適合小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電流和電壓測(cè)量的微型化隔離放大器.doc

適合小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電流和電壓測(cè)量的微型化隔離放大器安華高科技陳紅雷介紹作為最具前景的替代能源之一，風(fēng)力發(fā)電不受金融危機(jī)和經(jīng)濟(jì)衰退的影響，預(yù)估會(huì)在未來5年以每年22.4%的速度持續(xù)增長1。大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)目前也已經(jīng)開始擴(kuò)展到離岸的深水區(qū)域，例如愛爾蘭海的25MWArklow海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，以及可以提供420MW發(fā)電容量的美國第一個(gè)離岸風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)風(fēng)角(CapeWind)。除了關(guān)注預(yù)計(jì)會(huì)在尺寸以及安裝數(shù)量持續(xù)增長大型數(shù)MW風(fēng)力渦輪機(jī)外，大部分功率逆變器制造商面對(duì)的市場(chǎng)商機(jī)大多在100kW的小型風(fēng)力渦輪機(jī)市場(chǎng)。雖然相對(duì)于太陽能發(fā)電，風(fēng)力功率逆變器的市場(chǎng)較小，但卻正在大幅增長。許多新的進(jìn)展正在影響這個(gè)領(lǐng)域，包括風(fēng)能建筑(BuildingIntegratedWindEnergy,BIWE)，例如1kW的AVX1000和60kW的WindCube?，以及垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，如UGE10kWVAWT2。聚焦小型風(fēng)力渦輪機(jī)市場(chǎng)美國小型風(fēng)力渦輪機(jī)市場(chǎng)在2008年增長了78%，增加17.3MW的發(fā)電容量，相同時(shí)間全球的增長大約在53%和38.7MW，其中美國制造商占有2008年全球小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)銷售的49%，持續(xù)保持著長期的主導(dǎo)地位3。對(duì)于美國小型風(fēng)力渦輪機(jī)的商用市場(chǎng)(21-100kW)，增長主要來自于更多的私人投資而增加的生產(chǎn)數(shù)量。而在占有市場(chǎng)份額最大的家用市場(chǎng)，則受到投資和批量生產(chǎn)所帶來的成本降低所推動(dòng)，家用電力價(jià)格的升高和大眾對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的更多了解也是市場(chǎng)增長的原因之一。歐洲地區(qū)目前已經(jīng)有超過40家主要位于德國和西班牙的制造商積極搶進(jìn)小型風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)，這些制造商生產(chǎn)功率容量低于1kW到數(shù)百kW的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖一中的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常包含有風(fēng)力渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、交流直流整流器、充電控制器和可充電電池模塊、逆變器、配線以及支持整個(gè)系統(tǒng)的塔座，其中充電控制器和電池模塊通常是必須的以符合遠(yuǎn)程離線風(fēng)能系統(tǒng)的需求。圖一：小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的簡化方塊圖。效率是關(guān)鍵由于風(fēng)速變化特性的因素，許多風(fēng)力發(fā)電方案都采用可變速度控制技術(shù)以期由風(fēng)力取得最高能量并將渦輪驅(qū)動(dòng)負(fù)載（turbinedrive-trainloads）降到最低。在這個(gè)產(chǎn)業(yè)中提出并討論了許多不同的可變速度控制方法，共同目標(biāo)就是效率優(yōu)化5,6。除了風(fēng)速控制部分外，逆變器也在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換過程中扮演著非常關(guān)鍵的角色。以風(fēng)力渦輪可變速度發(fā)電設(shè)備為例，逆變器是連接供電網(wǎng)并提供符合電力要求電源的基本設(shè)備，逆變器可以是商用的單相或工業(yè)用三項(xiàng)的分立零組件或模塊，并通過數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制來提供高效率能源轉(zhuǎn)換。高效逆變系統(tǒng)需要對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行精密的時(shí)序控制和安全隔離，避免有害高電壓開關(guān)瞬變損害控制器和危害操作人員。以30kW的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為例6，在連接供電網(wǎng)的風(fēng)能系統(tǒng)上使用了簡單的交流直流交流變換器以及模塊化控制方式。圖二是這個(gè)功率轉(zhuǎn)換器的類似方塊圖，基于發(fā)電機(jī)輸出的電壓和頻率會(huì)隨著風(fēng)速變化，因此使用一個(gè)直流直流升壓斬波電路來維持穩(wěn)定的直流線路電壓，輸入的直流電流經(jīng)過調(diào)節(jié)追隨經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的優(yōu)化電流參考，以便在渦輪系統(tǒng)的最大功率輸出點(diǎn)運(yùn)行。在和供電網(wǎng)的連接上，PWM信號(hào)通過ACPL-332J門極驅(qū)動(dòng)7控制IGBT，通過對(duì)逆變器直流電壓的調(diào)節(jié)提供電流到電力線上。圖二：使用交流直流交流變換器的小型風(fēng)力渦輪系統(tǒng)方塊圖。為了要達(dá)到優(yōu)化的系統(tǒng)效率，圖二以及其他參考文獻(xiàn)6,8中所描述的變換器顯示必須把重要的電流和電壓信息反饋給數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)進(jìn)行計(jì)算和有效控制。這些信息可能包括直流線路電流大小、發(fā)電機(jī)相位電流、逆變輸出相