功率器件：风力发电技术与功率半导体器件及控制系统1

　　通过风能获得太阳的能量并非新鲜事物，但当今的功率半导体器件与控制系统却使这种能源更加适用。

　　在现有的太阳能利用技术中，风力涡轮发电机成为大规模“绿色电能”生产的先锋。

　　今天，美国政府和欧洲各国政府都在大力支持可持续能源的生产。2003年，美国的风力发电厂装机总值达 16 亿美元，预计到 2020 年，还将再增 10 万 MW 的装机容量，可满足美国电力需求的 6%。美国还将在 Majave 沙漠的 Tehachapi 建立世界上最大的地面风力发电场。但 2002 年的数据显示，全球 90% 的新增容量还是在欧洲。

　　可变的能量输入是对设计师的挑战

　　先驱者们在多大程度上解决了困扰今天设计师的诸多问题，对此作出正确的估计是有益的。在这些问题中，最大的要数能量供给的可变性。普通的蒸汽涡轮机发电厂都用四个重要的机制来调节发电机的速度和电力输出产生蒸汽的初级能耗速率；向涡轮机输送蒸汽的速率；发电机的电激励水平；转子负载角的变化。这样的发电机是同步发电机，其中转子与电网频率的整倍数同步并以这一整倍数频率旋转。改变转子相对于零相位差“空载”位置的角度，就可以增加或减少送至电网或从电网获得的电能，从而分别使发电机或电动机运行。在典型的发电机运行中，转子超前电网约 30°。由于电力输出直接耦合到电网，强大的电网条件提供的发电机轴转矩可控制其速度，保持恒定的电网频率。

　　那么，风力能产生多少功率呢？理论表明，空气密度已知时，可用的每平方米瓦特能量值随气流的三次方变化。因此，转子性能对风力涡轮发电机设计的每个方面都是至关重要的。至关重要的参数之一就是叶尖速度比，亦即轮叶叶尖速度与自由流动空气流速度之比。这一参数描述了转子的功率系数，1919 年德国物理学家 Albert Betz 认为该系数不可能超过 0.593。在实践中，典型的转子功率系数在叶尖速度比为 7 时很少超过 0.4。如果转子速度固定不变，效率损失忽略不计，你就可用以下公式计算风力涡轮发电机的功率输出功率=Cp×r/2×V3W×A 式中，CP 为转子的功率系数，r为空气的密度（单位为kg/m3），vw 为风速（单位是m/s），A 是转子扫过的区域面积（单位为m3）。所以，依据转子扫过的面积以及每小时千瓦的发电量来考虑风力涡轮发电机是有益的。设计师的任务是以成批生产的合理价格，找到转子结构与发电机原理的最佳组合，从而实现最大的总功率系数。

　　实用型风力涡轮发电机输出功率从 20 kW~ 30 kW，现在的最高水平可达 4.5 MW。它一般使用三个转子轮叶，因为实验表明，这种结构可提供效率、动态性能与结构经济性之间的最佳平衡。核心部件一般包括转子、一个增加发电机轴速的齿轮箱、发电机、电路接口以及控制回路。最大的问题一直是如何稳定转子速度，以实现最高的发电量。虽然风力涡轮发电机是一种机械电子系统，无法将各个关键部件隔离开来，但转子控制原理却是一个决定性因素。控制系统必须在从静止无风直到可能一个世纪才出现一次的多方向、多速度变化的狂风的情况下保护机器的运行。作为相关质量的一个指标，Vestas公司的 V90 系列3MW风力涡轮发电机的转子组件重量为40吨，尽管它使用了许多昂贵的碳纤维复合材料。

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