功率器件：風力發(fā)電技術與功率半導體器件及控制系統(tǒng)1

　　通過風能獲得太陽的能量并非新鮮事物，但當今的功率半導體器件與控制系統(tǒng)卻使這種能源更加適用。

　　在現(xiàn)有的太陽能利用技術中，風力渦輪發(fā)電機成為大規(guī)模“綠色電能”生產(chǎn)的先鋒。

　　今天，美國政府和歐洲各國政府都在大力支持可持續(xù)能源的生產(chǎn)。2003年，美國的風力發(fā)電廠裝機總值達 16 億美元，預計到 2020 年，還將再增 10 萬 MW 的裝機容量，可滿足美國電力需求的 6%。美國還將在 Majave 沙漠的 Tehachapi 建立世界上最大的地面風力發(fā)電場。但 2002 年的數(shù)據(jù)顯示，全球 90% 的新增容量還是在歐洲。

　　可變的能量輸入是對設計師的挑戰(zhàn)

　　先驅者們在多大程度上解決了困擾今天設計師的諸多問題，對此作出正確的估計是有益的。在這些問題中，最大的要數(shù)能量供給的可變性。普通的蒸汽渦輪機發(fā)電廠都用四個重要的機制來調節(jié)發(fā)電機的速度和電力輸出產(chǎn)生蒸汽的初級能耗速率；向渦輪機輸送蒸汽的速率；發(fā)電機的電激勵水平；轉子負載角的變化。這樣的發(fā)電機是同步發(fā)電機，其中轉子與電網(wǎng)頻率的整倍數(shù)同步并以這一整倍數(shù)頻率旋轉。改變轉子相對于零相位差“空載”位置的角度，就可以增加或減少送至電網(wǎng)或從電網(wǎng)獲得的電能，從而分別使發(fā)電機或電動機運行。在典型的發(fā)電機運行中，轉子超前電網(wǎng)約 30°。由于電力輸出直接耦合到電網(wǎng)，強大的電網(wǎng)條件提供的發(fā)電機軸轉矩可控制其速度，保持恒定的電網(wǎng)頻率。

　　那么，風力能產(chǎn)生多少功率呢？理論表明，空氣密度已知時，可用的每平方米瓦特能量值隨氣流的三次方變化。因此，轉子性能對風力渦輪發(fā)電機設計的每個方面都是至關重要的。至關重要的參數(shù)之一就是葉尖速度比，亦即輪葉葉尖速度與自由流動空氣流速度之比。這一參數(shù)描述了轉子的功率系數(shù)，1919 年德國物理學家 Albert Betz 認為該系數(shù)不可能超過 0.593。在實踐中，典型的轉子功率系數(shù)在葉尖速度比為 7 時很少超過 0.4。如果轉子速度固定不變，效率損失忽略不計，你就可用以下公式計算風力渦輪發(fā)電機的功率輸出功率=Cp×r/2×V3W×A 式中，CP 為轉子的功率系數(shù)，r為空氣的密度（單位為kg/m3），vw 為風速（單位是m/s），A 是轉子掃過的區(qū)域面積（單位為m3）。所以，依據(jù)轉子掃過的面積以及每小時千瓦的發(fā)電量來考慮風力渦輪發(fā)電機是有益的。設計師的任務是以成批生產(chǎn)的合理價格，找到轉子結構與發(fā)電機原理的最佳組合，從而實現(xiàn)最大的總功率系數(shù)。

　　實用型風力渦輪發(fā)電機輸出功率從 20 kW~ 30 kW，現(xiàn)在的最高水平可達 4.5 MW。它一般使用三個轉子輪葉，因為實驗表明，這種結構可提供效率、動態(tài)性能與結構經(jīng)濟性之間的最佳平衡。核心部件一般包括轉子、一個增加發(fā)電機軸速的齒輪箱、發(fā)電機、電路接口以及控制回路。最大的問題一直是如何穩(wěn)定轉子速度，以實現(xiàn)最高的發(fā)電量。雖然風力渦輪發(fā)電機是一種機械電子系統(tǒng)，無法將各個關鍵部件隔離開來，但轉子控制原理卻是一個決定性因素。控制系統(tǒng)必須在從靜止無風直到可能一個世紀才出現(xiàn)一次的多方向、多速度變化的狂風的情況下保護機器的運行。作為相關質量的一個指標，Vestas公司的 V90 系列3MW風力渦輪發(fā)電機的轉子組件重量為40噸，盡管它使用了許多昂貴的碳纖維復合材料。

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