標的研究項目的核心。由于風力渦輪發電機理論上電力輸出是按它獲得的空氣體積的三次方增加的，所以結構件也會成比例地增加重量。Wilson說，現在的設計方法不能簡單地按比例增大到10MW量級——更不用說未來需要的20MW或30MW，所以他所在的部門正在調查一種可節省齒輪箱質量的直驅設計。這種方法同樣也需要一個大直徑的發電機。在該項目涉及到的尺度上，有一種可能違背常規的方法，即采用自行車輪似的結構，其輻條支持發電機的電極對。電網輸出連接需要一條滿功率的交流-直流-交流變頻器鏈路，而變頻器鏈路則需要多個并行的變頻器。
IGBT取代可控硅
風力渦輪發電機所需的功率半導體器件是從事微電子學的人所不熟悉的。你要考慮的不是亞微米線寬，而是一個單器件模塊占用的歐洲標準印制板面積(從34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)。這樣的器件可在數千伏電壓下承受千安培級的電流，而且在過去幾十年內，這一技術的進步是對風力渦輪發電機發展的最大貢獻。在Growian時代，可控硅技術可應付大功率應用，但傳導損耗很大，并且轉換時間的性能很差，常常在100ms范圍內。相應地，變頻器級采用6個階躍或12個階躍的波形近似一個正弦波的能量分布，從而產生特別強的奇次諧波，如五次諧波和十一次諧波。這些局限導致人們需要使用諧波頻率濾波器。
用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)代替Growian的第一代可控硅，就可使用脈寬調制(PWM)來克服不良的諧波性能。該技術也使實際功率和無功功率的控制更為方便。盡管傳統的可控硅很耐用，當今的可控硅，如三菱公司的FT1500AU-240可以在12kV電壓下開關1.5kA電流，開關時間為15ms，但當傳導電流超過維持電流值時，傳統的可控硅是不可能關斷的。GTO(柵極可關斷)可控硅(如三菱公司的FG6000AU-120D)可連續提供6 kV的電壓和1.5kA的電流，并可在30ms內實現關斷控制，但它們難以驅動。更糟的是，所有的可控硅都很難并聯使用，而要達到風力渦輪發電機所需的功率水平，并聯使用常常是不可或缺的。
大功率IGBT既有MOSFET的容易驅動和電流共享特性，又有1ms的開關時間。雖然轉換線路頻率所需的PWM頻率很低，僅為幾千赫茲，但這種快速切換在IGBT穿越線性工作區時可減小傳導損耗。諸如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，其導通時間不到1ms，關斷時間小于6ms，可以在6kV電壓下控制1.2kA電流；諸如該公司的FZ3600R12KE3等低電壓器件，可以在1.2kV電壓下開關3.6kA電流。因此，IGBT可用于大功率變頻器和軟起動控制器。專業生產大功率半導體器件的其他公司包括ABB公司、Dynex公司、富士通電子公司、Powerex公司和Semikron公司。
Gamesa E條ica公司的風力渦輪發電機系列具有660kW ~ 2MW輸出功率范圍，廣泛采用IGBT技術來實現變速控制和變頻控制。可變傾斜角轉子輪葉控制允許進行連續調整來獲取最高的功率，并可耦合到其發電機速度范圍為900rpm~1900rpm的一個DFIG系統。這種控制技術可將峰值、閃爍以及諧波都降低到最低程度，從而方便連網許可問題。矢量控制系統可產生或消耗無功能量，對功率系數進行精密調整，使電網電壓穩定性得到提高。Gamesa E條ica公司的功率電路還使自己的渦輪機能在電網中其他地方發生斷電時保持在線操作。從經濟上說，這些問題在西班牙是至關重要的，因為西班牙對高質量的電網連接要征收額外關稅的。
法國Cegele公司主管風能部門的Ivan Novikoff指出，風力渦輪發電機及其技術的選擇主要取決于當地基礎設施的位置和特性。Novikoff說，電纜敷設、起動時的起動電流和短路電流等問題都取決于系統結構。該公司在為已知用途的風力渦輪發電機制定規范時，都要考慮許多次要而又必須考慮的問題，從允許的轉子高度、噪聲輻射，到制造商的現場服務質量，不一而足。Novikoff解釋說，從投資者的觀點來看，要考慮的機器經濟因素包括風力供應的可靠性、機器的可靠性和維護成本以及電力生產關稅的差異。
Enercon公司開創了一系列無齒輪直驅式風力渦輪發電機，其額定發電量現在可達到4.5MW。在這種設計中，將轉子直接裝在發電機上，就可將傳動輪系軸承的數量減少到只有兩個低速旋轉部件。問題在于如何在低轉速時產生足夠的電力，以及如何用最好的方法將其轉換為電網頻率。Enercon公司解決發電機問題的方法是使用一個有大量電極的電激同步發電機，例如該公司的E-40機型600kW風力渦輪發電機中的直徑為4.8m的84極電激勵同步發電機。在這里，轉子的速度從18rpm~34 rpm不等，掃過面積為1521m2。由于在工業變頻驅動設計領域深厚的功底，Enercon公司采用自己的電子電路。與之相比，Zephyros公司剛推出的 Z72型2MW風力渦輪發電機雖然同樣具有直驅發電機，但卻采用ABB公司的改進型ACS 1000變速電動機傳動控制器。一個驅動軸軸承支承也是由ABB公司制造的永磁發電機。Zyphyros公司在列舉發電機損耗降低、部分負載效率出色、故障機率較低等優點時，突出了永磁發電機的好處。永磁發電機的不足之處是它因使用高導磁率的磁性材料(如釹鐵硼和釤鈷)而成本很高。永磁發電機的另一個缺點是功率因數特性差，必須由變頻電路來進行補償。
但許多專家認為，永磁發電機是發展方向，對大型直驅設計來說尤其是這樣。英國NaREC(新能源與再生能源中心)的電氣技術專家Adrian Wilson說,這種方法是當今一個以減輕重量為主要目標的研究項目的核心。由于風力渦輪發電機理論上電力輸出是按它獲得的空氣體積的三次方增加的，所以結構件也會成比例地增加重量。Wilson說，現在的設計方法不能簡單地按比例增大到10MW量級——更不用說未來需要的20MW或30MW，所以他所在的部門正在調查一種可節省齒輪箱質量的直驅設計。這種方法同樣也需要一個大直徑的發電機。在該項目涉及到的尺度上，有一種可能違背常規的方法，即采用自行車輪似的結構，其輻條支持發電機的電極對。電網輸出連接需要一條滿功率的交流-直流-交流變頻器鏈路，而變頻器鏈路則需要多個并行的變頻器。
IGBT取代可控硅
風力渦輪發電機所需的功率半導體器件是從事微電子學的人所不熟悉的。你要考慮的不是亞微米線寬，而是一個單器件模塊占用的歐洲標準印制板面積(從34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)。這樣的器件可在數千伏電壓下承受千安培級的電流，而且在過去幾十年內，這一技術的進步是對風力渦輪發電機發展的最大貢獻。在Growian時代，可控硅技術可應付大功率應用，但傳導損耗很大，并且轉換時間的性能很差，常常在100ms范圍內。相應地，變頻器級采用6個階躍或12個階躍的波形近似一個正弦波的能量分布，從而產生特別強的奇次諧波，如五次諧波和十一次諧波。這些局限導致人們需要使用諧波頻率濾波器。
用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)代替Growian的第一代可控硅，就可使用脈寬調制(PWM)來克服不良的諧波性能。該技術也使實際功率和無功功率的控制更為方便。盡管傳統的可控硅很耐用，當今的可控硅，如三菱公司的FT1500AU-240可以在12kV電壓下開關1.5kA電流，開關時間為15ms，但當傳導電流超過維持電流值時，傳統的可控硅是不可能關斷的。GTO(柵極可關斷)可控硅(如三菱公司的FG6000AU-120D)可連續提供6 kV的電壓和1.5kA的電流，并可在30ms內實現關斷控制，但它們難以驅動。更糟的是，所有的可控硅都很難并聯使用，而要達到風力渦輪發電機所需的功率水平，并聯使用常常是不可或缺的。
大功率IGBT既有MOSFET的容易驅動和電流共享特性，又有1ms的開關時間。雖然轉換線路頻率所需的PWM頻率很低，僅為幾千赫茲，但這種快速切換在IGBT穿越線性工作區時可減小傳導損耗。諸如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，其導通時間不到1ms，關斷時間小于6ms，可以在6kV電壓下控制1.2kA電流；諸如該公司的FZ3600R12KE3等低電壓器件，可以在1.2kV電壓下開關3.6kA電流。因此，IGBT可用于大功率變頻器和軟起動控制器。專業生產大功率半導體器件的其他公司包括ABB公司、Dynex公司、富士通電子公司、Powerex公司和Semikron公司。
Gamesa E條ica公司的風力渦輪發電機系列具有660kW ~ 2MW輸出功率范圍，廣泛采用IGBT技術來實現變速控制和變頻控制。可變傾斜角轉子輪葉控制允許進行連續調整來獲取最高的功率，并可耦合到其發電機速度范圍為900rpm~1900rpm的一個DFIG系統。這種控制技術可將峰值、閃爍以及諧波都降低到最低程度，從而方便連網許可問題。矢量控制系統可產生或消耗無功能量，對功率系數進行精密調整，使電網電壓穩定性得到提高。Gamesa E條ica公司的功率電路還使自己的渦輪機能在電網中其他地方發生斷電時保持在線操作。從經濟上說，這些問題在西班牙是至關重要的，因為西班牙對高質量的電網連接要征收額外關稅的。
法國Cegele公司主管風能部門的Ivan Novikoff指出，風力渦輪發電機及其技術的選擇主要取決于當地基礎設施的位置和特性。Novikoff說，電纜敷設、起動時的起動電流和短路電流等問題都取決于系統結構。該公司在為已知用途的風力渦輪發電機制定規范時，都要考慮許多次要而又必須考慮的問題，從允許的轉子高度、噪聲輻射，到制造商的現場服務質量，不一而足。Novikoff解釋說，從投資者的觀點來看，要考慮的機器經濟因素包括風力供應的可靠性、機器的可靠性和維護成本以及電力生產關稅的差異。
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