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風力發電技術與功率半導體器件及控制系統

發布時間:2010年5月14日 來源:全球節能環保網

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  Vestas 公司同樣將滑差控制技術應用于它的 OptiSlip 系統,而轉子上的電子電路與定子上的控制器之間則采用光學耦合。在本例中,控制值約為10%,工作時間約為10ms,從而在湍流條件下實現平穩的功率輸出,并降低結構負載。滑差值也會影響發電效率,兆瓦級發電機的滑差值一般工作在1% 范圍內,效率約為95%。因為轉子電路要消耗無功功率,所以功率因數一般都較低,約為0.87。由于這一原因,開關電容器組是傳統系統不可分割的一部分,但功率電路會越來越多地控制功率因數。就 Nordic公司的 1000 型渦輪發電機而言,開關電容能在渦輪發電機的整個工作范圍內將輸出功率因數保持在 1。

          


      
  只要把阻尼因素引入偏轉系統的控制環路,就可能使輪葉繞塔軸進行一定程度的搖擺運動,從而吸收湍流。因此,1000渦輪發電機的結構可以承受 55m/s 的風速,并能在 4m/s的風速下開始工作,而在 25m/s 風速下停止工作。在轉子速度為 25 rpm,轉子輪葉葉尖速度為 71m/s時,該發電機能在17m/s 風速下輸出1MW 最大功率。當轉子剛開始超速時,離心力驅動液壓釋放閥門,使輪葉葉尖轉至剎車位置。專業生產風力發電系統的 Mita-Teknik 公司,它所生產的 SCADA(管理控制與數據采集)系統也能驅動氣動剎車和機械剎車。發電機通過撓性電纜向塔座輸出690V三相 交流電。SCADA 系統可以卷回電纜以防止纏繞。SCADA 系統與中心設備之間的通信是通過調制解調器和電話線,還有一個 PC 用來獨立監控與記錄渦輪發電機的運行情況。


  控制系統簡化了功率獲取


  許多風力渦輪發電機的設計師都喜歡采用轉子傾斜角控制技術,因為這一技術可以大大緩解速度變化問題和系統功率獲取問題。當代產品有兩種不同的傾斜角控制方法,第一種方法是逐漸將輪葉對空氣氣流的攻角從滿功率的最大位置減小到獲取最小功率的周期變距位置 ;第二種方法是將攻角增大到發生氣動失速點。丹麥工程師 MB Pedersen 和 P Nielsen 于 1980 年在實驗型 Nibe-A 和 Nibe-B 渦輪發電機中試驗了這兩種方法(參考文獻 1)。他們的試驗結果顯示:全輪葉傾斜角控制可使輸出特性更為平滑,并有可能在高風速時減小轉力推力(圖 3)。如今,更先進的輪葉氣動算法和控制算法,有助于減小兩者之間的差別。      

 


  Bonus Energy 公司的產品是以CombiStalls為商標的主動失速設計的主要實例。它的“丹麥概念”渦輪發電機包括一個轉速恒定的三輪葉轉子,一個直接為電網提供電力的發電機,以及失效保險系統。公司最大的產品是B40型2.3MW渦輪發電機,其轉子掃過區域面積為5330m2。將玻璃纖維強化的環氧樹脂輪葉轉過80°至停機位是可能的。正常運行時,微處理器控制的伺服回路不斷將輪葉調整至失速位置。有一種雙發電機設計可以雙速運行(11rpm 或 17 rpm),從而提高部分負載時的效率。只要在低風速時接入一個六極發電機繞組,發電機就可產生轉速為其額定轉速三分之二時的電力。在較高風速時,發電機可切換到四極主繞組,并以正常轉速運行。


  渦輪發電機在平均風速約為5m/s ~ 6m/s時能自行起動。當一個可控硅軟起動電路將發電機連接到電網時,轉子就加速至電網同步速度。經過幾秒直線運行之后,主接觸器將可控硅電路旁路,以消除半導體損耗。然后,在大約 14m/s ~ 15m/s的最高風速范圍內時,風力渦輪發電機的電力輸出隨最高風速增大而大體呈線性增長,這時,控制回路切入,以保持電力輸出恒定不變,并防止發電機過載。如果平均風速超出渦輪發電機的工作極限,則控制系統會使輪葉周期性變距,并施以剎車以關閉渦輪發電機。當風速低于重新起動的極限時,安全系統會自動復位,渦輪發電機再次起動——除非發生故障,否則渦輪發電機會保持離線狀態。一個備份系統提供自動保險操作,因為它能在發生嚴重故障時使用離心裝置來使渦輪發電機控制系統失效。


  變頻器簡化運行


  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)。

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