來自風力發電設計挑戰 直面以對

      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 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 5-10 KHz 應用，針對 50 ～ 100 Hz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 6500 V 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 1695 A 的標稱 RMS 額定電流和 10.5 kA 的浪涌電流額定值。該晶閘管采用 47 mm 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 1000 A 電流流過時的正向壓降只有 2 V。

      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 6 KV 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 mm 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。