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

　　失速控制的簡(jiǎn)單性掩飾了問題
　　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，通常是一個(gè)帶風(fēng)向標(biāo)的三環(huán)風(fēng)速計(jì)。其它技術(shù)包括超聲設(shè)備，如 Vestas公司 V90-3.0MW 上使用的一對(duì)超聲裝置。實(shí)際上，轉(zhuǎn)子后面的風(fēng)速略低于真實(shí)的風(fēng)速，這是由于旋轉(zhuǎn)翼片的局部低壓效應(yīng)所造成的。雖然這一差異不很重要，但特性化可以補(bǔ)償這樣的誤差。然而，由于經(jīng)驗(yàn)表明采用偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的速度控制的結(jié)果并不好，所以一般設(shè)計(jì)要么保持迎風(fēng)的最大功率位置，要么將發(fā)電機(jī)艙轉(zhuǎn)到最小風(fēng)能方向以實(shí)現(xiàn)停機(jī)。
　　用來穩(wěn)定能量獲取的最簡(jiǎn)單的氣動(dòng)方法是采用轉(zhuǎn)子有一個(gè)固定的傾斜角的被動(dòng)失速（停轉(zhuǎn)）控制。在給定的轉(zhuǎn)子速度下，風(fēng)速增加會(huì)使氣流分散在輪葉表面上，產(chǎn)生失速效應(yīng)。這種氣流分散會(huì)自動(dòng)限制能量的獲取，但卻與空氣密度和輪葉表面拋光質(zhì)量有關(guān)。這種方法還要求穩(wěn)固的電網(wǎng)條件以及一個(gè)強(qiáng)大的發(fā)電機(jī)來保持穩(wěn)定性。如果電網(wǎng)連接失效或發(fā)生電力故障，就必須預(yù)防轉(zhuǎn)子超速，從而要求轉(zhuǎn)子上有氣動(dòng)剎車裝置，以及在輸入軸上有普通的碟式機(jī)械剎車裝置。由于轉(zhuǎn)子有固定的傾斜角，而且不能轉(zhuǎn)至最高轉(zhuǎn)矩位置以利于起動(dòng)，所以有時(shí)需要以電動(dòng)機(jī)模式運(yùn)行發(fā)電機(jī)，使轉(zhuǎn)子加速到與電網(wǎng)同步的速度。最后，這一結(jié)構(gòu)必須足夠牢固，能承受失速控制特有的大動(dòng)態(tài)負(fù)載。

　　雖然如此，仍有一些成功的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)采用了這一原理。 Nordic WindPower公司 的 1000 型1MW風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，簡(jiǎn)易而又重量輕，采用一個(gè)雙輪葉的失速控制的轉(zhuǎn)子，其掃過面積為 2290m2。這種渦輪發(fā)電機(jī)是自起動(dòng)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(jī)的峰值功率曲線，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)頂部平坦的功率曲線。轉(zhuǎn)子采用經(jīng)玻璃纖維強(qiáng)化的聚脂結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)具有較好的氣動(dòng)彈性，有利于“軟性”或“撓性”結(jié)構(gòu)便于吸收大動(dòng)態(tài)負(fù)載。借用直升飛機(jī)的其他部件包括一個(gè)“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(duì)運(yùn)動(dòng)，從而降低兩者間的風(fēng)切變力。發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)和偏轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中的額外阻尼也可進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的撓性。
　　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(chǎng)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(lì)電流，這個(gè)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(shí)現(xiàn)這種控制功能。在滑差為0%時(shí)，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(dòng)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(shí)，輸入軸碟式剎車通常能阻止轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)。