風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與半導(dǎo)體器件及控制系統(tǒng)
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發(fā)布日期：2022-12-09
中國柴油發(fā)電機(jī)組網(wǎng)行業(yè)資料——風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與半導(dǎo)體器件及控制系統(tǒng)
Enercon公司開創(chuàng)了一系列無齒輪直驅(qū)式風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，其額定發(fā)電量現(xiàn)在可達(dá)到4.5MW。在這種設(shè)計(jì)中，將轉(zhuǎn)子直接裝在發(fā)電機(jī)上，就可將傳動輪系軸承的數(shù)量減少到只有兩個低速旋轉(zhuǎn)部件。問題在于如何在低轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生足夠的電力，以及如何用最好的方法將其轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)頻率。Enercon公司解決發(fā)電機(jī)問題的方法是使用一個有大量電極的電激同步發(fā)電機(jī)，例如該公司的E-40機(jī)型600kW風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)中的直徑為4.8m的84極電激勵同步發(fā)電機(jī)。在這里，轉(zhuǎn)子的速度從18rpm~34 rpm不等，掃過面積為1521m2。由于在工業(yè)變頻驅(qū)動設(shè)計(jì)領(lǐng)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(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)雖然同樣具有直驅(qū)發(fā)電機(jī)，但卻采用ABB公司的改進(jìn)型ACS 1000變速電動機(jī)傳動控制器。一個驅(qū)動軸軸承支承也是由ABB公司制造的永磁發(fā)電機(jī)。Zyphyros公司在列舉發(fā)電機(jī)損耗降低、部分負(fù)載效率出色、故障機(jī)率較低等優(yōu)點(diǎn)時，突出了永磁發(fā)電機(jī)的好處。永磁發(fā)電機(jī)的不足之處是它因使用高導(dǎo)磁率的磁性材料(如釹鐵硼和釤鈷)而成本很高。永磁發(fā)電機(jī)的另一個缺點(diǎn)是功率因數(shù)特性差，必須由變頻電路來進(jìn)行補(bǔ)償。
但許多專家認(rèn)為，永磁發(fā)電機(jī)是發(fā)展方向，對大型直驅(qū)設(shè)計(jì)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(shù)專家Adrian Wilson說,這種方法是當(dāng)今一個以減輕重量為主要目標(biāo)的研究項(xiàng)目的核心。由于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)件也會成比例地增加重量。Wilson說，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)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(diào)查一種可節(jié)省齒輪箱質(zhì)量的直驅(qū)設(shè)計(jì)。這種方法同樣也需要一個大直徑的發(fā)電機(jī)。在該項(xiàng)目涉及到的尺度上，有一種可能違背常規(guī)的方法，即采用自行車輪似的結(jié)構(gòu)，其輻條支持發(fā)電機(jī)的電極對。電網(wǎng)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(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)所需的功率半導(dǎo)體器件是從事微電子學(xué)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(biāo)準(zhǔn)印制板面積(從34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)。這樣的器件可在數(shù)千伏電壓下承受千安培級的電流，而且在過去幾十年內(nèi)，這一技術(shù)的進(jìn)步是對風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)展的最大貢獻(xiàn)。在Growian時代，可控硅技術(shù)可應(yīng)付大功率應(yīng)用，但傳導(dǎo)損耗很大，并且轉(zhuǎn)換時間的性能很差，常常在100ms范圍內(nèi)。相應(yīng)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(chǎn)生特別強(qiáng)的奇次諧波，如五次諧波和十一次諧波。這些局限導(dǎo)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(diào)制(PWM)來克服不良的諧波性能。該技術(shù)也使實(shí)際功率和無功功率的控制更為方便。盡管傳統(tǒng)的可控硅很耐用，當(dāng)今的可控硅，如三菱公司的FT1500AU-240可以在12kV電壓下開關(guān)1.5kA電流，開關(guān)時間為15ms，但當(dāng)傳導(dǎo)電流超過維持電流值時，傳統(tǒng)的可控硅是不可能關(guān)斷的。GTO(柵極可關(guān)斷)可控硅(如三菱公司的FG6000AU-120D)可連續(xù)提供6 kV的電壓和1.5kA的電流，并可在30ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷控制，但它們難以驅(qū)動。更糟的是，所有的可控硅都很難并聯(lián)使用，而要達(dá)到風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)所需的功率水平，并聯(lián)使用常常是不可或缺的。
大功率IGBT既有MOSFET的容易驅(qū)動和電流共享特性，又有1ms的開關(guān)時間。雖然轉(zhuǎn)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(qū)時可減小傳導(dǎo)損耗。諸如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，其導(dǎo)通時間不到1ms，關(guān)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(guān)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(yè)生產(chǎn)大功率半導(dǎo)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(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)系列具有660kW ~ 2MW輸出功率范圍，廣泛采用IGBT技術(shù)來實(shí)現(xiàn)變速控制和變頻控制�？勺儍A斜角轉(zhuǎn)子輪葉控制允許進(jìn)行連續(xù)調(diào)整來獲取最高的功率，并可耦合到其發(fā)電機(jī)速度范圍為900rpm~1900rpm的一個DFIG系統(tǒng)。這種控制技術(shù)可將峰值、閃爍以及諧波都降低到最低程度，從而方便連網(wǎng)許可問題。矢量控制系統(tǒng)可產(chǎn)生或消耗無功能量，對功率系數(shù)進(jìn)行精密調(diào)整，使電網(wǎng)電壓穩(wěn)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(jī)能在電網(wǎng)中其他地方發(fā)生斷電時保持在線操作。從經(jīng)濟(jì)上說，這些問題在西班牙是至關(guān)重要的，因?yàn)槲靼嘌缹Ω哔|(zhì)量的電網(wǎng)連接要征收額外關(guān)稅的。
法國Cegele公司主管風(fēng)能部門的Ivan Novikoff指出，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)及其技術(shù)的選擇主要取決于當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施的位置和特性。Novikoff說，電纜敷設(shè)、起動時的起動電流和短路電流等問題都取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該公司在為已知用途的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)制定規(guī)范時，都要考慮許多次要而又必須考慮的問題，從允許的轉(zhuǎn)子高度、噪聲輻射，到制造商的現(xiàn)場服務(wù)質(zhì)量，不一而足。Novikoff解釋說，從投資者的觀點(diǎn)來看，要考慮的機(jī)器經(jīng)濟(jì)因素包括風(fēng)力供應(yīng)的可靠性、機(jī)器的可靠性和維護(hù)成本以及電力生產(chǎn)關(guān)稅的差異。
Enercon公司開創(chuàng)了一系列無齒輪直驅(qū)式風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，其額定發(fā)電量現(xiàn)在可達(dá)到4.5MW。在這種設(shè)計(jì)中，將轉(zhuǎn)子直接裝在發(fā)電機(jī)上，就可將傳動輪系軸承的數(shù)量減少到只有兩個低速旋轉(zhuǎn)部件。問題在于如何在低轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生足夠的電力，以及如何用最好的方法將其轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)頻率。Enercon公司解決發(fā)電機(jī)問題的方法是使用一個有大量電極的電激同步發(fā)電機(jī)，例如該公司的E-40機(jī)型600kW風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)中的直徑為4.8m的84極電激勵同步發(fā)電機(jī)。在這里，轉(zhuǎn)子的速度從18rpm~34 rpm不等，掃過面積為1521m2。由于在工業(yè)變頻驅(qū)動設(shè)計(jì)領(lǐng)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(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)雖然同樣具有直驅(qū)發(fā)電機(jī)，但卻采用ABB公司的改進(jìn)型ACS 1000變速電動機(jī)傳動控制器。一個驅(qū)動軸軸承支承也是由ABB公司制造的永磁發(fā)電機(jī)。Zyphyros公司在列舉發(fā)電機(jī)損耗降低、部分負(fù)載效率出色、故障機(jī)率較低等優(yōu)點(diǎn)時，突出了永磁發(fā)電機(jī)的好處。永磁發(fā)電機(jī)的不足之處是它因使用高導(dǎo)磁率的磁性材料(如釹鐵硼和釤鈷)而成本很高。永磁發(fā)電機(jī)的另一個缺點(diǎn)是功率因數(shù)特性差，必須由變頻電路來進(jìn)行補(bǔ)償。
但許多專家認(rèn)為，永磁發(fā)電機(jī)是發(fā)展方向，對大型直驅(qū)設(shè)計(jì)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(shù)專家Adrian Wilson說,這種方法是當(dāng)今一個以減輕重量為主要目標(biāo)的研究項(xiàng)目的核心。由于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)件也會成比例地增加重量。Wilson說，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)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(diào)查一種可節(jié)省齒輪箱質(zhì)量的直驅(qū)設(shè)計(jì)。這種方法同樣也需要一個大直徑的發(fā)電機(jī)。在該項(xiàng)目涉及到的尺度上，有一種可能違背常規(guī)的方法，即采用自行車輪似的結(jié)構(gòu)，其輻條支持發(fā)電機(jī)的電極對。電網(wǎng)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(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)所需的功率半導(dǎo)體器件是從事微電子學(xué)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(biāo)準(zhǔn)印制板面積(從34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)。這樣的器件可在數(shù)千伏電壓下承受千安培級的電流，而且在過去幾十年內(nèi)，這一技術(shù)的進(jìn)步是對風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)展的最大貢獻(xiàn)。在Growian時代，可控硅技術(shù)可應(yīng)付大功率應(yīng)用，但傳導(dǎo)損耗很大，并且轉(zhuǎn)換時間的性能很差，常常在100ms范圍內(nèi)。相應(yīng)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(chǎn)生特別強(qiáng)的奇次諧波，如五次諧波和十一次諧波。這些局限導(dǎo)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(diào)制(PWM)來克服不良的諧波性能。該技術(shù)也使實(shí)際功率和無功功率的控制更為方便。盡管傳統(tǒng)的可控硅很耐用，當(dāng)今的可控硅，如三菱公司的FT1500AU-240可以在12kV電壓下開關(guān)1.5kA電流，開關(guān)時間為15ms，但當(dāng)傳導(dǎo)電流超過維持電流值時，傳統(tǒng)的可控硅是不可能關(guān)斷的。GTO(柵極可關(guān)斷)可控硅(如三菱公司的FG6000AU-120D)可連續(xù)提供6 kV的電壓和1.5kA的電流，并可在30ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷控制，但它們難以驅(qū)動。更糟的是，所有的可控硅都很難并聯(lián)使用，而要達(dá)到風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)所需的功率水平，并聯(lián)使用常常是不可或缺的。
大功率IGBT既有MOSFET的容易驅(qū)動和電流共享特性，又有1ms的開關(guān)時間。雖然轉(zhuǎn)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(qū)時可減小傳導(dǎo)損耗。諸如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，其導(dǎo)通時間不到1ms，關(guān)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(guān)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(yè)生產(chǎn)大功率半導(dǎo)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(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)系列具有660kW ~ 2MW輸出功率范圍，廣泛采用IGBT技術(shù)來實(shí)現(xiàn)變速控制和變頻控制�？勺儍A斜角轉(zhuǎn)子輪葉控制允許進(jìn)行連續(xù)調(diào)整來獲取最高的功率，并可耦合到其發(fā)電機(jī)速度范圍為900rpm~1900rpm的一個DFIG系統(tǒng)。這種控制技術(shù)可將峰值、閃爍以及諧波都降低到最低程度，從而方便連網(wǎng)許可問題。矢量控制系統(tǒng)可產(chǎn)生或消耗無功能量，對功率系數(shù)進(jìn)行精密調(diào)整，使電網(wǎng)電壓穩(wěn)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(jī)能在電網(wǎng)中其他地方發(fā)生斷電時保持在線操作。從經(jīng)濟(jì)上說，這些問題在西班牙是至關(guān)重要的，因?yàn)槲靼嘌缹Ω哔|(zhì)量的電網(wǎng)連接要征收額外關(guān)稅的。
法國Cegele公司主管風(fēng)能部門的Ivan Novikoff指出，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)及其技術(shù)的選擇主要取決于當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施的位置和特性。Novikoff說，電纜敷設(shè)、起動時的起動電流和短路電流等問題都取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該公司在為已知用途的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)制定規(guī)范時，都要考慮許多次要而又必須考慮的問題，從允許的轉(zhuǎn)子高度、噪聲輻射，到制造商的現(xiàn)場服務(wù)質(zhì)量，不一而足。Novikoff解釋說，從投資者的觀點(diǎn)來看，要考慮的機(jī)器經(jīng)濟(jì)因素包括風(fēng)力供應(yīng)的可靠性、機(jī)器的可靠性和維護(hù)成本以及電力生產(chǎn)關(guān)稅的差異。
