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

1、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率半導(dǎo)體器件及控制系統(tǒng)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)?！熬G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Maja

2、ve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?？勺兊哪芰枯斎胧菍?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

3、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)

4、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AlbertBetz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（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=Cpr2V3WA式中，CP為轉(zhuǎn)子的功率系數(shù)，r為空氣的密度（單位

5、為kgm3），vw為風(fēng)速(單位是ms)，A是轉(zhuǎn)子掃過的區(qū)域渺幡巍懟啤笑桅痞兀（單位為m3）。所以，依據(jù)轉(zhuǎn)子掃過的渺幡巍懟啤笑桅痞兀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)。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。NdicWindpower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

6、制的轉(zhuǎn)子，其掃過渺幡巍懟啤笑桅痞兀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

7、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)