如何提高小型风力发电机逆变器和蓄电池的可靠性与寿命

摘 要: 本文提出了采用合理的电路拓扑结构、性能良好的功率开关器件、合适的驱动电路和隔离电路、可靠的保护等措施来提高小型风力发电机逆变器的可靠性与寿命,以及采用高稳定性的控制器、合理匹配容量、避免蓄电池严重亏电运行、设置过充与过放保护等措施来提高小型风力发电机蓄电池的可靠性与寿命。

关键词: 小型风力发电机 逆变器 蓄电池 可靠性 寿命

一、概述

小型风力发电机一般是指10千瓦级及以下的发电机,其年平均风速大约为3米/秒以上即可使用,在全国范围内可以发展小型风力发电机的地区约占全国陆地总面积的40%以上。常规的小型风力发电机组多由感应发电机或永磁同步发电机加AC/DC变换器、蓄电池、逆变器组成。运行实践证明,国内外用户对机组除造型美观、设计匹配合理外,对机组的寿命与可靠性提出了更高要求,本文就提高小型风力发电机逆变器和蓄电池的可靠性与寿命作如下探讨。

风力发电机的控制器将发电机发出的交流电整流后充入蓄电池组,逆变器将蓄电池组输出的直流电转换成220V交流供电器用。逆变器是在电力变换过程中经常使用到的一种电力电子装置,它的主要作用就是将蓄电池存储的或由整流桥输出的直流电转变为负载所能使用的交流电。蓄电池是一种储能设备。

二、提高小型风力发电机逆变器的可靠性与寿命的措施

逆变器是风力发电系统的关键部件,对逆变器的要求很高。运行情况表明,风力发电机的逆变器所要着重解决的是可靠性与寿命问题,而不是技术性能指标,为了提高小型风力发电机逆变器的可靠性与寿命,现提出如下措施。

1.采用合理的电路拓扑结构

小型风力发电系统,一般使用环境比较恶劣,技术条件相对薄弱。因此所选拓扑结构必须稳定可靠,技术相对比较成熟;拓扑结构也必须具有成本低、效率高的特点。

对于独立运行小型风电系统的逆变器多数为电压型单相桥式逆变器,如图1所示,该结构的逆变器,只要采用性能可靠的电力电子器件,运行就会安全可靠。

图1 单相全桥逆变器

对于并网的风力发电机目前,可以采用新的拓扑结构,如专利权归属SMA的H5逆变桥技术,H5逆变桥技术拓扑结构简如图2所示:该拓扑是由德国SMA有限公司提出且已在中国申请了技术专利。SMA公司的Sunny Mini Central系列并网逆变器采用该拓扑结构,其最高效率达到98.1%,欧洲效率达到97.7%。该结构在并网的风力发电机的应用中能够有效减小漏电流,实现高效率、低成本、更高的安全可靠性。

图2 H5逆变桥技术拓扑结构

2.采用性能良好的功率开关器件——智能功率模块

严格的元器件筛选,对于元器件的参数设定与选型一样会影响到产品的可靠性,逆变电路中,可以采用的功率开关器件是普通晶闸管、门极关断晶闸管、功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、智能功率模块等。

图3 IPM内部功能框图

而智能功率模块IPM(Intelligent Power Module的缩写)是一种先进的功率开关器件,其内部功能框图如图3所示,具有GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点,而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路,使用起来方便,不仅减小了系统的体积,缩短了开发时间,而且大大增强了系统的可靠性,在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。

IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类:H型(内部封装一个IGBT)、D型(内部封装两个IGBT)、C型(内部封装六个IGBT)和R型(内部封装七个IGBT)。小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统,中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。

IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠,缩短了系统开发时间,也提高了故障下的自保护能力。与普通的IGBT模块相比,IPM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。

3.设置合适的驱动电路和隔离电路

IPM的外部驱动电路是IPM内部电路和控制电路之间的接口,良好的外部驱动电路对以IPM构成的系统的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。

由于IPM内置了驱动电路,与IGBT驱动电路设计相比,驱动电路的设计只需要能提供15V直流电压即可。而IPM对驱动电路输出电压的要求很严格,可采用三菱公司为IPM系列产品专门配置的电压变换模块。

IPM内部电路不含防止干扰的信号隔离电路,为了保证IPM安全可靠。需要自己设计隔离电路,如采用高速光耦合器,IPM的控制信号和故障输出信号通过光耦传输。

4.设置可靠的保护

虽然IPM内部可以实现欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护,但完善的系统保护不能只依靠IPM的内部保护功能,需要配备的保护电路,这既可以通过硬件的方式实现,又可以通过软件的方式实现,但都是利用IPM故障输出信号封锁IPM的控制信号通道,因而弥补了IPM自身保护的不足,有效地保护了器件。同时风机安装地点还需要设置防雷保护,一般风力发电机在安装地点安装避雷针作为防雷保护。

三、提高小型风力发电机蓄电池的可靠性与寿命的措施

1.采用高稳定性的控制器

风力发电控制器是对风力发电机所发的电能进行调节和控制,一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载,另一方面把多余的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电,当所发的电不能满足负载需要时,控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后,控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时,控制器要控制蓄电池不被过放电,保护蓄电池,一般可以采用以单片机为核心的控制电路。常用蓄电池一般寿命在2~3年,采用高稳定性控制器,其寿命可达到5~8年。

2.合理匹配容量

目前,小型风力发电机与蓄电池容量一般都是按照输入和输出相等或输入大于输出的原则进行匹配的,即100W风力发电机匹配120Ah蓄电池;若蓄电池容量过大时,风力发电机发出的能量不能保证及时地给蓄电池充足电,导致蓄电池经常处于亏电状态,缩短蓄电池使用寿命;若蓄电池容量过小时,则会使蓄电池经常处于过充电状态,蓄电池长期过充电将会使蓄电池早期损坏,缩短使用寿命。因此合理匹配小型风力发电机与蓄电池容量是非常重要的。

3.避免蓄电池严重亏电运行

当蓄电池电压低于额定电压90%时,尽量不要使用,当无风或小风持续时间较长时,蓄电池达不到额定电压应停止使用,因小电流深度放电最易使极板硫化,造成蓄电池损坏。避免蓄电池在严重亏电状态下工作,以达到延长蓄电池的使用寿命的目的。

4.设置过充与过放保护

蓄电池需要设置过充与过放保护以提高蓄电池的寿命。过充保护:当风速持续较高,蓄电池充电很足,蓄电池组电压超过额定电压1.25倍时,控制器停止向蓄电池充电,多余的电流流向卸荷器;过放保护:当风速长期较低,蓄电池充电不足,蓄电池组电压低于额定电压0.85倍时,逆变器停止工作,不再向外供电。当风速再增高,蓄电池组电压恢复到额定电压的1.1倍时,逆变器自动恢复工作、向外供电。

5.加强日常保养与维护

若采用普通蓄电池,需经常检查液面高度,保持液面高于极板10至15mm,低于此值加注蒸馏水;及时消除蓄电池极桩的氧化物,极桩与导线夹固定后应涂一层凡士林,以减少放电损失;保持蓄电池清洁干燥,严禁在其上方放置杂物或其他物体,以免造成蓄电池短路或严重自行放电。

总之,笔者认为,采用上述措施,能够提高小型风力发电机逆变器和蓄电池的可靠性与寿命,从而提高小型风力发电机整体的安全性、稳定性、可靠性。

参考文献:

[1]中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文《单相非隔离型光伏并网逆变器中共模电流抑制的研究》合肥工业大学电气工程学院孙龙林、张兴等.

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[3].

[4]/article/art_110_2197.htm.

[5]/new_page_164.htm.

[6]/view/3093660.htm.