風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率半導(dǎo)體器件及控制系統(tǒng)43033

1、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率半導(dǎo)體器件及控制系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率半導(dǎo)體器件及控制系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)能獲得太陽(yáng)的能量并非新鮮事物，但當(dāng)今的功率半導(dǎo)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(yáng)能利用技術(shù)中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)成為大規(guī)?！熬G色電能”生產(chǎn)的先鋒。今天，美國(guó)政府和歐洲各國(guó)政府都在大力支持可持續(xù)能源的生產(chǎn)。2003年，美國(guó)的風(fēng)力發(fā)電廠裝機(jī)總值達(dá)16億美元，預(yù)計(jì)到2020年，還將再增10萬(wàn)MW的裝機(jī)容量，可滿(mǎn)足美國(guó)電力需求的6%。美國(guó)還將在Maja

2、ve沙漠的Tehachapi建立世界上最大的地面風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。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(duì)設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)先驅(qū)者們?cè)诙啻蟪潭壬辖鉀Q了困擾今天設(shè)計(jì)師的諸多問(wèn)題，對(duì)此作出正確的估計(jì)是有益的。在這些問(wèn)題中，最大的要數(shù)能量供給的可變性。普通的蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電廠都用四個(gè)重要的機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的速度和電力輸出：產(chǎn)生蒸汽的初級(jí)能耗速率；向渦輪機(jī)輸送蒸汽的速率；發(fā)電機(jī)的電激勵(lì)水平；轉(zhuǎn)子負(fù)載角的變化。這樣的發(fā)電機(jī)是同

3、步發(fā)電機(jī)，其中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。改變轉(zhuǎn)子相對(duì)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(jī)或電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。在典型的發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子超前電網(wǎng)約30。由于電力輸出直接耦合到電網(wǎng)，強(qiáng)大的電網(wǎng)條件提供的發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩可控制其速度，保持恒定的電網(wǎng)頻率。那么，風(fēng)力能產(chǎn)生多少功率呢？理論表明，空氣密度已知時(shí)，可用的每平方米瓦特能量值隨氣流的三次方變化。因此，轉(zhuǎn)子性能對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)

4、電機(jī)設(shè)計(jì)的每個(gè)方面都是至關(guān)重要的。至關(guān)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(dòng)空氣流速度之比。這一參數(shù)描述了轉(zhuǎn)子的功率系數(shù)，1919年德國(guó)物理學(xué)家AlbertBetz認(rèn)為該系數(shù)不可能超過(guò)0.593。在實(shí)踐中，典型的轉(zhuǎn)子功率系數(shù)在葉尖速度比為7時(shí)很少超過(guò)0.4。如果轉(zhuǎn)子速度固定不變，效率損失忽略不計(jì)，你就可用以下公式計(jì)算風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的功率輸出:功率=Cpr2V3WA式中，CP為轉(zhuǎn)子的功率系數(shù)，r為空氣的密度(單位為kgm

5、3)，vw為風(fēng)速(單位是ms)，A是轉(zhuǎn)子掃過(guò)的區(qū)域面積(單位為m3)。所以，依據(jù)轉(zhuǎn)子掃過(guò)的面積以及每小時(shí)千瓦的發(fā)電量來(lái)考慮風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)是有益的。設(shè)計(jì)師的任務(wù)是以成批生產(chǎn)的合理價(jià)格，找到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與發(fā)電機(jī)原理的最佳組合，從而實(shí)現(xiàn)最大的總功率系數(shù)。實(shí)用型風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)輸出功率從20kW~30kW，現(xiàn)在的最高水平可達(dá)4.5MW。它一般使用三個(gè)轉(zhuǎn)子輪葉，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)可提供效率、動(dòng)態(tài)性能與結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性之間的最佳平衡。核心部件一般包括轉(zhuǎn)子、

6、一個(gè)增加發(fā)電機(jī)軸速的齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電路接口以及控制回路（圖2）。最大的問(wèn)題一直是如何穩(wěn)定轉(zhuǎn)子速度，以實(shí)現(xiàn)最高的發(fā)電量。雖然風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)是一種機(jī)械電子系統(tǒng)，無(wú)法將各個(gè)關(guān)鍵部件隔離開(kāi)來(lái)，但轉(zhuǎn)子控制原理卻是一個(gè)決定性因素?？刂葡到y(tǒng)必須在從靜止無(wú)風(fēng)直到可能一個(gè)世紀(jì)才出現(xiàn)一次的多方向、在湍流條件下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的功率輸出，并降低結(jié)構(gòu)負(fù)載?；钪狄矔?huì)影響發(fā)電效率，兆瓦級(jí)發(fā)電機(jī)的滑差值一般工作在1%范圍內(nèi)，效率約為95%。因?yàn)檗D(zhuǎn)子電路要消耗無(wú)功功率，所

7、以功率因數(shù)一般都較低，約為0.87。由于這一原因，開(kāi)關(guān)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(huì)越來(lái)越多地控制功率因數(shù)。就Ndic公司的1000型渦輪發(fā)電機(jī)而言，開(kāi)關(guān)電容能在渦輪發(fā)電機(jī)的整個(gè)工作范圍內(nèi)將輸出功率因數(shù)保持在1。只要把阻尼因素引入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制環(huán)路，就可能使輪葉繞塔軸進(jìn)行一定程度的搖擺運(yùn)動(dòng)，從而吸收湍流。因此，1000渦輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以承受55ms的風(fēng)速，并能在4ms的風(fēng)速下開(kāi)始工作，而在25ms風(fēng)速下停止工作。在轉(zhuǎn)

8、子速度為25rpm，轉(zhuǎn)子輪葉葉尖速度為71ms時(shí)，該發(fā)電機(jī)能在17ms風(fēng)速下輸出1MW最大功率。當(dāng)轉(zhuǎn)子剛開(kāi)始超速時(shí)，離心力驅(qū)動(dòng)液壓釋放閥門(mén)，使輪葉葉尖轉(zhuǎn)至剎車(chē)位置。專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的MitaTeknik公司，它所生產(chǎn)的SCADA(管理控制與數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)也能驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)剎車(chē)和機(jī)械剎車(chē)。發(fā)電機(jī)通過(guò)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(shè)備之間的通信是通過(guò)調(diào)制解調(diào)器和電話線，還有一個(gè)

9、PC用來(lái)獨(dú)立監(jiān)控與記錄渦輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況。控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化了功率獲取許多風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)師都喜歡采用轉(zhuǎn)子傾斜角控制技術(shù)，因?yàn)檫@一技術(shù)可以大大緩解速度變化問(wèn)題和系統(tǒng)功率獲取問(wèn)題。當(dāng)代產(chǎn)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(duì)空氣氣流的攻角從滿(mǎn)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(dòng)失速點(diǎn)。丹麥工程師MBPedersen和PNielsen于1980年在實(shí)驗(yàn)型NibeA和NibeB渦輪發(fā)

10、電機(jī)中試驗(yàn)了這兩種方法(參考文獻(xiàn)1)。他們的試驗(yàn)結(jié)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(fēng)速時(shí)減小轉(zhuǎn)力推力。如今，更先進(jìn)的輪葉氣動(dòng)算法和控制算法，有助于減小兩者之間的差別。BonusEnergy公司的產(chǎn)品是以CombiStalls為商標(biāo)的主動(dòng)失速設(shè)計(jì)的主要實(shí)例。它的“丹麥概念”渦輪發(fā)電機(jī)包括一個(gè)轉(zhuǎn)速恒定的三輪葉轉(zhuǎn)子，一個(gè)直接為電網(wǎng)提供電力的發(fā)電機(jī)，以及失效保險(xiǎn)系統(tǒng)。公司最大的產(chǎn)品是B40型2.3MW渦輪發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子

11、掃過(guò)區(qū)域面積為5330m2。將玻璃纖維強(qiáng)化的環(huán)氧樹(shù)脂輪葉轉(zhuǎn)過(guò)80至停機(jī)位是可能的。正常運(yùn)行時(shí)，微處理器控制的伺服回路不斷將輪葉調(diào)整至失速位置。有一種雙發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)可以雙速運(yùn)行(11rpm或17rpm)，從而提高部分負(fù)載時(shí)的效率。只要在低風(fēng)速時(shí)接入一個(gè)六極發(fā)電機(jī)繞組，發(fā)電機(jī)就可產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速三分之二時(shí)的電力。在較高風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)可切換到四極主繞組，并以正常轉(zhuǎn)速運(yùn)行。渦輪發(fā)電機(jī)在平均風(fēng)速約為5ms~6ms時(shí)能自行起動(dòng)。當(dāng)一個(gè)可控硅軟起動(dòng)

12、電路將發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)子就加速至電網(wǎng)同步速度。經(jīng)過(guò)幾秒直線運(yùn)行之后，主接觸器將可控硅電路旁路，以消除半導(dǎo)體損耗。然后，在大約14ms~15ms的最高風(fēng)速范圍內(nèi)時(shí)，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的電力輸出隨最高風(fēng)速增大而大體呈線性增長(zhǎng)，這時(shí)，控制回路切入，以保持電力輸出恒定不變，并防止發(fā)電機(jī)過(guò)載。如果平均風(fēng)速超出渦輪發(fā)電機(jī)的工作極限，則控制系統(tǒng)會(huì)使輪葉周期性變距，并施以剎車(chē)以關(guān)閉渦輪發(fā)電機(jī)。當(dāng)風(fēng)速低于重新起動(dòng)的極限時(shí)，安全系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，渦輪發(fā)電機(jī)