風力發電技術與功率半導體器件及控制系統

 　　最靈活的功率獲取與控制能力來自于變速運行，因為渦輪發電機的轉子可以理想地以最大輪葉葉尖速度比運行。人們早期進行的用一個自動齒輪箱代替固定轉速步進行星齒輪箱的種種嘗試，都因成本問題和可靠性問題而失敗。由于滑差控制方法只能為感應發電機提供有限的速度控制，所以當今的許多渦輪發電機都采用 
了另一種替代方法，即80年代3MW的 Growian風力渦輪發電機試驗率先使用的DFIG（雙饋感應式發電機）。Growian結構包括一個同步發電機，這一發電機有一個三相滑圈饋電的轉子，用以產生一個轉子繞組式感應發電機。這種裝置能使循環換流器將交流電流注入轉子（圖4a）。循環換流器是一種用可控硅陣列制造的交流-交流變頻器，它對三相線路頻率進行采樣，產生一個低頻控制波形（圖4b）。將這一控制波形疊加在轉子的電場上，就有助于穩定發電機的輸出頻率；控制這一控制波形的波幅和相位，就可控制發電機的功率系數，從而模擬同步發電機提供有效功率和無功功率的能力。這種結構還存在一些問題，如其中之一就是它比其他結構更容易受到電網故障的影響。  

       
　　有一種相對簡單的變速技術使用一個交流－直流－交流鏈路作為變頻器，它先將發電機的“雜亂交流” 輸出整流，然后再以線路頻率換向。這一技術使發電機與負載分離，從而可使用更高效的同步發電機，并通過改變直流鏈路狀態來保持發電機的轉矩控制。Vestas 公司V90-3 MW 風力渦輪發電機是一個產品例子，它采用全輪葉斜角控制和該公司的OptiSpeed 技術來控制轉子6362m2的掃過面積。OptiSpeed系統可使轉子和發電機的轉速改變60% 那么大，從而將輸出至電網的電力變化減少到最低程度，并降低結構應力。這一系統的核心是該公司的VMP-Top控制器和變頻器，它們構成功率電子電路，用來控制發電機及其送至電網變壓器的輸出。該風力渦輪發電機在其他方面已無特別之處，并保留一個齒輪箱來提高發電機轉速（發電機的原轉速范圍為 9rpm~19 rpm）。
　　但是，在一種概念上最簡單的方法中， Enercon公司開創了一系列無齒輪直驅式風力渦輪發電機，其額定發電量現在可達到4.5MW 。在這種設計中，將轉子直接裝在發電機上，就可將傳動輪系軸承的數量減少到只有兩個低速旋轉部件。問題在于如何在低轉速時產生足夠的電力，以及如何用最好的方法將其轉換為電網頻率。Enercon公司解決發電機問題的方法是使用一個有大量電極的電激同步發電機，例如該公司的E-40機型600kW風力渦輪發電機中的直徑為4.8m的84極電激勵同步發電機。在這里，轉子的速度從18rpm~34 rpm不等，掃過面積為1521m2。由于在工業變頻驅動設計領域深厚的功底，Enercon公司 采用自己的電子電路。與之相比，Zephyros 公司剛推出的  Z72 型2MW風力渦輪發電機雖然同樣具有直驅發電機，但卻采用ABB 公司的改進型ACS 1000 變速電動機傳動控制器。一個驅動軸軸承支承也是由 ABB 公司制造的永磁發電機。Zyphyros公司在 列舉發電機損耗降低、部分負載效率出色、故障機率較低等優點時，突出了永磁發電機的好處。永磁發電機的不足之處是它因使用高導磁率的磁性材料（如釹鐵硼和釤鈷）而成本很高。永磁發電機的另一個缺點是功率因數特性差，必須由變頻電路來進行補償。
　　但許多專家認為，永磁發電機是發展方向，對大型直驅設計來說尤其是這樣。英國 NaREC（新能源與再生能源中心）的電氣技術專家Adrian Wilson說,這種方法是當今一個以減輕重量為主要目標的研究項目的核心。由于風力渦輪發電機理論上電力輸出是按它獲得的空氣體積的三次方增加的，所以結構件也會成比例地增加重量。Wilson說，現在的設計方法不能簡單地按比例增大到10MW量級——更不用說未來需要的20MW或 30MW，所以他所在的部門正在調查一種可節省齒輪箱質量的直驅設計。這種方法同樣也需要一個大直徑的發電機。在該項目涉及到的尺度上，有一種可能違背常規的方法，即采用自行車輪似的結構，其輻條支持發電機的電極對。電網輸出連接需要一條滿功率的 交流－直流－交流 變頻器鏈路，而變頻器鏈路則需要多個并行的變頻器。