采用电力电子技术的风力发电设备正在世界各地逐步被采用,特别是在亚洲一些国家和美国,海上风力发电正扮演着越来越重要的角色。但是,如果发电系统没有适当匹配的组件,也提高不了发电效率。SKiiP®智能功率模块为风力发电机组而进行了优化。对于组件和应用来说就是:更大的电流、并联运行以及更有效的冷却。

　　全球已装机的具有电子控制系统的风力发电机组中,大约有80%采用用逆变器控制转子电流的双馈异步电机。这种电机的主要优点是:只被设计为风力发电单元额定输出功率的20%,因为80%的功率在定子绕组中产生,定子直接连接到电网。然而,唯一的缺陷是滑环接触和间接控制(系统)维护费用高。在电网受到干扰时,需要非常大的转子电流在恶劣的环境下保持电网稳定。

　　可再生能源是常规能源的补充,事实上也正试图取代常规能源,其主要原因是技术的进步。特别是在对能源需求很迫切的国家,近年来出现了35km2大小的风力发电场。为了保证电网的稳定性,在电网电压骤降的情况下对于无功电源和电网稳定性的要求也变得越来越严格。基于这个原因,当安装新的风力发电机组时,越来越多地使用带有全功率转换器的同步或异步发电机,因为它们在电网停电时可以支撑电网。该转换器直接可控,提供与50或60Hz电网频率最佳的同步,既可以补偿谐波无功功率,又可以产生无功补偿。此外,同步发电机可配有许多极(>50),使驱动器部分的齿轮显得多余。过去,这些齿轮是最常见的故障原因。

　　在各种电源系统所用的逆变器中,考虑到经济因素以及为了实现最佳的效率,经常使用额定电压为690V的逆变器。在通常情况下由阻断电压为1700V的IGBT组成的功率转换器用于与20kV电网进行功率调整的变压器。很少使用更为昂贵的3.3kV模块,因为系统需要变压器,从而使得整个解决方案过于昂贵。

　　1 采用更大功率和更多的电力电子器件

　　风力发电机的功率范围设计得越来越大,虽然对于输出功率来说位置是最重要的因素。陆上风力发电机中,3MW发电机组已被证明是最经济的,与此同时输出功率为5MW或更高的海上风电场则是更好的解决方案。如果两种类型的风力发电机组-双馈异步电机和带有全功率转换器的同步/异步发电机都能够提供相同的输出,全功率转换器的功率必须高出5倍。而这又意味着需要5倍容量的电力电子器件。但是,必须考虑到双馈异步电机的输出频率低,通常只需要增大到3～3.5倍。

　　然而,电力电子技术不仅越来越普及,事实上,它们满足的要求也正不断地改变。由于在双馈异步电机中半导体在低温时的热度不同,必须采取保护机制才能够处理。组件必须满足不断变化的要求的原因是极端气候条件。例如,海上风力发电机受高湿度的影响,而位于美国德克萨斯州的风力发电机组则暴露在高温下。因此,使用的冷却系统必须采用不同的设计。因此,基于丰富的经验为各种应用开发冷却解决方案是重要的。

　　2 解决效率和过压问题

　　逆变器效率在98%～99%之间。一个6MW的全功率转换器由于效率问题将损失约100kW。在冷却方面,这些紧凑型系统产生的热量是电子元件的主要问题。如果过冷,将导致在散热器上形成凝结。这是必须加以考虑的,特别是在高湿度地区。

　　另一项挑战是巨大电流换向时产生的过压。由于为500A或者更高电流而设计的模块已经向一个相对大的空间扩展,它们的杂散电感是不容忽视的。为了应对这两个问题,不仅需要一个智能的、考虑周全的冷却概念,还需要最佳的直流环节设计。需要能够帮助充分利用风力发电的专业知识、经验和经过优化的专用模块,以满足风力发电机组运营者的需求。

　　截止2009年底,全球安装的风力发电机组总输出功率为122GW,其中57GW采用了赛米控开发的方案。

　　3 设计和封装技术的改进

　　紧凑型设计中的高可靠性和使用寿命长是风力发电机的首要任务,特别是因为系统维护费用昂贵且复杂,会导致经济损失,因为停机时无法产生电能从而没有收益。风力发电单元(WPU)20年的最短使用寿命归结于SKiiP®模块及其可靠的高品质封装技术。这是一个重要的优点,特别是考虑到海上风电场增加这一趋势。

　　4 加大全功率转换器是大势所趋

　　采用电力电子技术的风力发电机在世界各地越来越普及。例如,中国和美国大量依靠风力发电以满足日益增长的能源需求。在提供有吸引力的能源补贴计划的国家中,可以看出风力发电机组数量明显增加。

　　另一个明显的趋势是摆脱双馈异步电机,转向全功率转换器,因为后者更容易让运营者的要求得到满足,电网质量得到提高。