功率器件：风力发电技术与功率半导体器件及控制系统2

　　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。

第1页/共2页   首页   下一页   上一页   尾页