用于風(fēng)電系統(tǒng)的關(guān)鍵元件

全世界使用風(fēng)能發(fā)電的系統(tǒng)數(shù)量正在增加。在2009年，全歐洲的風(fēng)電裝機(jī)容量是75GW，比2008年增加了10GW；在美國(guó)，風(fēng)電裝機(jī)容量是35GW，中國(guó)則是25GW，分別比2008年增長(zhǎng)了10GW和14GW。在全世界范圍內(nèi)，風(fēng)電裝機(jī)容量在2009年增加了38GW。全世界總計(jì)安裝了100 000臺(tái)風(fēng)輪機(jī)，能滿足全球能量需求的2%。到2010年底，風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到29GW，對(duì)應(yīng)增加了12 000臺(tái)風(fēng)輪機(jī)。

隨著對(duì)風(fēng)能的需求持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)符合風(fēng)輪機(jī)要求的元件的需求也在相應(yīng)增加。風(fēng)輪機(jī)中的現(xiàn)代功率電子技術(shù)不僅限制了元器件數(shù)量，并要求電路能在極端溫度和振動(dòng)的艱苦環(huán)境下保持20年的使用壽命。

在這篇文章中，我們將介紹用在風(fēng)輪機(jī)和電網(wǎng)中的“大”電阻和電容的功能，以及在這些應(yīng)用對(duì)器件的要求。電容的應(yīng)用包括了直流鏈、IGBT緩沖器和交流濾波器件。電阻應(yīng)用包括了在電容加壓時(shí)的限流、直流斬波、短路器觸發(fā)和電流測(cè)量。用在風(fēng)輪機(jī)控制電路中的小電容和電阻，不在本文討論范圍內(nèi)。

電阻
風(fēng)輪機(jī)中的電阻包括了預(yù)充、斬波、短路器和交流濾波電阻。預(yù)充電阻能限制浪涌電流在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)進(jìn)入直流鏈路電容。為了做到如此，該器件需要高單脈沖能量和高額定電壓。電阻的導(dǎo)抗也有助于限制浪涌電流。因此，繞線電阻是個(gè)最好的選擇。用于預(yù)充電阻的單脈沖能量通常為5J。

圖1 風(fēng)輪機(jī)中的電阻

當(dāng)斬波開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，斬波電阻限制了電流。斬波器通常以非常高的頻率來(lái)控制直流電壓。因此，電阻必須能耐高壓和具有高額定可重復(fù)性脈沖能量（相當(dāng)于高額定持續(xù)功率）。斬波電阻中必須有低寄生電感，因?yàn)橐ぷ髟谇Ш占?jí)別的高開(kāi)關(guān)頻率下，這可以由薄膜技術(shù)來(lái)獲得。在小體積中獲得高額定功率的需求，由可安裝在散熱器件中的電阻來(lái)滿足。這個(gè)電阻能和斬波開(kāi)關(guān)一樣被安裝在散熱系統(tǒng)中。

短路器電阻限制了電流和電壓，以防止低、高電壓通過(guò)。風(fēng)輪機(jī)應(yīng)用對(duì)該器件的要求包括了高達(dá)4MJ的能量脈沖容量，10～100mΩ的電阻，1～20mW的額定功率，最大額定電流為10～20kA，典型失效周期為200ms。

在RC濾波器中，交流濾波電阻和交流濾波電容一起使用；而交流濾波電阻同輸出變壓器中的感抗一起使用，可以組成RL濾波器。對(duì)于交流濾波器電容來(lái)說(shuō)，一個(gè)高的持續(xù)額定功率是必須的。波紋帶結(jié)構(gòu)增加了冷卻效果，繞線電阻器的感抗則對(duì)濾波效應(yīng)有所貢獻(xiàn)。

分流電阻器主要用于測(cè)量。其要求包括：800～900A的額定電流，0.1～0.6mΩ的阻抗，額定功率為500W，溫度系數(shù)為100×10-6/K。

電容
在風(fēng)輪機(jī)中的電容包括了直流鏈路、緩沖器和交流濾波電容。直流鏈路電容用于穩(wěn)定直流鏈路電壓。無(wú)論是金屬薄膜或是鋁電極，在風(fēng)輪機(jī)中的電感容量應(yīng)該為3300～4700μF，額定電壓為690～1000V。風(fēng)輪機(jī)中的薄膜電容有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：在介質(zhì)被電擊穿后的自恢復(fù)功能；不會(huì)因液體電極的損耗而影響壽命。

圖2  在風(fēng)輪機(jī)中的電容

鋁電解電容可以使用在直流鏈路電容器中。其優(yōu)點(diǎn)是具有比薄膜電容器更高的電容體積率和性價(jià)比。但是鋁電容的額定電壓是450V，因此該器件必須被當(dāng)作分壓器使用，這會(huì)降低C/V效率，并增加成本。其缺點(diǎn)是缺少防備介質(zhì)故障的自恢復(fù)機(jī)制，且電解液損耗會(huì)導(dǎo)致壽命有限。然而，鋁電解電容是在kW級(jí)別的小風(fēng)電系統(tǒng)的最好選擇。

緩沖器電容減少了在功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的電流和電壓尖峰，可以保護(hù)半導(dǎo)體和減少總損耗和EMI。風(fēng)輪機(jī)需要電容小于1μF的器件，額定電壓的范圍是1000～1200V。

交流濾波電容減少了行頻率中的諧波。其應(yīng)用要求為760V～24kV的電壓和50～800kVAr的功率。

當(dāng)從直流鏈路、緩沖器或交流濾波電容，以及預(yù)充電、斬波器或短路器電阻中為這些風(fēng)輪機(jī)選擇核心元件的時(shí)候，設(shè)計(jì)者不應(yīng)該僅僅尋找擁有所需特性的器件，還應(yīng)從牢靠的設(shè)計(jì)出發(fā)，以保證系統(tǒng)能在20年時(shí)間內(nèi)可靠地工作。