功率器件：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 Majave 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。

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(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)電機是同步發(fā)電機，其中轉子與電網頻率的整倍數(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)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 Albert Betz 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。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=Cp×r/2×V3W×A 式中，CP 為轉子的功率系數(shù)，r為空氣的密度(單位為kg/m3)，vw 為風速(單位是m/s)，A 是轉子掃過的區(qū)域面積(單位為m3)。所以，依據(jù)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(xiàn)最大的總功率系數(shù)。

實用型風力渦輪發(fā)電機輸出功率從 20 kW~ 30 kW，現(xiàn)在的最高水平可達 4.5 MW。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、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。最大的問題一直是如何穩(wěn)定轉子速度，以實現(xiàn)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。控制系統(tǒng)必須在從靜止無風直到可能一個世紀才出現(xiàn)一次的多方向、多速度變化的狂風的情況下保護機器的運行。作為相關質量的一個指標，Vestas公司的 V90 系列3MW風力渦輪發(fā)電機的轉子組件重量為40噸，盡管它使用了許多昂貴的碳纖維復合材料。

失速控制的簡單性掩飾了問題

一種限制功率獲取的方法是使轉子組件轉動到不受風吹的位子。偏轉系統(tǒng)一般用于保持轉子迎著風向，它包括風速傳感器、風向傳感器、一個電動或液壓電動機驅動裝置、接口電路以及使發(fā)電機艙旋轉的齒輪與軸承。傳感器組件經常位于發(fā)電機艙的后方，通常是一個帶風向標的三環(huán)風速計。其它技術包括超聲設備，如 Vestas公司 V90-3.0MW 上使用的一對超聲裝置。實際上，轉子后面的風速略低于真實的風速，這是由于旋轉翼片的局部低壓效應所造成的。雖然這一差異不很重要，但特性化可以補償這樣的誤差。然而，由于經驗表明采用偏轉系統(tǒng)的速度控制的結果并不好，所以一般設計要么保持迎風的最大功率位置，要么將發(fā)電機艙轉到最小風能方向以實現(xiàn)停機。

用來穩(wěn)定能量獲取的最簡單的氣動方法是采用轉子有一個固定的傾斜角的被動失速(停轉)控制.在給定的轉子速度下，風速增加會使氣流分散在輪葉表面上，產生失速效應。這種氣流分散會自動限制能量的獲取，但卻與空氣密度和輪葉表面拋光質量有關。這種方法還要求穩(wěn)固的電網條件以及一個強大的發(fā)電機來保持穩(wěn)定性。如果電網連接失效或發(fā)生電力故障，就必須預防轉子超速，從而要求轉子上有氣動剎車裝置，以及在輸入軸上有普通的碟式機械剎車裝置。由于轉子有固定的傾斜角，而且不能轉至最高轉矩位置以利于起動，所以有時需要以電動機模式運行發(fā)電機，使轉子加速到與電網同步的速度。最后，這一結構必須足夠牢固，能承受失速控制特有的大動態(tài)負載。

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。 Nordic Windpower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制的轉子，其掃過面積為 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)中的額外阻尼也可進一步提高結構的撓性。