如何提高小型風力發電機逆變器和蓄電池的可靠性與壽命

吳明亮

摘要: 本文提出了采用合理的電路拓撲結構、性能良好的功率開關器件、合適的驅動電路和外圍隔離電路、可靠的外圍保護等措施來提高小型風力發電機逆變器的可靠性與壽命,以及采用高穩定性的控制器、合理匹配容量、避免蓄電池嚴重虧電運行、設置過充與過放保護等措施來提高小型風力發電機蓄電池的可靠性與壽命。

關鍵詞: 小型風力發電機逆變器蓄電池可靠性壽命

一、概述

小型風力發電機一般是指10千瓦級及以下的發電機,其年平均風速大約為3米/秒以上即可使用,在全國范圍內可以發展小型風力發電機的地區約占全國陸地總面積的40%以上。常規的小型風力發電機組多由感應發電機或永磁同步發電機加AC/DC變換器、蓄電池、逆變器組成。運行實踐證明,國內外用戶對機組除造型美觀、設計匹配合理外,對機組的壽命與可靠性提出了更高要求,本文就提高小型風力發電機逆變器和蓄電池的可靠性與壽命作如下探討。

風力發電機的控制器將發電機發出的交流電整流后充入蓄電池組,逆變器將蓄電池組輸出的直流電轉換成220V交流供電器用。逆變器是在電力變換過程中經常使用到的一種電力電子裝置,它的主要作用就是將蓄電池存儲的或由整流橋輸出的直流電轉變為負載所能使用的交流電。蓄電池是一種儲能設備。

二、提高小型風力發電機逆變器的可靠性與壽命的措施

逆變器是風力發電系統的關鍵部件,對逆變器的要求很高。運行情況表明,風力發電機的逆變器所要著重解決的是可靠性與壽命問題,而不是技術性能指標,為了提高小型風力發電機逆變器的可靠性與壽命,現提出如下措施。

1.采用合理的電路拓撲結構

小型風力發電系統,一般使用環境比較惡劣,技術條件相對薄弱。因此所選拓撲結構必須穩定可靠,技術相對比較成熟;拓撲結構也必須具有成本低、效率高的特點。

對于獨立運行小型風電系統的逆變器多數為電壓型單相橋式逆變器,如圖1所示,該結構的逆變器,只要采用性能可靠的電力電子器件,運行就會安全可靠。

圖1單相全橋逆變器

對于并網的風力發電機目前,可以采用新的拓撲結構,如專利權歸屬SMA的H5逆變橋技術,H5逆變橋技術拓撲結構簡如圖2所示:該拓撲是由德國SMA有限公司提出且已在中國申請了技術專利。SMA公司的Sunny Mini Central系列并網逆變器采用該拓撲結構,其最高效率達到98.1%,歐洲效率達到97.7%。該結構在并網的風力發電機的應用中能夠有效減小漏電流,實現高效率、低成本、更高的安全可靠性。

圖2H5逆變橋技術拓撲結構

2.采用性能良好的功率開關器件——智能功率模塊

嚴格的元器件篩選,對于元器件的參數設定與選型一樣會影響到產品的可靠性,逆變電路中,可以采用的功率開關器件是普通晶閘管、門極關斷晶閘管、功率晶體管、功率場效應晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、智能功率模塊等。

圖3IPM內部功能框圖

而智能功率模塊IPM(Intelligent Power Module的縮寫)是一種先進的功率開關器件,其內部功能框圖如圖3所示,具有GTR(大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優點,以及MOSFET(場效應晶體管)高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優點,而且IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路,使用起來方便,不僅減小了系統的體積,縮短了開發時間,而且大大增強了系統的可靠性,在電力電子領域得到了越來越廣泛的應用。

IPM根據內部功率電路配置的不同可分為四類:H型(內部封裝一個IGBT)、D型(內部封裝兩個IGBT)、C型(內部封裝六個IGBT)和R型(內部封裝七個IGBT)。小功率的IPM使用多層環氧絕緣系統,中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。

IPM內置的驅動和保護電路使系統硬件電路簡單、可靠,縮短了系統開發時間,也提高了故障下的自保護能力。與普通的IGBT模塊相比,IPM在系統性能及可靠性方面都有進一步的提高。保護電路可以實現控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護。

3.設置合適的驅動電路和外圍隔離電路

IPM的外部驅動電路是IPM內部電路和控制電路之間的接口,良好的外部驅動電路對以IPM構成的系統的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。

由于IPM內置了驅動電路,與IGBT驅動電路設計相比,外圍驅動電路的設計只需要能提供15V直流電壓即可。而IPM對驅動電路輸出電壓的要求很嚴格,可采用三菱公司為IPM系列產品專門配置的電壓變換模塊。

IPM內部電路不含防止干擾的信號隔離電路,為了保證IPM安全可靠。需要自己設計外圍隔離電路,如采用高速光耦合器,IPM的控制信號和故障輸出信號通過光耦傳輸。

4.設置可靠的外圍保護

雖然IPM內部可以實現欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護,但完善的系統保護不能只依靠IPM的內部保護功能,需要配備外圍的保護電路,這既可以通過硬件的方式實現,又可以通過軟件的方式實現,但都是利用IPM故障輸出信號封鎖IPM的控制信號通道,因而彌補了IPM自身保護的不足,有效地保護了器件。同時風機安裝地點還需要設置防雷保護,一般風力發電機在安裝地點安裝避雷針作為防雷保護。

三、提高小型風力發電機蓄電池的可靠性與壽命的措施

1.采用高穩定性的控制器

風力發電控制器是對風力發電機所發的電能進行調節和控制,一方面把調整后的能量送往直流負載或交流負載,另一方面把多余的能量按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進行充電,當所發的電不能滿足負載需要時,控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電后,控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時,控制器要控制蓄電池不被過放電,保護蓄電池,一般可以采用以單片機為核心的控制電路。常用蓄電池一般壽命在2~3年,采用高穩定性控制器,其壽命可達到5~8年。

2.合理匹配容量

目前,小型風力發電機與蓄電池容量一般都是按照輸入和輸出相等或輸入大于輸出的原則進行匹配的,即100W風力發電機匹配120Ah蓄電池;若蓄電池容量過大時,風力發電機發出的能量不能保證及時地給蓄電池充足電,導致蓄電池經常處于虧電狀態,縮短蓄電池使用壽命;若蓄電池容量過小時,則會使蓄電池經常處于過充電狀態,蓄電池長期過充電將會使蓄電池早期損壞,縮短使用壽命。因此合理匹配小型風力發電機與蓄電池容量是非常重要的。

3.避免蓄電池嚴重虧電運行

當蓄電池電壓低于額定電壓90%時,盡量不要使用,當無風或小風持續時間較長時,蓄電池達不到額定電壓應停止使用,因小電流深度放電最易使極板硫化,造成蓄電池損壞。避免蓄電池在嚴重虧電狀態下工作,以達到延長蓄電池的使用壽命的目的。

4.設置過充與過放保護

蓄電池需要設置過充與過放保護以提高蓄電池的壽命。過充保護:當風速持續較高,蓄電池充電很足,蓄電池組電壓超過額定電壓1.25倍時,控制器停止向蓄電池充電,多余的電流流向卸荷器;過放保護:當風速長期較低,蓄電池充電不足,蓄電池組電壓低于額定電壓0.85倍時,逆變器停止工作,不再向外供電。當風速再增高,蓄電池組電壓恢復到額定電壓的1.1倍時,逆變器自動恢復工作、向外供電。

5.加強日常保養與維護

若采用普通蓄電池,需經常檢查液面高度,保持液面高于極板10至15mm,低于此值加注蒸餾水;及時消除蓄電池極樁的氧化物,極樁與導線夾固定后應涂一層凡士林,以減少放電損失;保持蓄電池清潔干燥,嚴禁在其上方放置雜物或其他物體,以免造成蓄電池短路或嚴重自行放電。

總之,筆者認為,采用上述措施,能夠提高小型風力發電機逆變器和蓄電池的可靠性與壽命,從而提高小型風力發電機整體的安全性、穩定性、可靠性。

參考文獻:

[1]中國電工技術學會電力電子學會第十一屆學術年會論文《單相非隔離型光伏并網逆變器中共模電流抑制的研究》合肥工業大學電氣工程學院孫龍林、張興等.

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[6]http://baike.baidu.com/view/3093660.htm.