风力发电技术与功率半导体器件及控制系统

　　通过风能获得太阳的能量并非新鲜事物，但当今的功率半导体器件与控制系统却使这种能源更加适用。　　
　　在现有的太阳能利用技术中，风力涡轮发电机成为大规模“绿色电能”生产的先锋。
　　今天，美国政府和欧洲各国政府都在大力支持可持续能源的生产。2003年，美国的风力发电厂装机总值达 16 亿美元，预计到 2020 年，还将再增 10 万 MW 的装机容量，可满足美国电力需求的 6%。美国还将在 Majave 沙漠的 Tehachapi 建立世界上最大的地面风力发电场。但 2002 年的数据显示，全球 90% 的新增容量还是在欧洲。
　　可变的能量输入是对设计师的挑战
　　先驱者们在多大程度上解决了困扰今天设计师的诸多问题，对此作出正确的估计是有益的。在这些问题中，最大的要数能量供给的可变性。普通的蒸汽涡轮机发电厂都用四个重要的机制来调节发电机的速度和电力输出：产生蒸汽的初级能耗速率；向涡轮机输送蒸汽的速率；发电机的电激励水平；转子负载角的变化。这样的发
电机是同步发电机，其中转子与电网频率的整倍数同步并以这一整倍数频率旋转。改变转子相对于零相位差“空载”位置的角度，就可以增加或减少送至电网或从电网获得的电能，从而分别使发电机或电动机运行。在典型的发电机运行中，转子超前电网约 30°。由于电力输出直接耦合到电网，强大的电网条件提供的发电机轴转矩可控制其速度，保持恒定的电网频率。
　　那么，风力能产生多少功率呢？理论表明，空气密度已知时，可用的每平方米瓦特能量值随气流的三次方变化。因此，转子性能对风力涡轮发电机设计的每个方面都是至关重要的。至关重要的参数之一就是叶尖速度比，亦即轮叶叶尖速度与自由流动空气流速度之比。这一参数描述了转子的功率系数，1919 年德国物理学家 Albert Betz 认为该系数不可能超过 0.593。在实践中，典型的转子功率系数在叶尖速度比为 7 时很少超过 0.4（图 1）。如果转子速度固定不变，效率损失忽略不计，你就可用以下公式计算风力涡轮发电机的功率输出：
　　功率=Cp×r/2×V3W×A
　　式中，CP 为转子的功率系数，r为空气的密度（单位为kg/m3），vw 为风速(单位是m/s)，A 是转子扫过的区域面积（单位为m3）。所以，依据转子扫过的面积以及每小时千瓦的发电量来考虑风力涡轮发电机是有益的。设计师的任务是以成批生产的合理价格，找到转子结构与发电机原理的最佳组合，从而实现最大的总功率系数。


　　实用型风力涡轮发电机输出功率从 20 kW~ 30 kW，现在的最高水平可达 4.5 MW。它一般使用三个转子轮叶，因为实验表明，这种结构可提供效率、动态性能与结构经济性之间的最佳平衡。核心部件一般包括转子、一个增加发电机轴速的齿轮箱、发电机、电路接口以及控制回路（图 2）。最大的问题一直是如何稳定转子速度，以实现最高的发电量。虽然风力涡轮发电机是一种机械电子系统，无法将各个关键部件隔离开来，但转子控制原理却是一个决定性因素。控制系统必须在从静止无风直到可能一个世纪才出现一次的多方向、多速度变化的狂风的情况下保护机器的运行。作为相关质量的一个指标，Vestas公司的 V90 系列3MW风力涡轮发电机的转子组件重量为40吨，尽管它使用了许多昂贵的碳纤维复合材料。
　　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。[page]

　　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（图 3）。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。
　　变频器简化运行
　　最灵活的功率获取与控制能力来自于变速运行，因为涡轮发电机的转子可以理想地以最大轮叶叶尖速度比运行。人们早期进行的用一个自动齿轮箱代替固定转速步进行星齿轮箱的种种尝试，都因成本问题和可靠性问题而失败。由于滑差控制方法只能为感应发电机提供有限的速度控制，所以当今的许多涡轮发电机都采用
了另一种替代方法，即80年代3MW的 Growian风力涡轮发电机试验率先使用的DFIG（双馈感应式发电机）。Growian结构包括一个同步发电机，这一发电机有一个三相滑圈馈电的转子，用以产生一个转子绕组式感应发电机。这种装置能使循环换流器将交流电流注入转子（图4a）。循环换流器是一种用可控硅阵列制造的交流-交流变频器，它对三相线路频率进行采样，产生一个低频控制波形（图4b）。将这一控制波形叠加在转子的电场上，就有助于稳定发电机的输出频率；控制这一控制波形的波幅和相位，就可控制发电机的功率系数，从而模拟同步发电机提供有效功率和无功功率的能力。这种结构还存在一些问题，如其中之一就是它比其他结构更容易受到电网故障的影响。
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　　有一种相对简单的变速技术使用一个交流－直流－交流链路作为变频器，它先将发电机的“杂乱交流” 输出整流，然后再以线路频率换向。这一技术使发电机与负载分离，从而可使用更高效的同步发电机，并通过改变直流链路状态来保持发电机的转矩控制。Vestas 公司V90-3 MW 风力涡轮发电机是一个产品例子，它采用全轮叶斜角控制和该公司的OptiSpeed 技术来控制转子6362m2的扫过面积。OptiSpeed系统可使转子和发电机的转速改变60% 那么大，从而将输出至电网的电力变化减少到最低程度，并降低结构应力。这一系统的核心是该公司的VMP-Top控制器和变频器，它们构成功率电子电路，用来控制发电机及其送至电网变压器的输出。该风力涡轮发电机在其他方面已无特别之处，并保留一个齿轮箱来提高发电机转速（发电机的原转速范围为 9rpm~19 rpm）。
　　但是，在一种概念上最简单的方法中， Enercon公司开创了一系列无齿轮直驱式风力涡轮发电机，其额定发电量现在可达到4.5MW 。在这种设计中，将转子直接装在发电机上，就可将传动轮系轴承的数量减少到只有两个低速旋转部件。问题在于如何在低转速时产生足够的电力，以及如何用最好的方法将其转换为电网频率。Enercon公司解决发电机问题的方法是使用一个有大量电极的电激同步发电机，例如该公司的E-40机型600kW风力涡轮发电机中的直径为4.8m的84极电激励同步发电机。在这里，转子的速度从18rpm~34 rpm不等，扫过面积为1521m2。由于在工业变频驱动设计领域深厚的功底，Enercon公司采用自己的电子电路。与之相比，Zephyros 公司刚推出的 Z72 型2MW风力涡轮发电机虽然同样具有直驱发电机，但却采用ABB 公司的改进型ACS 1000 变速电动机传动控制器。一个驱动轴轴承支承也是由 ABB 公司制造的永磁发电机。Zyphyros公司在列举发电机损耗降低、部分负载效率出色、故障机率较低等优点时，突出了永磁发电机的好处。永磁发电机的不足之处是它因使用高导磁率的磁性材料（如钕铁硼和钐钴）而成本很高。永磁发电机的另一个缺点是功率因数特性差，必须由变频电路来进行补偿。
　　但许多专家认为，永磁发电机是发展方向，对大型直驱设计来说尤其是这样。英国 NaREC（新能源与再生能源中心）的电气技术专家Adrian Wilson说,这种方法是当今一个以减轻重量为主要目标的研究项目的核心。由于风力涡轮发电机理论上电力输出是按它获得的空气体积的三次方增加的，所以结构件也会成比例地增加重量。Wilson说，现在的设计方法不能简单地按比例增大到10MW量级——更不用说未来需要的20MW或 30MW，所以他所在的部门正在调查一种可节省齿轮箱质量的直驱设计。这种方法同样也需要一个大直径的发电机。在该项目涉及到的尺度上，有一种可能违背常规的方法，即采用自行车轮似的结构，其辐条支持发电机的电极对。电网输出连接需要一条满功率的交流－直流－交流 变频器链路，而变频器链路则需要多个并行的变频器。
　　IGBT 取代可控硅
　　风力涡轮发电机所需的功率半导体器件是从事微电子学的人所不熟悉的。你要考虑的不是亚微米线宽，而是一个单器件模块占用的欧洲标准印制板面积(从34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)。这样的器件可在数千伏电压下承受千安培级的电流，而且在过去几十年内，这一技术的进步是对风力涡轮发电机发展的最大贡献。在 Growian 时代，可控硅技术可应付大功率应用，但传导损耗很大，并且转换时间的性能很差，常常在 100ms 范围内。相应地，变频器级采用6个阶跃或12个阶跃的波形近似一个正弦波的能量分布，从而产生特别强的奇次谐波，如五次谐波和十一次谐波。这些局限导致人们需要使用谐波频率滤波器。
　　用IGBT（绝缘栅双极晶体管）代替 Growian 的第一代可控硅，就可使用脉宽调制（PWM）来克服不良的谐波性能。该技术也使实际功率和无功功率的控制更为方便。尽管传统的可控硅很耐用，
当今的可控硅，如三菱公司的 FT1500AU-240 可以在 12kV电压下开关1.5kA 电流，开关时间为 15ms ，但当传导电流超过维持电流值时，传统的可控硅是不可能关断的。GTO（栅极可关断）可控硅（如三菱公司的 FG6000AU-120D）可连续提供 6 kV 的电压和1.5kA的电流，并可在 30ms 内实现关断控制，但它们难以驱动。更糟的是，所有的可控硅都很难并联使用，而要达到风力涡轮发电机所需的功率水平，并联使用常常是不可或缺的。
　　大功率 IGBT 既有 MOSFET 的容易驱动和电流共享特性，又有1ms 的开关时间。虽然转换线路频率所需的 PWM 频率很低，仅为几千赫兹，但这种快速切换在IGBT穿越线性工作区时可减小传导损耗。诸如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1等器件，其 导通时间不到 1ms，关断时间小于 6ms，可以在 6kV 电压下控制 1.2kA 电流；诸如该公司的 FZ3600R12KE3 等低电压器件，可以在 1.2kV 电压下开关 3.6kA 电流。因此，IGBT 可用于大功率变频器和软起动控制器。专业生产大功率半导体器件的其他公司包括 ABB公司、Dynex公司、富士通电子公司、Powerex公司和 Semikron公司。
　　Gamesa E條ica 公司的风力涡轮发电机系列具有660kW ~ 2MW输出功率范围，广泛采用IGBT 技术来实现变速控制和变频控制。可变倾斜角转子轮叶控制允许进行连续调整来获取最高的功率，并可耦合到其发电机速度范围为900rpm~1900rpm的一个 DFIG 系统。这种控制技术可将峰值、闪烁以及谐波都降低到最低程度，从而方便连网许可问题。矢量控制系统可产生或消耗无功能量，对功率系数进行精密调整，使电网电压稳定性得到提高。Gamesa E條ica公司的功率电路还使自己的涡轮机能在电网中其他地方发生断电时保持在线操作。从经济上说，这些问题在西班牙是至关重要的，因为西班牙对高质量的电网连接要征收额外关税的。
　　法国 Cegele 公司主管风能部门的Ivan Novikoff指出，风力涡轮发电机及其技术的选择主要取决于当地基础设施的位置和特性。Novikoff 说，电缆敷设、起动时的起动电流和短路电流等问题都取决于系统结构。该公司在为已知用途的风力涡轮发电机制定规范时，都要考虑许多次要而又必须考虑的问题，从允许的转子高度、噪声辐射，到制造商的现场服务质量，不一而足。Novikoff 解释说，从投资者的观点来看，要考虑的机器经济因素包括风力供应的可靠性、机器的可靠性和维护成本以及电力生产关税的差异。