適合小型風力發電系統電流和電壓測量的微型化隔離放大器

適合小型風力發電系統電流和電壓測量的微型化隔離放大器

摘要

搭配分流電阻，隔離放大器在具有高開關噪聲的功率變換器中亦可提供精確的電流測量；當和電阻分壓電路配套使用時，還可以作為精確的電壓傳感器。這些電流和電壓信息可以提供給控制器進行計算和實施有效控制，幫助小型風力發電系統取得最佳的轉換效率。具備高共模噪聲抑制比、高隔離電壓、內置安全絕緣以及超小尺寸等特性，微型化隔離放大器為小型風力發電渦輪機提供了一個理想的電流/電壓檢測方案。

介紹

作為最具前景的替代能源之一，風力發電不受金融危機和經濟衰退的影響，預估會在未來5年以每年22.4%的速度持續增長[1]。大型風力發電場目前也已經開始擴展到離岸的深水區域，例如愛爾蘭海的25MW Arklow海上風力發電場，以及可以提供420MW發電容量的美國第一個離岸風力發電場風角(Cape Wind)。

除了關注預計會在尺寸以及安裝數量持續增長大型數MW風力渦輪機外，大部分功率逆變器制造商面對的市場商機大多在<100kW的小型風力渦輪機市場。雖然相對于太陽能發電，風力功率逆變器的市場較小，但卻正在大幅增長。許多新的進展正在影響這個領域，包括風能建筑(Building Integrated Wind Energy, BIWE)，例如1kW的AVX 1000和60kW的WindCube?，以及垂直軸風力渦輪機的進一步發展，如UGE 10kW VAWT[2]。

聚焦小型風力渦輪機市場

美國小型風力渦輪機市場在2008年增長了78%，增加17.3MW的發電容量，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年全球小型風力發電機銷售的49%，持續保持著長期的主導地位[3]。

對于美國小型風力渦輪機的商用市場(21-100kW)，增長主要來自于更多的私人投資而增加的生產數量。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技術的更多了解也是市場增長的原因之一。

歐洲地區目前已經有超過40家主要位于德國和西班牙的制造商積極搶進小型風力發電市場，這些制造商生產功率容量低于1kW到數百kW的小型風力發電機。

小型風力發電系統

圖一中的小型風力發電系統通常包含有風力渦輪機、發電機、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程離線風能系統的需求。

圖一：小型風力發電系統的簡化方塊圖。

效率是關鍵

由于風速變化特性的因素，許多風力發電方案都采用可變速度控制技術以期由風力取得最高能量并將渦輪驅動負載（turbine drive-train loads）降到最低。在這個產業中提出并討論了許多不同的可變速度控制方法，共同目標就是效率優化[5, 6]。

除了風速控制部分外，逆變器也在風力發電系統的功率變換過程中扮演著非常關鍵的角色。以風力渦輪可變速度發電設備為例，逆變器是連接供電網并提供符合電力要求電源的基本設備，逆變器可以是商用的單相或工業用三項的分立零組件或模塊，并通過數字信號處理器(DSP)控制來提供高效率能源轉換。高效逆變系統需要對電力設備進行精密的時序控制和安全隔離，避免有害高電壓開關瞬變損害控制器和危害操作人員。

以30kW的電力轉換系統為例[6]，在連接供電網的風能系統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。圖二是這個功率轉換器的類似方塊圖，基于發電機輸出的電壓和頻率會隨著風速變化，因此使用一個直流─直流升壓斬波電路來維持穩定的直流線路電壓，輸入的直流電流經過調節追隨經過預先設定的優化電流參考，以便在渦輪系統的最大功率輸出點運行。在和供電網的連接上，PWM信號通過ACPL-332J門極驅動[7]控制IGBT，通過對逆變器直流電壓的調節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力渦輪系統方塊圖。

為了要達到優化的系統效率，圖二以及其他參考文獻[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字信號處理器(DSP)進行計算和有效控制。這些信息可能包括直流線路電流大小、發電機相位電流、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，這些傳感器不僅需要具備足夠的精確度和反應速度，而且需要以高性價比提供高開關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，具備高線性度、低成本和設計靈活等優勢的分流電阻電流檢測是進行電流測量一個經常使用的方法。隨著更佳散熱性能和更低阻值分流技術的發展，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換系統嚴格的要求設計，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應用。通過選擇適合的分流電阻大小便可進行由低于1A到超過100A廣大范圍的電流監測應用。

ACPL-C78X系列采用先進的sigma-delta模數轉換技術和全差分方式實現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工作電壓安全認證、UL 1577規定的5kVrms/1min雙重保護，以及15kV/μs的共模抑制能力[9]。

圖三：ACPL-C78X系列增益頻率響應圖。