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

由 Weier 電子公司制造的發(fā)電機(jī)是一種四極單速感應(yīng)式發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子比旋轉(zhuǎn)電磁場轉(zhuǎn)得稍快一些。這種“滑差”可提供一種阻尼作用，有助于抑制機(jī)電振蕩。只要切換發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電路內(nèi)的電阻來控制激勵電流，這個滑差值就在 1% ～ 10% 范圍內(nèi)變化。由于感應(yīng)式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)則很難實現(xiàn)這種控制功能。在滑差為0%時，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)頻率同步，既不產(chǎn)生也不消耗電力(轉(zhuǎn)子消耗的無功功率除外)。同樣，如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速比電網(wǎng)頻率低，則它進(jìn)入電動機(jī)模式，并吸收電網(wǎng)的電流。為限制這一電流消耗，在風(fēng)速低于約 4m/s ~5m/s (即渦輪發(fā)電機(jī)的所謂切入速度)時，輸入軸碟式剎車通常能阻止轉(zhuǎn)子的運(yùn)動。

Vestas 公司同樣將滑差控制技術(shù)應(yīng)用于它的 OptiSlip 系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)子上的電子電路與定子上的控制器之間則采用光學(xué)耦合。在本例中，控制值約為10%，工作時間約為10ms，從而在湍流條件下實現(xiàn)平穩(wěn)的功率輸出，并降低結(jié)構(gòu)負(fù)載。滑差值也會影響發(fā)電效率，兆瓦級發(fā)電機(jī)的滑差值一般工作在1% 范圍內(nèi)，效率約為95%。因為轉(zhuǎn)子電路要消耗無功功率，所以功率因數(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 Nordic公司的 1000 型渦輪發(fā)電機(jī)而言，開關(guān)電容能在渦輪發(fā)電機(jī)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(jìn)行一定程度的搖擺運(yùn)動，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 55m/s 的風(fēng)速，并能在 4m/s的風(fēng)速下開始工作，而在 25m/s 風(fēng)速下停止工作。在轉(zhuǎn)子速度為 25 rpm，轉(zhuǎn)子輪葉葉尖速度為 71m/s時，該發(fā)電機(jī)能在17m/s 風(fēng)速下輸出1MW 最大功率。當(dāng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的 Mita-Teknik 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(jī)械剎車。發(fā)電機(jī)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 PC 用來獨立監(jiān)控與記錄渦輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況。

控制系統(tǒng)簡化了功率獲取

許多風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)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(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 MB Pedersen 和 P Nielsen 于 1980 年在實驗型 Nibe-A 和 Nibe-B 渦輪發(fā)電機(jī)中試驗了這兩種方法(參考文獻(xiàn) 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(fēng)速時減小轉(zhuǎn)力推力。如今，更先進(jìn)的輪葉氣動算法和控制算法，有助于減小兩者之間的差別。

Bonus Energy 公司的產(chǎn)品是以CombiStalls為商標(biāo)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(jī)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(jī)，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(jī)，其轉(zhuǎn)子掃過區(qū)域面積為5330m2。將玻璃纖維強(qiáng)化的環(huán)氧樹脂輪葉轉(zhuǎn)過80°至停機(jī)位是可能的。正常運(yùn)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(jī)設(shè)計可以雙速運(yùn)行(11rpm 或 17 rpm)，從而提高部分負(fù)載時的效率。只要在低風(fēng)速時接入一個六極發(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)速三分之二時的電力。在較高風(fēng)速時，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5m/s ~ 6m/s時能自行起動。當(dāng)一個可控硅軟起動電路將發(fā)電機(jī)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(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 14m/s ~ 15m/s的最高風(fēng)速范圍內(nèi)時，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，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(jī)過載。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)會使輪葉周期性變距，并施以剎車以關(guān)閉渦輪發(fā)電機(jī)。當(dāng)風(fēng)速低于重新起動的極限時，安全系統(tǒng)會自動復(fù)位，渦輪發(fā)電機(jī)再次起動——除非發(fā)生故障，否則渦輪發(fā)電機(jī)會保持離線狀態(tài)。一個備份系統(tǒng)提供自動保險操作，因為它能在發(fā)生嚴(yán)重故障時使用離心裝置來使渦輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)失效。

變頻器簡化運(yùn)行

最靈活的功率獲取與控制能力來自于變速運(yùn)行，因為渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以理想地以最大輪葉葉尖速度比運(yùn)行。人們早期進(jìn)行的用一個自動齒輪箱代替固定轉(zhuǎn)速步進(jìn)行星齒輪箱的種種嘗試，都因成本問題和可靠性問題而失敗。由于滑差控制方法只能為感應(yīng)發(fā)電機(jī)提供有限的速度控制，所以當(dāng)今的許多渦輪發(fā)電機(jī)都采用了另一種替代方法，即80年代3MW的 Growian風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)試驗率先使用的DFIG(雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī))。Growian結(jié)構(gòu)包括一個同步發(fā)電機(jī)，這一發(fā)電機(jī)有一個三相滑圈饋電的轉(zhuǎn)子，用以產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)子繞組式感應(yīng)發(fā)電機(jī)。這種裝置能使循環(huán)換流器將交流電流注入轉(zhuǎn)子。循環(huán)換流器是一種用可控硅陣列制造的交流-交流變頻器，它對三相線路頻率進(jìn)行采樣，產(chǎn)生一個低頻控制波形。將這一控制波形疊加在轉(zhuǎn)子的電場上，就有助于穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出頻率；控制這一控制波形的波幅和相位，就可控制發(fā)電機(jī)的功率系數(shù)，從而模擬同步發(fā)電機(jī)提供有效功率和無功功率的能力。這種結(jié)構(gòu)還存在一些問題，如其中之一就是它比其他結(jié)構(gòu)更容易受到電網(wǎng)故障的影響。

有一種相對簡單的變速技術(shù)使用一個交流－直流－交流鏈路作為變頻器，它先將發(fā)電機(jī)的“雜亂交流” 輸出整流，然后再以線路頻率換向。這一技術(shù)使發(fā)電機(jī)與負(fù)載分離，從而可使用更高效的同步發(fā)電機(jī)，并通過改變直流鏈路狀態(tài)來保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。Vestas 公司V90-3 MW 風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)是一個產(chǎn)品例子，它采用全輪葉斜角控制和該公司的OptiSpeed 技術(shù)來控制轉(zhuǎn)子6362m2的掃過面積。OptiSpeed系統(tǒng)可使轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變60% 那么大，從而將輸出至電網(wǎng)的電力變化減少到最低程度，并降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力。這一系統(tǒng)的核心是該公司的VMP-Top控制器和變頻器，它們構(gòu)成功率電子電路，用來控制發(fā)電機(jī)及其送至電網(wǎng)變壓器的輸出。該風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)在其他方面已無特別之處，并保留一個齒輪箱來提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(發(fā)電機(jī)的原轉(zhuǎn)速范圍為 9rpm~19 rpm)。