功率器件：风力发电技术与功率半导体器件及控制系统

失速控制的简单性掩饰了问题

一种限制功率获取的方法是使转子组件转动到不受风吹的位子。偏转系统一般用于保持转子迎着风向，它包括风速传感器、风向传感器、一个电动或液压电动机驱动装置、接口电路以及使发电机舱旋转的齿轮与轴承。传感器组件经常位于发电机舱的后方，通常是一个带风向标的三环风速计。其它技术包括超声设备，如 Vestas公司 V90-3.0MW 上使用的一对超声装置。实际上，转子后面的风速略低于真实的风速，这是由于旋转翼片的局部低压效应所造成的。虽然这一差异不很重要，但特性化可以补偿这样的误差。然而，由于经验表明采用偏转系统的速度控制的结果并不好，所以一般设计要么保持迎风的最大功率位置，要么将发电机舱转到最小风能方向以实现停机。

用来稳定能量获取的最简单的气动方法是采用转子有一个固定的倾斜角的被动失速(停转)控制.在给定的转子速度下，风速增加会使气流分散在轮叶表面上，产生失速效应。这种气流分散会自动限制能量的获取，但却与空气密度和轮叶表面抛光质量有关。这种方法还要求稳固的电网条件以及一个强大的发电机来保持稳定性。如果电网连接失效或发生电力故障，就必须预防转子超速，从而要求转子上有气动刹车装置，以及在输入轴上有普通的碟式机械刹车装置。由于转子有固定的倾斜角，而且不能转至最高转矩位置以利于起动，所以有时需要以电动机模式运行发电机，使转子加速到与电网同步的速度。最后，这一结构必须足够牢固，能承受失速控制特有的大动态负载。

虽然如此，仍有一些成功的风力涡轮发电机采用了这一原理。 Nordic Windpower公司 的 1000 型1MW风力涡轮发电机，简易而又重量轻，采用一个双轮叶的失速控制的转子，其扫过面积为 2290m2。这种涡轮发电机是自起动的，轮叶上有失速条，以减小某些早期失速控制涡轮发电机的峰值功率曲线，从而实现一个顶部平坦的功率曲线。转子采用经玻璃纤维强化的聚脂结构，因为这种结构具有较好的气动弹性，有利于“软性”或“挠性”结构便于吸收大动态负载。借用直升飞机的其他部件包括一个“跷跷板式”叶毂，它的弹性轴承可以使轮叶与输入轴有 ±2° 的相对运动，从而降低两者间的风切变力。发电机控制系统和偏转控制系统中的额外阻尼也可进一步提高结构的挠性。

由 Weier 电子公司制造的发电机是一种四极单速感应式发电机，其转子比旋转电磁场转得稍快一些。这种“滑差”可提供一种阻尼作用，有助于抑制机电振荡。只要切换发电机转子电路内的电阻来控制激励电流，这个滑差值就在 1% ～ 10% 范围内变化。由于感应式发电机的转矩与滑差成正比例，因此这种方式就具有速度控制功能，而异步发电机则很难实现这种控制功能。在滑差为0%时，发电机与电网频率同步，既不产生也不消耗电力(转子消耗的无功功率除外)。同样，如果发电机转速比电网频率低，则它进入电动机模式，并吸收电网的电流。为限制这一电流消耗，在风速低于约 4m/s ~5m/s (即涡轮发电机的所谓切入速度)时，输入轴碟式刹车通常能阻止转子的运动。

Vestas 公司同样将滑差控制技术应用于它的 OptiSlip 系统，而转子上的电子电路与定子上的控制器之间则采用光学耦合。在本例中，控制值约为10%，工作时间约为10ms，从而在湍流条件下实现平稳的功率输出，并降低结构负载。滑差值也会影响发电效率，兆瓦级发电机的滑差值一般工作在1% 范围内，效率约为95%。因为转子电路要消耗无功功率，所以功率因数一般都较低，约为0.87。由于这一原因，开关电容器组是传统系统不可分割的一部分，但功率电路会越来越多地控制功率因数。就 Nordic公司的 1000 型涡轮发电机而言，开关电容能在涡轮发电机的整个工作范围内将输出功率因数保持在 1。

只要把阻尼因素引入偏转系统的控制环路，就可能使轮叶绕塔轴进行一定程度的摇摆运动，从而吸收湍流。因此，1000涡轮发电机的结构可以承受 55m/s 的风速，并能在 4m/s的风速下开始工作，而在 25m/s 风速下停止工作。在转子速度为 25 rpm，转子轮叶叶尖速度为 71m/s时，该发电机能在17m/s 风速下输出1MW 最大功率。当转子刚开始超速时，离心力驱动液压释放阀门，使轮叶叶尖转至刹车位置。专业生产风力发电系统的 Mita-Teknik 公司，它所生产的 SCADA(管理控制与数据采集)系统也能驱动气动刹车和机械刹车。发电机通过挠性电缆向塔座输出690V三相 交流电。SCADA 系统可以卷回电缆以防止缠绕。SCADA 系统与中心设备之间的通信是通过调制解调器和电话线，还有一个 PC 用来独立监控与记录涡轮发电机的运行情况。

控制系统简化了功率获取

许多风力涡轮发电机的设计师都喜欢采用转子倾斜角控制技术，因为这一技术可以大大缓解速度变化问题和系统功率获取问题。当代产品有两种不同的倾斜角控制方法，第一种方法是逐渐将轮叶对空气气流的攻角从满功率的最大位置减小到获取最小功率的周期变距位置 ;第二种方法是将攻角增大到发生气动失速点。丹麦工程师 MB Pedersen 和 P Nielsen 于 1980 年在实验型 Nibe-A 和 Nibe-B 涡轮发电机中试验了这两种方法(参考文献 1)。他们的试验结果显示：全轮叶倾斜角控制可使输出特性更为平滑，并有可能在高风速时减小转力推力。如今，更先进的轮叶气动算法和控制算法，有助于减小两者之间的差别。

Bonus Energy 公司的产品是以CombiStalls为商标的主动失速设计的主要实例。它的“丹麦概念”涡轮发电机包括一个转速恒定的三轮叶转子，一个直接为电网提供电力的发电机，以及失效保险系统。公司最大的产品是B40型2.3MW涡轮发电机，其转子扫过区域面积为5330m2。将玻璃纤维强化的环氧树脂轮叶转过 80°至停机位是可能的。正常运行时，微处理器控制的伺服回路不断将轮叶调整至失速位置。有一种双发电机设计可以双速运行(11rpm 或 17 rpm)，从而提高部分负载时的效率。只要在低风速时接入一个六极发电机绕组，发电机就可产生转速为其额定转速三分之二时的电力。在较高风速时，发电机可切换到四极主绕组，并以正常转速运行。

涡轮发电机在平均风速约为5m/s ~ 6m/s时能自行起动。当一个可控硅软起动电路将发电机连接到电网时，转子就加速至电网同步速度。经过几秒直线运行之后，主接触器将可控硅电路旁路，以消除半导体损耗。然后，在大约 14m/s ~ 15m/s的最高风速范围内时，风力涡轮发电机的电力输出随最高风速增大而大体呈线性增长，这时，控制回路切入，以保持电力输出恒定不变，并防止发电机过载。如果平均风速超出涡轮发电机的工作极限，则控制系统会使轮叶周期性变距，并施以刹车以关闭涡轮发电机。当风速低于重新起动的极限时，安全系统会自动复位，涡轮发电机再次起动——除非发生故障，否则涡轮发电机会保持离线状态。一个备份系统提供自动保险操作，因为它能在发生严重故障时使用离心装置来使涡轮发电机控制系统失效。