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直面风力发电设计挑战

2013年04月25日 ?? 收藏0
风电是目前大力倾斜支持的绿色能源之一,西至青海新疆山区几百兆瓦级别的大型风电场,东至上海洋山港东海大桥大型海上风电场,南至深圳和汕头几千瓦级别的小功率风力发电机,中.国各地蓬勃发展的风电市场即将为海内外半导体供应商和系统集成商带来一个巨大的发展机遇。

中国风能储量很大、分布面广,仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦,开发利用潜力巨大。目前中.国已成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。中.国风力发电行业的发展前景十分广阔,预计未来很长一段时间都将保持高速发展,同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。随着中.国风力发电机的国产化和发电的规模化,风电成本可望再降,因此风电开始成为越来越多投资者的淘金之地。风力发电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点,市场前景十分看好。

预计中.国2009年风电行业的利润总额仍将保持高速增长,预计2010、2011年增速会稍有回落,但增长速度也将达到60%以上。2010年中.国累计风电装机容量有望突破2000万千瓦,提前实现2020年的规划目标。

英飞凌科技(中.国)有限公司家电及工业功率器件市场经理陈子颖表示:“在中国目前的风电市场上,主流风机功率是1.5MW和2.0MW,但也正在向更高的功率发展,如2.5到3.6MW功率风机已有商业化运行(上海东海大桥的海上风电功率达到3.6MW)。”

IXYS公司全球销售副总裁Bradley Green也说:“目前安装的1到1.5MW风机将会被改进,或被更新的技术(如2.5到4MW的风机)所替代。这么做的优势是,设计师无需寻找更多的新的风力涡轮发电机安装地点,而可从每个现有风力涡轮发电机安装地点产生更多的电力。”

由于风能是一种非常不稳定的能源,风机输出的电压、频率和功率都很不稳定,因此不做处理不能直接输入电网。陈子颖表示,以比较容易理解的直驱为例,风机的叶片带动发电机旋转,风力发电机发出的频率往往不到电网频率的一半,因此肯定不能直接挂到电网上,需要用逆变器重新产生一稳频稳压的交流电,而这就需要用到高压大电流的IGBT模块。

一般来说,一个能实现与现有国家电网并网的大型风力发电场通常主要由以下几个部分组成:风力涡轮机、整流器、逆变器、控制器、晶闸管、同步器、防雷装置、变压器、风机管理和风机远程监控系统。

不过,随着新一代的逆变器能够自动与电网实现同步,因此很多现代风电系统在逆变器之后都不需要再加同步器和晶闸管。例如,陈子颖说:“现在的逆变器本身就是一个可并网的逆变器,其电压、电流和相位都是可控的,因此不再需要同步器和晶闸管。”

英飞凌工业功率器件市场经理陈子颖说:“现代逆变器本身就是可并网的,因此不再需要同步器和晶闸管。”

由于风电场一般都建于自然环境极其恶劣的野外,为尽可能地降低维护成本,通常对系统可靠性要求非常高。一般来说,位于最前端的风力涡轮机是影响系统可靠性的最关键设备,它的电机控制系统必须在任何风力情况下保持匀速转动和自动根据风向调整叶片的方位,而且要在风雨雷电沙尘的各种气候条件下长时间保持正常工作状态。目前丹麦的Vestas公司是世界风机市场的领先供应商。

整流器用于将风力涡轮机发出的交流电转换成直流电,以尽可能地降低电能在传输过程中的损失。在靠近电网端,逆变器再将整流器过来的直流电能转变成电网采用的正弦电波,然后通过晶闸管和同步器确保生成的交流电与电网同步并将此正弦波交流电并到电网上。

逆变器通常由IGBT模块、续流二极管、IGBT栅极驱动器、驱动保护、滤波电容、散热器、隔离器和MCU构成。目前中.国能提供逆变器整机的主要供应商有:深圳安德森电子、上海力友电气、北京绿洲协力新能源、北京怡蔚、广州邮科电源和上海正川。

大功率风电应用要求能承受上千安培电流和几千伏高压的大功率IGBT器件或模块,而且要求它们必须具备很高的可靠性,目前能提供这类产品的供应商并不多,主要有:IXYS、Infineon、ST、BYD和富士电机。

防雷装置一般为防过压冲击的气体放电管(GDT)、晶闸管、TVS二极管或金属氧化物变阻器(MOV),以及防过流冲击的可恢复PolySwitch器件或一次性熔断器。目前市场上主要的防雷器件供应商有:Tyco电子、Littelfuse、ST和君耀电子。

在逆变器和电网之间一般都需要加变压器,因为电网电压一般高达几万伏,这么高的电压逆变器是做不到的,因此需要大型变压器进行升压。

对于由几百台风机组成的大型风力发电场来说,风场的信息化管理和风机远程监控必不可少。在这样的系统中需要对现场运行设备进行实时监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节、以及各类信号报警等各项功能。一般来说,各种采集信号及控制信号通过工业以太网和现场总线汇集到工控机中(如研华工控机UNO-2170),然后再通过另外一个以太网口将数据传送到风能检测服务器当中。工控机充当数据网关的作用。

直面风力发电设计挑战

风力发电系统通常安装在带有灰尘和大风的恶劣环境中。在这样的环境中,使用一台有风扇的PC为主机平台将会导致风扇和系统故障,因此必须采用可靠性很高的工控机。

此外,由于每台风力涡轮机的工作环境都非常恶劣,昼夜温差大,风沙严重,因此需要管理型宽温工业以太网交换机进行网络支持。风电应用对网络交换机的要求主要有以下四点:1)工作温度范围从-45到75℃;2)电机控制系统电磁环境恶劣,需要工业交换机具有较强的抗电磁干扰能力、较长时间的平均无故障时间;3)为了保障通信的可靠性,要求建立冗余的环网,具有较小的自愈时间。通信网络出故障时,能够平滑的切换到冗余备份线路;4)为了保证远程监控的数据的安全性,交换机需要有全面的网络安全设置。

直面风力发电设计挑战

近期国内一大型风机整机制造企业经过全面的考察后,最终选择了研华的EKI-6554SI和EKI-4654R作为风场管理系统以及风机远程监控系统网络架构交换机主干设备。

每个风机的塔基处安装一台研华的管理型冗余交换机EKI-7554SI,通过单模光纤连接构成一个冗余环网。同时监控中心内.部每个环网的EKI-7554SI通过电口连接到研华24口网管型冗余千兆以太网交换机EKI-4654R。监控中心内.部服务器,工程师站通过EKI-4654R构成局域网系统。

EKI-4654R具有如下优越特性:1)快速冗余。可以组成快速的冗余网络,使用研华独创的X-Ring协议,具有超快小于10毫秒的自愈时间。2)抗强扰,适用于严苛环境。可以工作在严酷的电磁环境中,并且在数据口防雷、快速脉冲群,静电等都有较高的防护等级。3)安装方式更加灵活,支持导轨式安装、面板式安装,堆叠式安装和机柜安装等多种方式。4)安全优势,采取虚拟局域网技术、IP/MAC与端口绑定、流量控制功能、访问控制列表技术、IEEE802.1x身份验证机制、QoS机制和系统日志等措施来保证工业网络的万无一失。

大功率整流元件选择

如前所述,我们必须先在塔顶将风机产生的不稳定交流电转换成直流电。这一整流用元件既可用大功率整流二极管,也可用晶闸管和IGBT。目前市面上大功率二极管和晶闸管供应商主要有:IXYS、英飞凌和ST。

英飞凌看好IGBT。陈子颖表示:“风机输出是电压和频率都不稳定的交流电,它需要整流后才能送去逆变。随着IGBT技术的发展,目前风电整流主要采用IGBT可控整流来实现。”

英飞凌IGBT芯片采用了沟槽栅场终止技术,损耗低,电流密度高,适合并联使用。这些是设计大功率整流器的基础。选择大电流IGBT模块(如2400A/3600A IGBT模块)可以把系统功率密度做得高一些,否则需要更多IGBT并联,甚至整流器并联。

风电整流器可以采用多种IGBT解决方案,如大电流IGBT模块 IHM,其最大电流可达3600A/1700V。在EconoPack+和EconoDUAL3封装中有450A/1700V不同电路结构的模块,在这些封装中都有适用于风电的第.四.代IGBT4的产品。陈子颖指出:“新的模块封装形式(如PrimePack)也成了风电整流器市场的新宠,这些新技术的应用会使得风电变流器的可靠性,寿命会大大提高,成本也会降低。”

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