用于风电系统的关键元件

全世界使用风能发电的系统数量正在增加。在2009年，全欧洲的风电装机容量是75GW，比2008年增加了10GW；在美国，风电装机容量是35GW，中国则是25GW，分别比2008年增长了10GW和14GW。在全世界范围内，风电装机容量在2009年增加了38GW。全世界总计安装了100 000台风轮机，能满足全球能量需求的2%。到2010年底，风电装机容量将达到29GW，对应增加了12 000台风轮机。

随着对风能的需求持续增长，对符合风轮机要求的元件的需求也在相应增加。风轮机中的现代功率电子技术不仅限制了元器件数量，并要求电路能在极端温度和振动的艰苦环境下保持20年的使用寿命。

在这篇文章中，我们将介绍用在风轮机和电网中的“大”电阻和电容的功能，以及在这些应用对器件的要求。电容的应用包括了直流链、IGBT缓冲器和交流滤波器件。电阻应用包括了在电容加压时的限流、直流斩波、短路器触发和电流测量。用在风轮机控制电路中的小电容和电阻，不在本文讨论范围内。

电阻
风轮机中的电阻包括了预充、斩波、短路器和交流滤波电阻。预充电阻能限制浪涌电流在开关开启时进入直流链路电容。为了做到如此，该器件需要高单脉冲能量和高额定电压。电阻的导抗也有助于限制浪涌电流。因此，绕线电阻是个最好的选择。用于预充电阻的单脉冲能量通常为5J。

图1 风轮机中的电阻

当斩波开关打开时，斩波电阻限制了电流。斩波器通常以非常高的频率来控制直流电压。因此，电阻必须能耐高压和具有高额定可重复性脉冲能量（相当于高额定持续功率）。斩波电阻中必须有低寄生电感，因为要工作在千赫级别的高开关频率下，这可以由薄膜技术来获得。在小体积中获得高额定功率的需求，由可安装在散热器件中的电阻来满足。这个电阻能和斩波开关一样被安装在散热系统中。

短路器电阻限制了电流和电压，以防止低、高电压通过。风轮机应用对该器件的要求包括了高达4MJ的能量脉冲容量，10～100mΩ的电阻，1～20mW的额定功率，最大额定电流为10～20kA，典型失效周期为200ms。

在RC滤波器中，交流滤波电阻和交流滤波电容一起使用；而交流滤波电阻同输出变压器中的感抗一起使用，可以组成RL滤波器。对于交流滤波器电容来说，一个高的持续额定功率是必须的。波纹带结构增加了冷却效果，绕线电阻器的感抗则对滤波效应有所贡献。

分流电阻器主要用于测量。其要求包括：800～900A的额定电流，0.1～0.6mΩ的阻抗，额定功率为500W，温度系数为100×10-6/K。

电容
在风轮机中的电容包括了直流链路、缓冲器和交流滤波电容。直流链路电容用于稳定直流链路电压。无论是金属薄膜或是铝电极，在风轮机中的电感容量应该为3300～4700μF，额定电压为690～1000V。风轮机中的薄膜电容有两个优势：在介质被电击穿后的自恢复功能；不会因液体电极的损耗而影响寿命。

图2  在风轮机中的电容

铝电解电容可以使用在直流链路电容器中。其优点是具有比薄膜电容器更高的电容体积率和性价比。但是铝电容的额定电压是450V，因此该器件必须被当作分压器使用，这会降低C/V效率，并增加成本。其缺点是缺少防备介质故障的自恢复机制，且电解液损耗会导致寿命有限。然而，铝电解电容是在kW级别的小风电系统的最好选择。

缓冲器电容减少了在功率半导体开关应用中的电流和电压尖峰，可以保护半导体和减少总损耗和EMI。风轮机需要电容小于1μF的器件，额定电压的范围是1000～1200V。

交流滤波电容减少了行频率中的谐波。其应用要求为760V～24kV的电压和50～800kVAr的功率。

当从直流链路、缓冲器或交流滤波电容，以及预充电、斩波器或短路器电阻中为这些风轮机选择核心元件的时候，设计者不应该仅仅寻找拥有所需特性的器件，还应从牢靠的设计出发，以保证系统能在20年时间内可靠地工作。