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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)。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(shù)據(jù)顯示，全球90%的新增容量還是在歐洲?？勺兊哪芰枯斎胧菍υO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(shù)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(chǎn)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(wǎng)頻率的整倍數(shù)同步并以這一整倍數(shù)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(wǎng)或從電網(wǎng)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(wǎng)約30。由于電力輸出直接耦合到電網(wǎng)，強大的電網(wǎng)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(wǎng)頻率。那么，風力能產(chǎn)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(shù)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(shù)描述了轉子的功率系數(shù)，1919年德國物理學家AlbertBetz認為該系數(shù)不可能超過0.593。在實踐中，典型的轉子功率系數(shù)在葉尖速度比為7時很少超過0.4（圖1）。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(shù)，r為空氣的密度（單位

5、為kgm3），vw為風速(單位是ms)，A是轉子掃過的區(qū)域渺幡巍懟啤笑桅痞兀（單位為m3）。所以，依據(jù)轉子掃過的渺幡巍懟啤笑桅痞兀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(chǎn)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(xiàn)最大的總功率系數(shù)。雖然如此，仍有一些成功的風力渦輪發(fā)電機采用了這一原理。NdicWindpower公司的1000型1MW風力渦輪發(fā)電機，簡易而又重量輕，采用一個雙輪葉的失速控

6、制的轉子，其掃過渺幡巍懟啤笑桅痞兀為2290m2。這種渦輪發(fā)電機是自起動的，輪葉上有失速條，以減小某些早期失速控制渦輪發(fā)電機的峰值功率曲線，從而實現(xiàn)一個頂部平坦的功率曲線。轉子采用經(jīng)玻璃纖維強化的聚脂結構，因為這種結構具有較好的氣動彈性，有利于“軟性”或“撓性”結構便于吸收大動態(tài)負載。借用直升飛機的其他部件包括一個“蹺蹺板式”葉轂，它的彈性軸承可以使輪葉與輸入軸有2的相對運動，從而降低兩者間的風切變力。發(fā)電機控制系統(tǒng)和偏轉控制系統(tǒng)中的

7、額外阻尼也可進一步提高結構的撓性。由Weier電子公司制造的發(fā)電機是一種四極單速感應式發(fā)電機，其轉子比旋轉電磁場轉得稍快一些。這種“滑差”可提供一種阻尼作用，有助于抑制機電振蕩。只要切換發(fā)電機轉子電路內的電阻來控制激勵電流，這個滑差值就在1%～10%范圍內變化。由于感應式發(fā)電機的轉矩與滑差成正比例，因此這種方式就具有速度控制功能，而異步發(fā)電機則很難實現(xiàn)這種控制功能。在滑差為0%時，發(fā)電機與電網(wǎng)頻率同步，既不產(chǎn)生也不消耗電力（轉子消耗的無