- 可變的能量輸入是對(duì)設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)
- 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化了功率獲取
- 失速控制的簡(jiǎn)單性掩飾了問題
- 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化了功率獲取
- 渦輪發(fā)電機(jī)使用三個(gè)轉(zhuǎn)子輪葉
- 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
- 使用一個(gè)有大量電極的電激同步發(fā)電機(jī)
通過風(fēng)能獲得太陽(yáng)的能量并非新鮮事物，但當(dāng)今的功率半導(dǎo)體器件與控制系統(tǒng)卻使這種能源更加適用?！?br />
在現(xiàn)有的太陽(yáng)能利用技術(shù)中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)成為大規(guī)模“綠色電能”生產(chǎn)的先鋒。
今天，美國(guó)政府和歐洲各國(guó)政府都在大力支持可持續(xù)能源的生產(chǎn)。2003年，美國(guó)的風(fēng)力發(fā)電廠裝機(jī)總值達(dá) 16 億美元，預(yù)計(jì)到 2020 年，還將再增 10 萬(wàn) MW 的裝機(jī)容量，可滿足美國(guó)電力需求的 6%。美國(guó)還將在 Majave 沙漠的 Tehachapi 建立世界上最大的地面風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。但 2002 年的數(shù)據(jù)顯示，全球 90% 的新增容量還是在歐洲。
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)師的諸多問題，對(duì)此作出正確的估計(jì)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(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 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 0.4。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(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。最大的問題一直是如何穩(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)鍵部件隔離開來(lái)，但轉(zhuǎn)子控制原理卻是一個(gè)決定性因素。控制系統(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(lái)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(lái)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(lái)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(wú)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)。
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(shí)間約為10ms，從而在湍流條件下實(shí)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(huì)影響發(fā)電效率，兆瓦級(jí)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?yàn)檗D(zhuǎn)子電路要消耗無(wú)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(huì)越來(lái)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(gè)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(dòng)，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(shí)，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(shí)，離心力驅(qū)動(dòng)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(dòng)氣動(dòng)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(gè) PC 用來(lái)獨(dú)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(jiǎn)化了功率獲取
許多風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)師都喜歡采用轉(zhuǎn)子傾斜角控制技術(shù)，因?yàn)檫@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(duì)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(dòng)失速點(diǎn)。丹麥工程師 MB Pedersen 和 P Nielsen 于 1980 年在實(shí)驗(yàn)型 Nibe-A 和 Nibe-B 渦輪發(fā)電機(jī)中試驗(yàn)了這兩種方法(參考文獻(xiàn) 1)。他們的試驗(yàn)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(shí)減小轉(zhuǎn)力推力。如今，更先進(jìn)的輪葉氣動(dòng)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(dòng)失速設(shè)計(jì)的主要實(shí)例。它的“丹麥概念”渦輪發(fā)電機(jī)包括一個(gè)轉(zhuǎn)速恒定的三輪葉轉(zhuǎn)子，一個(gè)直接為電網(wǎng)提供電力的發(fā)電機(jī)，以及失效保險(xiǎn)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(shí)，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(jì)可以雙速運(yùn)行(11rpm 或 17 rpm)，從而提高部分負(fù)載時(shí)的效率。只要在低風(fēng)速時(shí)接入一個(gè)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(shí)的電力。在較高風(fēng)速時(shí)，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(shí)能自行起動(dòng)。當(dāng)一個(gè)可控硅軟起動(dòng)電路將發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)時(shí)，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(shí)，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(zhǎng)，這時(shí)，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(huì)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(dòng)的極限時(shí)，安全系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，渦輪發(fā)電機(jī)再次起動(dòng)——除非發(fā)生故障，否則渦輪發(fā)電機(jī)會(huì)保持離線狀態(tài)。一個(gè)備份系統(tǒng)提供自動(dòng)保險(xiǎn)操作，因?yàn)樗茉诎l(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)使用離心裝置來(lái)使渦輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)失效。
變頻器簡(jiǎn)化運(yùn)行
最靈活的功率獲取與控制能力來(lái)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。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。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(wú)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(lái)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(lái)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(lái)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(wú)特別之處，并保留一個(gè)齒輪箱來(lái)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(wú)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(lái)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(lái)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(lái)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。
IGBT 取代可控硅
風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)所需的功率半導(dǎo)體器件是從事微電子學(xué)的人所不熟悉的。你要考慮的不是亞微米線寬，而是一個(gè)單器件模塊占用的歐洲標(biāo)準(zhǔn)印制板面積(從34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)。這樣的器件可在數(shù)千伏電壓下承受千安培級(jí)的電流，而且在過去幾十年內(nèi)，這一技術(shù)的進(jìn)步是對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)展的最大貢獻(xiàn)。在 Growian 時(shí)代，可控硅技術(shù)可應(yīng)付大功率應(yīng)用，但傳導(dǎo)損耗很大，并且轉(zhuǎn)換時(shí)間的性能很差，常常在 100ms 范圍內(nèi)。相應(yīng)地，變頻器級(jí)采用6個(gè)階躍或12個(gè)階躍的波形近似一個(gè)正弦波的能量分布，從而產(chǎn)生特別強(qiáng)的奇次諧波，如五次諧波和十一次諧波。這些局限導(dǎo)致人們需要使用諧波頻率濾波器。
用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)代替 Growian 的第一代可控硅，就可使用脈寬調(diào)制(PWM)來(lái)克服不良的諧波性能。該技術(shù)也使實(shí)際功率和無(wú)功功率的控制更為方便。盡管傳統(tǒng)的可控硅很耐用，當(dāng)今的可控硅，如三菱公司的 FT1500AU-240 可以在 12kV電壓下開關(guān)1.5kA 電流，開關(guān)時(shí)間為 15ms ，但當(dāng)傳導(dǎo)電流超過維持電流值時(shí)，傳統(tǒng)的可控硅是不可能關(guān)斷的。GTO(柵極可關(guān)斷)可控硅(如三菱公司的 FG6000AU-120D)可連續(xù)提供 6 kV 的電壓和1.5kA的電流，并可在 30ms 內(nèi)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷控制，但它們難以驅(qū)動(dòng)。更糟的是，所有的可控硅都很難并聯(lián)使用，而要達(dá)到風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)所需的功率水平，并聯(lián)使用常常是不可或缺的。
大功率 IGBT 既有 MOSFET 的容易驅(qū)動(dòng)和電流共享特性，又有1ms 的開關(guān)時(shí)間。雖然轉(zhuǎn)換線路頻率所需的 PWM 頻率很低，僅為幾千赫茲，但這種快速切換在IGBT穿越線性工作區(qū)時(shí)可減小傳導(dǎo)損耗。諸如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1等器件，其 導(dǎo)通時(shí)間不到 1ms，關(guān)斷時(shí)間小于 6ms，可以在 6kV 電壓下控制 1.2kA 電流；諸如該公司的 FZ3600R12KE3 等低電壓器件，可以在 1.2kV 電壓下開關(guān) 3.6kA 電流。因此，IGBT 可用于大功率變頻器和軟起動(dòng)控制器。專業(yè)生產(chǎn)大功率半導(dǎo)體器件的其他公司包括 ABB公司、Dynex公司、富士通電子公司、Powerex公司和 Semikron公司。
Gamesa E條ica 公司的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)系列具有660kW ~ 2MW輸出功率范圍，廣泛采用IGBT 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速控制和變頻控制?？勺儍A斜角轉(zhuǎn)子輪葉控制允許進(jìn)行連續(xù)調(diào)整來(lái)獲取最高的功率，并可耦合到其發(fā)電機(jī)速度范圍為900rpm~1900rpm的一個(gè) DFIG 系統(tǒng)。這種控制技術(shù)可將峰值、閃爍以及諧波都降低到最低程度，從而方便連網(wǎng)許可問題。矢量控制系統(tǒng)可產(chǎn)生或消耗無(wú)功能量，對(duì)功率系數(shù)進(jìn)行精密調(diào)整，使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性得到提高。Gamesa E條ica公司 的功率電路還使自己的渦輪機(jī)能在電網(wǎng)中其他地方發(fā)生斷電時(shí)保持在線操作。從經(jīng)濟(jì)上說，這些問題在西班牙是至關(guān)重要的，因?yàn)槲靼嘌缹?duì)高質(zhì)量的電網(wǎng)連接要征收額外關(guān)稅的。
法國(guó) Cegele 公司主管風(fēng)能部門的Ivan Novikoff指出，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)及其技術(shù)的選擇主要取決于當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施的位置和特性。Novikoff 說，電纜敷設(shè)、起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流和短路電流等問題都取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該公司在為已知用途的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)制定規(guī)范時(shí)，都要考慮許多次要而又必須考慮的問題，從允許的轉(zhuǎn)子高度、噪聲輻射，到制造商的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)質(zhì)量，不一而足。Novikoff 解釋說，從投資者的觀點(diǎn)來(lái)看，要考慮的機(jī)器經(jīng)濟(jì)因素包括風(fēng)力供應(yīng)的可靠性、機(jī)器的可靠性和維護(hù)成本以及電力生產(chǎn)關(guān)稅的差異。
