風力發(fā)電技術與功率半導體器件及控制系統(tǒng)

　　失速控制的簡單性掩飾了問題
　　一種限制功率獲取的方法是使轉子組件轉動到不受風吹的位子。偏轉系統(tǒng)一般用于保持轉子迎著風向，它包括風速傳感器、風向傳感器、一個電動或液壓電動機驅(qū)動裝置、接口電路以及使發(fā)電機艙旋轉的齒輪與軸承。傳感器組件經(jīng)常位于發(fā)電機艙的后方，通常是一個帶風向標的三環(huán)風速計。其它技術包括超聲設備，如 Vestas公司 V90-3.0MW 上使用的一對超聲裝置。實際上，轉子后面的風速略低于真實的風速，這是由于旋轉翼片的局部低壓效應所造成的。雖然這一差異不很重要，但特性化可以補償這樣的誤差。然而，由于經(jīng)驗表明采用偏轉系統(tǒng)的速度控制的結果并不好，所以一般設計要么保持迎風的最大功率位置，要么將發(fā)電機艙轉到最小風能方向以實現(xiàn)停機。
　　用來穩(wěn)定能量獲取的最簡單的氣動方法是采用轉子有一個固定的傾斜角的被動失速（停轉）控制。在給定的轉子速度下，風速增加會使氣流分散在輪葉表面上，產(chǎn)生失速效應。這種氣流分散會自動限制能量的獲取，但卻與空氣密度和輪葉表面拋光質(zhì)量有關。這種方法還要求穩(wěn)固的電網(wǎng)條件以及一個強大的發(fā)電機來保持穩(wěn)定性。如果電網(wǎng)連接失效或發(fā)生電力故障，就必須預防轉子超速，從而要求轉子上有氣動剎車裝置，以及在輸入軸上有普通的碟式機械剎車裝置。由于轉子有固定的傾斜角，而且不能轉至最高轉矩位置以利于起動，所以有時需要以電動機模式運行發(fā)電機，使轉子加速到與電網(wǎng)同步的速度。最后，這一結構必須足夠牢固，能承受失速控制特有的大動態(tài)負載。

　　雖然如此，仍有一些成功的風力渦輪發(fā)電機采用了這一原理。 Nordic WindPower公司 的 1000 型1MW風力渦輪發(fā)電機，簡易而又重量輕，采用一個雙輪葉的失速控制的轉子，其掃過面積為 2290m2。這種渦輪發(fā)電機是自起動的，輪葉上有失速條，以減小某些早期失速控制渦輪發(fā)電機的峰值功率曲線，從而實現(xiàn)一個頂部平坦的功率曲線。轉子采用經(jīng)玻璃纖維強化的聚脂結構，因為這種結構具有較好的氣動彈性，有利于“軟性”或“撓性”結構便于吸收大動態(tài)負載。借用直升飛機的其他部件包括一個“蹺蹺板式”葉轂，它的彈性軸承可以使輪葉與輸入軸有 ±2° 的相對運動，從而降低兩者間的風切變力。發(fā)電機控制系統(tǒng)和偏轉控制系統(tǒng)中的額外阻尼也可進一步提高結構的撓性。
　　由 Weier 電子公司制造的發(fā)電機是一種四極單速感應式發(fā)電機，其轉子比旋轉電磁場轉得稍快一些。這種“滑差”可提供一種阻尼作用，有助于抑制機電振蕩。只要切換發(fā)電機轉子電路內(nèi)的電阻來控制激勵電流，這個滑差值就在 1% ～ 10% 范圍內(nèi)變化。由于  感應式發(fā)電機的轉矩與滑差成正比例，因此這種方式就具有速度控制功能，而異步發(fā)電機則很難實現(xiàn)這種控制功能。在滑差為0%時，發(fā)電機與電網(wǎng)頻率同步，既不產(chǎn)生也不消耗電力（轉子消耗的無功功率除外）。同樣，如果發(fā)電機轉速比電網(wǎng)頻率低，則它進入電動機模式，并吸收電網(wǎng)的電流。為限制這一電流消耗，在風速低于約 4m/s ~5m/s （即渦輪發(fā)電機的所謂切入速度）時，輸入軸碟式剎車通常能阻止轉子的運動。