風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率半導(dǎo)體器件及控制系統(tǒng)
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)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 Albert Betz 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（圖 1）。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=Cp×r/2×V3W×A
式中,CP 為轉(zhuǎn)子的功率系數(shù),r為空氣的密度（單位為kg/m3）,vw 為風(fēng)速(單位是m/s),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 20 kW~ 30 kW,現(xiàn)在的最高水平可達(dá) 4.5 MW。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、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、多速度變化的狂風(fēng)的情況下保護(hù)機(jī)器的運(yùn)行。作為相關(guān)質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo),Vestas公司的 V90 系列3MW風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件重量為40噸,盡管它使用了許多昂貴的碳纖維復(fù)合材料。
失速控制的簡(jiǎn)單性掩飾了問(wèn)題
一種限制功率獲取的方法是使轉(zhuǎn)子組件轉(zhuǎn)動(dòng)到不受風(fēng)吹的位子。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)一般用于保持轉(zhuǎn)子迎著風(fēng)向,它包括風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、一個(gè)電動(dòng)或液壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、接口電路以及使發(fā)電機(jī)艙旋轉(zhuǎn)的齒輪與軸承。傳感器組件經(jīng)常位于發(fā)電機(jī)艙的后方,通常
