直面风力发电设计挑战

并网同步晶闸管选择

不少风电系统还在使用晶闸管实现逆变器输出交流电与电网交流电的同步。由于电网交流电的频率并不高，因此我们一般选择相位控制晶闸管而不是快速开关晶闸管。

Bradley Green表示：“晶闸管的设计简单地对应工作的频率。今天，快速开关晶闸管主要用于5-10KHz应用，针对50到100Hz应用的相位控制晶闸管具有更好的电流浪涌额度，这常常比更高的开关速度更吸引人。”

Westcode 目前已针对大功率风电应用开发出新的6500V相位控制晶闸管。针对低正向传导损耗进行优化设计的该新器件，具有1695A的标称RMS额定电流和 10.5kA的浪涌电流额定值。该晶闸管采用47毫米极面密封压接封装，使用了Westcode先进无合金工艺。

当与相同电压级别的类似器件比较时，为得到非常低的导通态电压而优化设计的该相位控制晶闸管在1000A电流流过时的正向压降只有2V。

防雷元件选择

安装在野外的风力发电系统必须安装防雷系统。雷击会产生瞬间的过电压，即在微秒至毫秒内会产生高达 6KV伏的尖峰冲击电压。当雷击发生时，强大的电流会通过各种途径间接或直接地侵入机房设备使其损坏。据测定雷电电流可达20万安培，既使是造成直接危害的二次感应电流也达l万安培。因此风力发电系统必须采用合适的防过压和过流元件来抵抗雷电的冲击。

风力发电系统需要进行不同等级防雷保护的基本组件有：风力涡轮机、逆变器、控制风力涡轮机叶片间距和方位的电机、以及用于监测和控制的低电压电路板。

Littelfuse 公司业务和技术开发经理Jim Colby指出：“风力涡轮机遭受雷击的风险很高，因此需要可靠的防雷保护。这可以采用能抵抗几千安培浪涌电流冲击的金属氧化物压敏电阻(MOV)来达到保护目的。这些MOV可以制造成34毫米或更大的盘，从而可以耗散大量浪涌能量。”

理论上，可以采用两类过压保护元件(即钳位元件和开关元件)为风电应用提供过压保护。钳位元件有MOV和TVS二极管，它们可在工作时允许小于规定钳位水平的电压通过负载。开关元件主要有气体放电管(GDT)和晶闸管浪涌电压抑制器，它们对超过突破电压的浪涌所作出的反应与分流元件相同。

开关元件相对于钳位元件的优势是，在动作状态下，当它把有害浪涌电流导出负载时，出现在负载上的电压极小；而钳位元件仍保持钳位电压。因此，开关元件中耗散的功率远远低于钳位元件。因此，Tyco电子认为，第一级防雷元件最好选择GDT，第二级防雷元件最好选择晶闸管浪涌电压抑制器。过流保护最好采用可复位的PolySwitch元件，与一次性熔断器相比，它可避免经常更换器件的麻烦，从而可大幅降低维护成本。

逆变器的AC端直接连到电网，因此它曝露于电网传导的雷击危险之下。Jim表示，它的雷击防护可采用中等级别的MOV，它们可以是14mm或20mm的盘。

用于叶片间距或方位控制电机由二级电源电路控制，它们受到的雷击浪涌电流比较有限，因此可采用抗浪涌额定电流小一些的抑制元件。如果采用MOV，那么它们可以是7mm或10mm大小的盘。此处也可以采用轴向引线封装或表面封装的TVS二极管，它们的额定功率值在1000W到3000W之间。

连接以上这些不同功率元件的是低电压控制和监测电路，它们通常是像RS-232或RS-485的低速电路。它们面对的电气威胁是低级别的浪涌电流和ESD。它们的保护可采用分立的TVS二极管(400W或600W)或硅保护阵列。

总的来说，所有的电源和控制组件在设计时都应该确保：像雷击和ESD这样的电气威胁通过抑制元件得到钳位和耗散，以确保系统有一个长和可靠的工作寿命。