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

1、風力發(fā)電技術(shù)與功率半導體器件及控制系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)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(shù)中，風力渦輪發(fā)電機成為大規(guī)模“綠色電能”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(shè)計師的挑戰(zhàn)先驅(qū)者們在多大程度上解決了困擾今天設(shè)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(diào)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(zhuǎn)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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子性能對風力渦輪發(fā)

4、電機設(shè)計的每個方面都是至關(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(zhuǎn)子功率系數(shù)在葉尖速度比為7時很少超過0.4。如果轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的功率系數(shù)，r為空氣的密度(單位為kgm

5、3)，vw為風速(單位是ms)，A是轉(zhuǎn)子掃過的區(qū)域面積(單位為m3)。所以，依據(jù)轉(zhuǎn)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(shè)計師的任務(wù)是以成批生產(chǎn)的合理價格，找到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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20kW~30kW，現(xiàn)在的最高水平可達4.5MW。它一般使用三個轉(zhuǎn)子輪葉，因為實驗表明，這種結(jié)構(gòu)可提供效率、動態(tài)性能與結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性之間的最佳平衡。核心部件一般包括轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)鍵部件隔離開來，但轉(zhuǎn)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、在湍流條件下實現(xiàn)平穩(wěn)的功率輸出，并降低結(jié)構(gòu)負載?；钪狄矔绊懓l(fā)電效率，兆瓦級發(fā)電機的滑差值一般工作在1%范圍內(nèi)，效率約為95%。因為轉(zhuǎn)子電路要消耗無功功率，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，但功率電路會越來越多地控制功率因數(shù)。就Ndic公司的1000型渦輪發(fā)電機而言，開關(guān)電容能在渦輪發(fā)電機的整個工作范圍內(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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)

8、子速度為25rpm，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子剛開始超速時，離心力驅(qū)動液壓釋放閥門，使輪葉葉尖轉(zhuǎn)至剎車位置。專業(yè)生產(chǎn)風力發(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(shè)備之間的通信是通過調(diào)制解調(diào)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。控制系統(tǒng)簡化了功率獲取許多風力渦輪發(fā)電機的設(shè)計師都喜歡采用轉(zhuǎn)子傾斜角控制技術(shù)，因為這一技術(shù)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(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(jié)果顯示：全輪葉傾斜角控制可使輸出特性更為平滑，并有可能在高風速時減小轉(zhuǎn)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(chǎn)品是以CombiStalls為商標的主動失速設(shè)計的主要實例。它的“丹麥概念”渦輪發(fā)電機包括一個轉(zhuǎn)速恒定的三輪葉轉(zhuǎn)子，一個直接為電網(wǎng)提供電力的發(fā)電機，以及失效保險系統(tǒng)。公司最大的產(chǎn)品是B40型2.3MW渦輪發(fā)電機，其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)整至失速位置。有一種雙發(fā)電機設(shè)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(chǎn)生轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wǎng)時，轉(zhuǎn)子就加速至電網(wǎng)同步速度。經(jīng)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(nèi)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(guān)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