1、風力發(fā)電技術與功率半導體器件及控制系統(tǒng)風力發(fā)電技術與功率半導體器件及控制系統(tǒng)通過風能獲得太陽的能量并非新鮮事物，但當今的功率半導體器件與控制系統(tǒng)卻使這種能源更加適用。在現有的太陽能利用技術中，風力渦輪發(fā)電機成為大規(guī)?！熬G色電能”生產的先鋒。今天，美國政府和歐洲各國政府都在大力支持可持續(xù)能源的生產。2003年，美國的風力發(fā)電廠裝機總值達16億美元，預計到2020年，還將再增10萬MW的裝機容量，可滿足美國電力需求的6%。美國還將在Maja

2、ve沙漠的Tehachapi建立世界上最大的地面風力發(fā)電場。但2002年的數據顯示，全球90%的新增容量還是在歐洲。可變的能量輸入是對設計師的挑戰(zhàn)先驅者們在多大程度上解決了困擾今天設計師的諸多問題，對此作出正確的估計是有益的。在這些問題中，最大的要數能量供給的可變性。普通的蒸汽渦輪機發(fā)電廠都用四個重要的機制來調節(jié)發(fā)電機的速度和電力輸出：產生蒸汽的初級能耗速率；向渦輪機輸送蒸汽的速率；發(fā)電機的電激勵水平；轉子負載角的變化。這樣的發(fā)電機是同

3、步發(fā)電機，其中轉子與電網頻率的整倍數同步并以這一整倍數頻率旋轉。改變轉子相對于零相位差“空載”位置的角度，就可以增加或減少送至電網或從電網獲得的電能，從而分別使發(fā)電機或電動機運行。在典型的發(fā)電機運行中，轉子超前電網約30。由于電力輸出直接耦合到電網，強大的電網條件提供的發(fā)電機軸轉矩可控制其速度，保持恒定的電網頻率。那么，風力能產生多少功率呢？理論表明，空氣密度已知時，可用的每平方米瓦特能量值隨氣流的三次方變化。因此，轉子性能對風力渦輪發(fā)

4、電機設計的每個方面都是至關重要的。至關重要的參數之一就是葉尖速度比，亦即輪葉葉尖速度與自由流動空氣流速度之比。這一參數描述了轉子的功率系數，1919年德國物理學家AlbertBetz認為該系數不可能超過0.593。在實踐中，典型的轉子功率系數在葉尖速度比為7時很少超過0.4。如果轉子速度固定不變，效率損失忽略不計，你就可用以下公式計算風力渦輪發(fā)電機的功率輸出:功率=Cpr2V3WA式中，CP為轉子的功率系數，r為空氣的密度(單位為kgm

5、3)，vw為風速(單位是ms)，A是轉子掃過的區(qū)域面積(單位為m3)。所以，依據轉子掃過的面積以及每小時千瓦的發(fā)電量來考慮風力渦輪發(fā)電機是有益的。設計師的任務是以成批生產的合理價格，找到轉子結構與發(fā)電機原理的最佳組合，從而實現最大的總功率系數。實用型風力渦輪發(fā)電機輸出功率從20kW~30kW，現在的最高水平可達4.5MW。它一般使用三個轉子輪葉，因為實驗表明，這種結構可提供效率、動態(tài)性能與結構經濟性之間的最佳平衡。核心部件一般包括轉子、

6、一個增加發(fā)電機軸速的齒輪箱、發(fā)電機、電路接口以及控制回路（圖2）。最大的問題一直是如何穩(wěn)定轉子速度，以實現最高的發(fā)電量。雖然風力渦輪發(fā)電機是一種機械電子系統(tǒng)，無法將各個關鍵部件隔離開來，但轉子控制原理卻是一個決定性因素?？刂葡到y(tǒng)必須在從靜止無風直到可能一個世紀才出現一次的多方向、在湍流條件下實現平穩(wěn)的功率輸出，并降低結構負載。滑差值也會影響發(fā)電效率，兆瓦級發(fā)電機的滑差值一般工作在1%范圍內，效率約為95%。因為轉子電路要消耗無功功率，所

7、以功率因數一般都較低，約為0.87。由于這一原因，開關電容器組是傳統(tǒng)系統(tǒng)不可分割的一部分，但功率電路會越來越多地控制功率因數。就Ndic公司的1000型渦輪發(fā)電機而言，開關電容能在渦輪發(fā)電機的整個工作范圍內將輸出功率因數保持在1。只要把阻尼因素引入偏轉系統(tǒng)的控制環(huán)路，就可能使輪葉繞塔軸進行一定程度的搖擺運動，從而吸收湍流。因此，1000渦輪發(fā)電機的結構可以承受55ms的風速，并能在4ms的風速下開始工作，而在25ms風速下停止工作。在轉

8、子速度為25rpm，轉子輪葉葉尖速度為71ms時，該發(fā)電機能在17ms風速下輸出1MW最大功率。當轉子剛開始超速時，離心力驅動液壓釋放閥門，使輪葉葉尖轉至剎車位置。專業(yè)生產風力發(fā)電系統(tǒng)的MitaTeknik公司，它所生產的SCADA(管理控制與數據采集)系統(tǒng)也能驅動氣動剎車和機械剎車。發(fā)電機通過撓性電纜向塔座輸出690V三相交流電。SCADA系統(tǒng)可以卷回電纜以防止纏繞。SCADA系統(tǒng)與中心設備之間的通信是通過調制解調器和電話線，還有一個

9、PC用來獨立監(jiān)控與記錄渦輪發(fā)電機的運行情況?？刂葡到y(tǒng)簡化了功率獲取許多風力渦輪發(fā)電機的設計師都喜歡采用轉子傾斜角控制技術，因為這一技術可以大大緩解速度變化問題和系統(tǒng)功率獲取問題。當代產品有兩種不同的傾斜角控制方法，第一種方法是逐漸將輪葉對空氣氣流的攻角從滿功率的最大位置減小到獲取最小功率的周期變距位置；第二種方法是將攻角增大到發(fā)生氣動失速點。丹麥工程師MBPedersen和PNielsen于1980年在實驗型NibeA和NibeB渦輪發(fā)

10、電機中試驗了這兩種方法(參考文獻1)。他們的試驗結果顯示：全輪葉傾斜角控制可使輸出特性更為平滑，并有可能在高風速時減小轉力推力。如今，更先進的輪葉氣動算法和控制算法，有助于減小兩者之間的差別。BonusEnergy公司的產品是以CombiStalls為商標的主動失速設計的主要實例。它的“丹麥概念”渦輪發(fā)電機包括一個轉速恒定的三輪葉轉子，一個直接為電網提供電力的發(fā)電機，以及失效保險系統(tǒng)。公司最大的產品是B40型2.3MW渦輪發(fā)電機，其轉子

11、掃過區(qū)域面積為5330m2。將玻璃纖維強化的環(huán)氧樹脂輪葉轉過80至停機位是可能的。正常運行時，微處理器控制的伺服回路不斷將輪葉調整至失速位置。有一種雙發(fā)電機設計可以雙速運行(11rpm或17rpm)，從而提高部分負載時的效率。只要在低風速時接入一個六極發(fā)電機繞組，發(fā)電機就可產生轉速為其額定轉速三分之二時的電力。在較高風速時，發(fā)電機可切換到四極主繞組，并以正常轉速運行。渦輪發(fā)電機在平均風速約為5ms~6ms時能自行起動。當一個可控硅軟起動

12、電路將發(fā)電機連接到電網時，轉子就加速至電網同步速度。經過幾秒直線運行之后，主接觸器將可控硅電路旁路，以消除半導體損耗。然后，在大約14ms~15ms的最高風速范圍內時，風力渦輪發(fā)電機的電力輸出隨最高風速增大而大體呈線性增長，這時，控制回路切入，以保持電力輸出恒定不變，并防止發(fā)電機過載。如果平均風速超出渦輪發(fā)電機的工作極限，則控制系統(tǒng)會使輪葉周期性變距，并施以剎車以關閉渦輪發(fā)電機。當風速低于重新起動的極限時，安全系統(tǒng)會自動復位，渦輪發(fā)電機