采用電力電子技術的風力發(fā)電設備正在世界各地逐步被采用,特別是在亞洲一些國家和美國,海上風力發(fā)電正扮演著越來越重要的角色。但是,如果發(fā)電系統沒有適當匹配的組件,也提高不了發(fā)電效率。SKiiP®智能功率模塊為風力發(fā)電機組而進行了優(yōu)化。對于組件和應用來說就是:更大的電流、并聯運行以及更有效的冷卻。

　　全球已裝機的具有電子控制系統的風力發(fā)電機組中,大約有80%采用用逆變器控制轉子電流的雙饋異步電機。這種電機的主要優(yōu)點是:只被設計為風力發(fā)電單元額定輸出功率的20%,因為80%的功率在定子繞組中產生,定子直接連接到電網。然而,唯一的缺陷是滑環(huán)接觸和間接控制(系統)維護費用高。在電網受到干擾時,需要非常大的轉子電流在惡劣的環(huán)境下保持電網穩(wěn)定。

　　可再生能源是常規(guī)能源的補充,事實上也正試圖取代常規(guī)能源,其主要原因是技術的進步。特別是在對能源需求很迫切的國家,近年來出現了35km2大小的風力發(fā)電場。為了保證電網的穩(wěn)定性,在電網電壓驟降的情況下對于無功電源和電網穩(wěn)定性的要求也變得越來越嚴格�；�于這個原因,當安裝新的風力發(fā)電機組時,越來越多地使用帶有全功率轉換器的同步或異步發(fā)電機,因為它們在電網停電時可以支撐電網。該轉換器直接可控,提供與50或60Hz電網頻率最佳的同步,既可以補償諧波無功功率,又可以產生無功補償。此外,同步發(fā)電機可配有許多極(>50),使驅動器部分的齒輪顯得多余。過去,這些齒輪是最常見的故障原因。

　　在各種電源系統所用的逆變器中,考慮到經濟因素以及為了實現最佳的效率,經常使用額定電壓為690V的逆變器。在通常情況下由阻斷電壓為1700V的IGBT組成的功率轉換器用于與20kV電網進行功率調整的變壓器。很少使用更為昂貴的3.3kV模塊,因為系統需要變壓器,從而使得整個解決方案過于昂貴。

　　1 采用更大功率和更多的電力電子器件

　　風力發(fā)電機的功率范圍設計得越來越大,雖然對于輸出功率來說位置是最重要的因素。陸上風力發(fā)電機中,3MW發(fā)電機組已被證明是最經濟的,與此同時輸出功率為5MW或更高的海上風電場則是更好的解決方案。如果兩種類型的風力發(fā)電機組-雙饋異步電機和帶有全功率轉換器的同步/異步發(fā)電機都能夠提供相同的輸出,全功率轉換器的功率必須高出5倍。而這又意味著需要5倍容量的電力電子器件。但是,必須考慮到雙饋異步電機的輸出頻率低,通常只需要增大到3～3.5倍。

　　然而,電力電子技術不僅越來越普及,事實上,它們滿足的要求也正不斷地改變。由于在雙饋異步電機中半導體在低溫時的熱度不同,必須采取保護機制才能夠處理。組件必須滿足不斷變化的要求的原因是極端氣候條件。例如,海上風力發(fā)電機受高濕度的影響,而位于美國德克薩斯州的風力發(fā)電機組則暴露在高溫下。因此,使用的冷卻系統必須采用不同的設計。因此,基于豐富的經驗為各種應用開發(fā)冷卻解決方案是重要的。

　　2 解決效率和過壓問題

　　逆變器效率在98%～99%之間。一個6MW的全功率轉換器由于效率問題將損失約100kW。在冷卻方面,這些緊湊型系統產生的熱量是電子元件的主要問題。如果過冷,將導致在散熱器上形成凝結。這是必須加以考慮的,特別是在高濕度地區(qū)。

　　另一項挑戰(zhàn)是巨大電流換向時產生的過壓。由于為500A或者更高電流而設計的模塊已經向一個相對大的空間擴展,它們的雜散電感是不容忽視的。為了應對這兩個問題,不僅需要一個智能的、考慮周全的冷卻概念,還需要最佳的直流環(huán)節(jié)設計。需要能夠幫助充分利用風力發(fā)電的專業(yè)知識、經驗和經過優(yōu)化的專用模塊,以滿足風力發(fā)電機組運營者的需求。

　　截止2009年底,全球安裝的風力發(fā)電機組總輸出功率為122GW,其中57GW采用了賽米控開發(fā)的方案。

　　3 設計和封裝技術的改進

　　緊湊型設計中的高可靠性和使用壽命長是風力發(fā)電機的首要任務,特別是因為系統維護費用昂貴且復雜,會導致經濟損失,因為停機時無法產生電能從而沒有收益。風力發(fā)電單元(WPU)20年的最短使用壽命歸結于SKiiP®模塊及其可靠的高品質封裝技術。這是一個重要的優(yōu)點,特別是考慮到海上風電場增加這一趨勢。

　　4 加大全功率轉換器是大勢所趨

　　采用電力電子技術的風力發(fā)電機在世界各地越來越普及。例如,中國和美國大量依靠風力發(fā)電以滿足日益增長的能源需求。在提供有吸引力的能源補貼計劃的國家中,可以看出風力發(fā)電機組數量明顯增加。

　　另一個明顯的趨勢是擺脫雙饋異步電機,轉向全功率轉換器,因為后者更容易讓運營者的要求得到滿足,電網質量得到提高。