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工业用光纤在风力发电的应用

发布时间:2017-05-04

风力能源近年来已经逐渐成为满足快速增长能源需求下非常受到欢迎的替代电力来源,和来源有限且蕴藏量逐渐减少的化石燃料不同,风力能源的来源完全不受限制并且非常容易取得。
把风力能源转换成为实用的交流电需要如整流器(Rectifier)和逆变器(Inverter)等功率电子设备,在高功率发电系统中,电绝缘在确保电力产生的质量和可靠性上扮演了非常重要的角色。
光纤组件可以通过提供高电压脉冲绝缘以及防止不必要信号进入功率电子设备提供保护。
风力发电系统中工业用光纤的主要应用包括整流器和逆变器的功率电子门驱动、控制和通信电路板、风力涡轮机控制单元、状态监测系统以及风力电场联网等。
风力涡轮机发电
风力涡轮机通过使用发电机把动能转换成为电力能源,随着风力条件的变化,发电机所产生的电力必须随之转换才能使用,在风力涡轮机中必须要有整流器、逆变器、变压器以及滤波器等设备,以便可以长距离传送所产生的实用交流电源,如图1。
通常在风力电塔的底部安装有变压器设备,目的是将风力涡轮机产生的低电压转换成为方便传送的中高电压。
         

                                  图1:风力涡轮发电机系统的典型功能框图

[图说]
Generator = 发电机
Wind Turbine Blade = 风力涡轮机叶片
Rectifier AC-DC = AC-DC整流器
DC Link = 直流链路
Inverter DC-AC = DC-AC逆变器
Fiber Optic = 光纤
Control Board and Communication = 控制和通信电路板
Turbine Control Unit(TCU) = 涡轮机控制单元(TCU)
3 Phase Line Filter and Transformer = 3相线路滤波器和变压器
Utility Grade AC Power = 实用级交流电源
整流器和逆变器
整流器和逆变器为风力涡轮机系统中主要的组成部件,整流器可以把高噪声交流电转换成为直流电,而逆变器则可以把直流电转换成干净可靠的交流电输出,这些设备的开关动作通常由嵌入式数字信号处理器(DSP)通过光纤链路控制,以提供具有高电绝缘能力的高效率可靠控制。
基本上在整流器和逆变器的控制开关上有几个选择,分别是绝缘栅双极晶体管(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)、门极可关断晶闸管(GTO, Gate Turn Off Thyristor)、集成门极换流晶闸管(IGCT, Integrated Gate Commutated Thyristor)、对称型门极换流晶闸管(SGCT, Symmetrical Gate Commutated Thyristor)以及发射极关断晶闸管(ETO, Emitter Turn-off Thyristor)等。
光纤组件普遍用於控制高电压和电流开关设备,提供可靠的控制和反馈信号,请参考图2和图3。

                      

            图2:使用Avago HFBR-0500Z Versatile Link通用链路收发器实现的典型IGBT门驱动电路典型功能框图。
Control Board = 控制电路板
Versatile Link HFBR-0500Z series = Versatile Link通用链路HFBR-0500Z系列
Driver Logic and Protection Functions = 驱动器控制逻辑和保护功能
Gate Driver = 门驱动器
Driver = 驱动器
               

                图3:使用HFBR-0500Z收发器的典型ETO二级电压源转换器相位连接图。

[图说]
Over Current Protection = 过电流保护
PWM Command = PWM命令
Current Control = 电流控制
Controller = 控制器
Versatile Link HFBR-0500Z series = Versatile Link通用链路HFBR-0500Z系列
POF = POF塑料光纤
Gate Driver = 门驱动器
状态监测系统
大多数现代的风力涡轮机都具有可以监测并依不同风力条件进行系统控制的智能功能,例如大气环境传感器可以检测风速和风向,其他传感器则能够用来监测涡轮风机部件的状况和强度以避免发生问题。
风力涡轮机必须可以承受极端的天气条件,如暴风雪或闪电,在这些情况下,非常重要的一点是确保涡轮风机的监测系统在设计上可以提供高电压和大电流隔离,相较於光电耦合器和其他类似器件,光纤由於可以提供高了许多的电压和电流隔离能力,因此成为较好的信号传递媒体选择。
风力涡轮机和风力电场联网
通过状态监测系统所收集的数据,搭配上每个涡轮风机使用的短距离POF塑料光纤链路,通常会以多路复用方式接入硬包层(HPCF)或多模光纤电缆,如果风力电塔的高度高於100米,就可能需要更长距离的HPCF和多模光纤。
光纤具有监固的特性,可以提供恶劣环境的更高抵抗能力,并且重量非常轻,这些特性使得它非常适合应用于风力涡轮机发电的垂直布线需求。

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