小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電流和電壓測量微型化隔離放大器

　　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25MW Arklow海上風(fēng)力發(fā)電場，以及可以提供420MW發(fā)電容量的美國第一個離岸風(fēng)力發(fā)電場風(fēng)角(Cape Wind)。

　　除了關(guān)注預(yù)計會在尺寸以及安裝數(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的市場商機(jī)大多在100kW的小型風(fēng)力渦輪機(jī)市場。雖然相對于太陽能發(fā)電，風(fēng)力功率逆變器的市場較小，但卻正在大幅增長。許多新的進(jìn)展正在影響這個領(lǐng)域，包括風(fēng)能建筑(Building Integrated Wind Energy, BIWE)，例如1kW的AVX 1000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UGE 10kW VAWT[2]。

　　聚焦小型風(fēng)力渦輪機(jī)市場

　　美國小型風(fēng)力渦輪機(jī)市場在2008年增長了78%，增加17.3MW的發(fā)電容量，相同時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]。

　　對于美國小型風(fēng)力渦輪機(jī)的商用市場(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。而在占有市場份額最大的家用市場，則受到投資和批量生產(chǎn)所帶來的成本降低所推動，家用電力價格的升高和大眾對這項(xiàng)技術(shù)的更多了解也是市場增長的原因之一。

　　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，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)動負(fù)載（turbine drive-train loads）降到最低。在這個產(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)需要對電力設(shè)備進(jìn)行精密的時序控制和安全隔離，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隨著風(fēng)速變化，因此使用一個直流─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信號通過ACPL-332J門極驅(qū)動[7]控制IGBT，通過對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)字信號處理器(DSP)進(jìn)行計算和有效控制。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、逆變輸出相位電流以及直流線路電壓。這樣的需求帶來了電流和電壓傳感器的商機(jī)，這些傳感器不僅需要具備足夠的精確度和反應(yīng)速度，而且需要以高性價比提供高開關(guān)噪聲抑制比和安全絕緣能力。

　　利用隔離放大器測量電流和電壓

　　雖然會有分流電阻功率損耗的缺點(diǎn)，具備高線性度、低成本和設(shè)計靈活等優(yōu)勢的分流電阻電流檢測是進(jìn)行電流測量一個經(jīng)常使用的方法。隨著更佳散熱性能和更低阻值分流技術(shù)的發(fā)展，功率損耗可以通過降低分流信號的大小降到最低。

　　特別面向滿足功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)嚴(yán)格的要求設(shè)計，ACPL-C78A/C780/C784微型化隔離放大器可以接受±200mV的信號，非常適合接連基于分流方式的電流感應(yīng)應(yīng)用。通過選擇適合的分流電阻大小便可進(jìn)行由低于1A到超過100A廣大范圍的電流監(jiān)測應(yīng)用。

　　ACPL-C78X系列采用先進(jìn)的sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和全差分方式實(shí)現(xiàn)1%的增益誤差(ACPL-C78A)、0.004%的超低非線性，以及直流到100kHz寬廣的帶寬，請參考圖三。采用延展型SSO-8封裝供貨，擁有8mm爬電距離和電氣間隙，ACPL-C78X提供有穩(wěn)固的電氣隔離，并取得IEC/EN/DIN EN 60747-5-2的1140V工作電壓安全認(rèn)證、UL 1577規(guī)定的5kVrms/1min雙重保護(hù)，以及15kV/μs的共模抑制能力[9]。

圖三：ACPL-C78X系列增益頻率響應(yīng)圖。

　　結(jié)論

　　雖然不同的市場條件讓風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在每個地區(qū)都有不同的樣貌，從歐洲地區(qū)成功實(shí)施電價保護(hù)制度到北美地區(qū)和亞洲所采用法規(guī)、補(bǔ)貼和稅務(wù)優(yōu)惠的組合，風(fēng)能產(chǎn)業(yè)預(yù)料即將快速增長，雖然目前已經(jīng)有許多讓人眼睛一亮的數(shù)MW風(fēng)力發(fā)電設(shè)備開始邁入離岸深水區(qū)，但功率逆變器的大部份商機(jī)還是在于小型的風(fēng)力渦輪機(jī)市場。

　　ACPL-C78X微型化隔離放大器提供了典型小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)計取得優(yōu)化效率所需的精確電流和電壓測量，高開關(guān)噪聲抑制能力和高絕緣電壓可以帶來平穩(wěn)的逆變器工作以及控制器和操作人員的安全性。