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

 　　最靈活的功率獲取與控制能力來自于變速運(yùn)行，因?yàn)闇u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?cè)缙谶M(jìn)行的用一個(gè)自動(dòng)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(yàn)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(gè)同步發(fā)電機(jī)，這一發(fā)電機(jī)有一個(gè)三相滑圈饋電的轉(zhuǎn)子，用以產(chǎn)生一個(gè)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（圖4a）。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(duì)三相線路頻率進(jìn)行采樣，產(chǎn)生一個(gè)低頻控制波形（圖4b）。將這一控制波形疊加在轉(zhuǎn)子的電場(chǎng)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(duì)簡(jiǎn)單的變速技術(shù)使用一個(gè)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(gè)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(gè)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）。
　　但是，在一種概念上最簡(jiǎn)單的方法中， Enercon公司開創(chuàng)了一系列無齒輪直驅(qū)式風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，其額定發(fā)電量現(xiàn)在可達(dá)到4.5MW 。在這種設(shè)計(jì)中，將轉(zhuǎn)子直接裝在發(fā)電機(jī)上，就可將傳動(dòng)輪系軸承的數(shù)量減少到只有兩個(gè)低速旋轉(zhuǎn)部件。問題在于如何在低轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生足夠的電力，以及如何用最好的方法將其轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)頻率。Enercon公司解決發(fā)電機(jī)問題的方法是使用一個(gè)有大量電極的電激同步發(fā)電機(jī)，例如該公司的E-40機(jī)型600kW風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)中的直徑為4.8m的84極電激勵(lì)同步發(fā)電機(jī)。在這里，轉(zhuǎn)子的速度從18rpm~34 rpm不等，掃過面積為1521m2。由于在工業(yè)變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域深厚的功底，Enercon公司 采用自己的電子電路。與之相比，Zephyros 公司剛推出的  Z72 型2MW風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)雖然同樣具有直驅(qū)發(fā)電機(jī)，但卻采用ABB 公司的改進(jìn)型ACS 1000 變速電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制器。一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸軸承支承也是由 ABB 公司制造的永磁發(fā)電機(jī)。Zyphyros公司在 列舉發(fā)電機(jī)損耗降低、部分負(fù)載效率出色、故障機(jī)率較低等優(yōu)點(diǎn)時(shí)，突出了永磁發(fā)電機(jī)的好處。永磁發(fā)電機(jī)的不足之處是它因使用高導(dǎo)磁率的磁性材料（如釹鐵硼和釤鈷）而成本很高。永磁發(fā)電機(jī)的另一個(gè)缺點(diǎn)是功率因數(shù)特性差，必須由變頻電路來進(jìn)行補(bǔ)償。
　　但許多專家認(rèn)為，永磁發(fā)電機(jī)是發(fā)展方向，對(duì)大型直驅(qū)設(shè)計(jì)來說尤其是這樣。英國(guó) NaREC（新能源與再生能源中心）的電氣技術(shù)專家Adrian Wilson說,這種方法是當(dāng)今一個(gè)以減輕重量為主要目標(biāo)的研究項(xiàng)目的核心。由于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)理論上電力輸出是按它獲得的空氣體積的三次方增加的，所以結(jié)構(gòu)件也會(huì)成比例地增加重量。Wilson說，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)方法不能簡(jiǎn)單地按比例增大到10MW量級(jí)——更不用說未來需要的20MW或 30MW，所以他所在的部門正在調(diào)查一種可節(jié)省齒輪箱質(zhì)量的直驅(qū)設(shè)計(jì)。這種方法同樣也需要一個(gè)大直徑的發(fā)電機(jī)。在該項(xiàng)目涉及到的尺度上，有一種可能違背常規(guī)的方法，即采用自行車輪似的結(jié)構(gòu)，其輻條支持發(fā)電機(jī)的電極對(duì)。電網(wǎng)輸出連接需要一條滿功率的 交流－直流－交流 變頻器鏈路，而變頻器鏈路則需要多個(gè)并行的變頻器。