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)

通過(guò)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。

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(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。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。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(guò)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。