适合小型风力发电系统电流和电压测量的微型化隔离放大器

适合小型风力发电系统电流和电压测量的微型化隔离放大器

摘要

 

搭配分流电阻，隔离放大器在具有高开关噪声的功率变换器中亦可提供精确的电流测量；当和电阻分压电路配套使用时，还可以作为精确的电压传感器。这些电流和电压信息可以提供给控制器进行计算和实施有效控制，帮助小型风力发电系统取得最佳的转换效率。具备高共模噪声抑制比、高隔离电压、内置安全绝缘以及超小尺寸等特性，微型化隔离放大器为小型风力发电涡轮机提供了一个理想的电流/电压检测方案。

 

介绍

 

作为最具前景的替代能源之一，风力发电不受金融危机和经济衰退的影响，预估会在未来5年以每年22.4%的速度持续增长[1]。大型风力发电场目前也已经开始扩展到离岸的深水区域，例如爱尔兰海的25MW Arklow海上风力发电场，以及可以提供420MW发电容量的美国第一个离岸风力发电场风角(Cape Wind)。

 

除了关注预计会在尺寸以及安装数量持续增长大型数MW风力涡轮机外，大部分功率逆变器制造商面对的市场商机大多在<100kW的小型风力涡轮机市场。虽然相对于太阳能发电，风力功率逆变器的市场较小，但却正在大幅增长。许多新的进展正在影响这个领域，包括风能建筑(Building Integrated Wind Energy, BIWE)，例如1kW的AVX 1000和60kW的WindCube?，以及垂直轴风力涡轮机的进一步发展，如UGE 10kW VAWT[2]。

 

聚焦小型风力涡轮机市场

 

美国小型风力涡轮机市场在2008年增长了78%，增加17.3MW的发电容量，相同时间全球的增长大约在53%和38.7MW，其中美国制造商占有2008年全球小型风力发电机销售的49%，持续保持着长期的主导地位[3]。

 

对于美国小型风力涡轮机的商用市场(21-100kW)，增长主要来自于更多的私人投资而增加的生产数量。而在占有市场份额最大的家用市场，则受到投资和批量生产所带来的成本降低所推动，家用电力价格的升高和大众对这项技术的更多了解也是市场增长的原因之一。

 

欧洲地区目前已经有超过40家主要位于德国和西班牙的制造商积极抢进小型风力发电市场，这些制造商生产功率容量低于1kW到数百kW的小型风力发电机。

 

小型风力发电系统

 

图一中的小型风力发电系统通常包含有风力涡轮机、发电机、交流─直流整流器、充电控制器和可充电电池模块、逆变器、配线以及支持整个系统的塔座，其中充电控制器和电池模块通常是必须的以符合远程离线风能系统的需求。

 

 

图一：小型风力发电系统的简化方块图。

效率是关键

 

由于风速变化特性的因素，许多风力发电方案都采用可变速度控制技术以期由风力取得最高能量并将涡轮驱动负载（turbine drive-train loads）降到最低。在这个产业中提出并讨论了许多不同的可变速度控制方法，共同目标就是效率优化[5, 6]。

 

除了风速控制部分外，逆变器也在风力发电系统的功率变换过程中扮演着非常关键的角色。以风力涡轮可变速度发电设备为例，逆变器是连接供电网并提供符合电力要求电源的基本设备，逆变器可以是商用的单相或工业用三项的分立零组件或模块，并通过数字信号处理器(DSP)控制来提供高效率能源转换。高效逆变系统需要对电力设备进行精密的时序控制和安全隔离，避免有害高电压开关瞬变损害控制器和危害操作人员。

 

以30kW的电力转换系统为例[6]，在连接供电网的风能系统上使用了简单的交流─直流─交流变换器以及模块化控制方式。图二是这个功率转换器的类似方块图，基于发电机输出的电压和频率会随着风速变化，因此使用一个直流─直流升压斩波电路来维持稳定的直流线路电压，输入的直流电流经过调节追随经过预先设定的优化电流参考，以便在涡轮系统的最大功率输出点运行。在和供电网的连接上，PWM信号通过ACPL-332J门极驱动[7]控制IGBT，通过对逆变器直流电压的调节提供电流到电力线上。

 

 

图二：使用交流─直流─交流变换器的小型风力涡轮系统方块图。

 

为了要达到优化的系统效率，图二以及其他参考文献[6, 8]中所描述的变换器显示必须把重要的电流和电压信息反馈给数字信号处理器(DSP)进行计算和有效控制。这些信息可能包括直流线路电流大小、发电机相位电流、逆变输出相位电流以及直流线路电压。这样的需求带来了电流和电压传感器的商机，这些传感器不仅需要具备足够的精确度和反应速度，而且需要以高性价比提供高开关噪声抑制比和安全绝缘能力。

 

利用隔离放大器测量电流和电压

 

虽然会有分流电阻功率损耗的缺点，具备高线性度、低成本和设计灵活等优势的分流电阻电流检测是进行电流测量一个经常使用的方法。随着更佳散热性能和更低阻值分流技术的发展，功率损耗可以通过降低分流信号的大小降到最低。

 

特别面向满足功率转换系统严格的要求设计，ACPL-C78A/C780/C784微型化隔离放大器可以接受±200mV的信号，非常适合接连基于分流方式的电流感应应用。通过选择适合的分流电阻大小便可进行由低于1A到超过100A广大范围的电流监测应用。

 

ACPL-C78X系列采用先进的sigma-delta模数转换技术和全差分方式实现1%的增益误差(ACPL-C78A)、0.004%的超低非线性，以及直流到100kHz宽广的带宽，请参考图三。采用延展型SSO-8封装供货，拥有8mm爬电距离和电气间隙，ACPL-C78X提供有稳固的电气隔离，并取得IEC/EN/DIN EN 60747-5-2的1140V工作电压安全认证、UL 1577规定的5kVrms/1min双重保护，以及15kV/μs的共模抑制能力[9]。

 

 

图三：ACPL-C78X系列增益频率响应图。

结论

 

虽然不同的市场条件让风力发电产业在每个地区都有不同的样貌，从欧洲地区成功实施电价保护制度到北美地区和亚洲所采用法规、补贴和税务优惠的组合，风能产业预料即将快速增长，虽然目前已经有许多让人眼睛一亮的数MW风力发电设备开始迈入离岸深水区，但功率逆变器的大部份商机还是在于小型的风力涡轮机市场。

 

ACPL-C78X微型化隔离放大器提供了典型小型风力发电设计取得优化效率所需的精确电流和电压测量，高开关噪声抑制能力和高绝缘电压可以带来平稳的逆变器工作以及控制器和操作人员的安全性。