風力發電技術與功率半導體器件及控制系統

　IGBT 取代可控硅

　　風力渦輪發電機所需的功率半導體器件是從事微電子學的人所不熟悉的。你要考慮的不是亞微米線寬，而是一個單器件模塊占用的歐洲標準印制板面積(從34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)。這樣的器件可在數千伏電壓下承受千安培級的電流，而且在過去幾十年內，這一技術的進步是對風力渦輪發電機發展的最大貢獻。在 Growian 時代，可控硅技術可應付大功率應用，但傳導損耗很大，并且轉換時間的性能很差，常常在 100ms 范圍內。相應地，變頻器級采用6個階躍或12個階躍的波形近似一個正弦波的能量分布，從而產生特別強的奇次諧波，如五次諧波和十一次諧波。這些局限導致人們需要使用諧波頻率濾波器。
　　用IGBT（絕緣柵雙極晶體管）代替 Growian 的第一代可控硅，就可使用脈寬調制（PWM）來克服不良的諧波性能。該技術也使實際功率和無功功率的控制更為方便。盡管傳統的可控硅很耐用， 
當今的可控硅，如三菱公司的 FT1500AU-240 可以在 12kV電壓下開關1.5kA 電流，開關時間為 15ms ，但當傳導電流超過維持電流值時，傳統的可控硅是不可能關斷的。GTO（柵極可關斷）可控硅（如三菱公司的 FG6000AU-120D）可連續提供 6 kV 的電壓和1.5kA的電流，并可在 30ms 內實現關斷控制，但它們難以驅動。更糟的是，所有的可控硅都很難并聯使用，而要達到風力渦輪發電機所需的功率水平，并聯使用常常是不可或缺的。　

　　大功率 IGBT 既有 MOSFET 的容易驅動和電流共享特性，又有1ms 的開關時間。雖然轉換線路頻率所需的 PWM 頻率很低，僅為幾千赫茲，但這種快速切換在IGBT穿越線性工作區時可減小傳導損耗。諸如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1等器件，其 導通時間不到 1ms，關斷時間小于 6ms，可以在 6kV 電壓下控制 1.2kA 電流；諸如該公司的 FZ3600R12KE3 等低電壓器件，可以在 1.2kV 電壓下開關 3.6kA 電流。因此，IGBT 可用于大功率變頻器和軟起動控制器。專業生產大功率半導體器件的其他公司包括 ABB公司、Dynex公司、富士通電子公司、Powerex公司和 Semikron公司。

　　法國 Cegele 公司主管風能部門的Ivan Novikoff指出，風力渦輪發電機及其技術的選擇主要取決于當地基礎設施的位置和特性。Novikoff 說，電纜敷設、起動時的起動電流和短路電流等問題都取決于系統結構。該公司在為已知用途的風力渦輪發電機制定規范時，都要考慮許多次要而又必須考慮的問題，從允許的轉子高度、噪聲輻射，到制造商的現場服務質量，不一而足。Novikoff 解釋說，從投資者的觀點來看，要考慮的機器經濟因素包括風力供應的可靠性、機器的可靠性和維護成本以及電力生產關稅的差異。