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)

但是，在一種概念上最簡單的方法中， Enercon公司開創(chuàng)了一系列無齒輪直驅式風力渦輪發(fā)電機，其額定發(fā)電量現(xiàn)在可達到4.5MW 。在這種設計中，將轉子直接裝在發(fā)電機上，就可將傳動輪系軸承的數(shù)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(chǎn)生足夠的電力，以及如何用最好的方法將其轉換為電網(wǎng)頻率。Enercon公司解決發(fā)電機問題的方法是使用一個有大量電極的電激同步發(fā)電機，例如該公司的E-40機型600kW風力渦輪發(fā)電機中的直徑為4.8m的84極電激勵同步發(fā)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(yè)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(fā)電機雖然同樣具有直驅發(fā)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(fā)電機。Zyphyros公司在 列舉發(fā)電機損耗降低、部分負載效率出色、故障機率較低等優(yōu)點時，突出了永磁發(fā)電機的好處。永磁發(fā)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(fā)電機的另一個缺點是功率因數(shù)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(fā)電機是發(fā)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(fā)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(xiàn)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(diào)查一種可節(jié)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(fā)電機。在該項目涉及到的尺度上，有一種可能違背常規(guī)的方法，即采用自行車輪似的結構，其輻條支持發(fā)電機的電極對。電網(wǎng)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。

IGBT 取代可控硅

風力渦輪發(fā)電機所需的功率半導體器件是從事微電子學的人所不熟悉的。你要考慮的不是亞微米線寬，而是一個單器件模塊占用的歐洲標準印制板面積(從34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)。這樣的器件可在數(shù)千伏電壓下承受千安培級的電流，而且在過去幾十年內(nèi)，這一技術的進步是對風力渦輪發(fā)電機發(fā)展的最大貢獻。在 Growian 時代，可控硅技術可應付大功率應用，但傳導損耗很大，并且轉換時間的性能很差，常常在 100ms 范圍內(nèi)。相應地，變頻器級采用6個階躍或12個階躍的波形近似一個正弦波的能量分布，從而產(chǎn)生特別強的奇次諧波，如五次諧波和十一次諧波。這些局限導致人們需要使用諧波頻率濾波器。

用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)代替 Growian 的第一代可控硅，就可使用脈寬調(diào)制(PWM)來克服不良的諧波性能。該技術也使實際功率和無功功率的控制更為方便。盡管傳統(tǒng)的可控硅很耐用，當今的可控硅，如三菱公司的 FT1500AU-240 可以在 12kV電壓下開關1.5kA 電流，開關時間為 15ms ，但當傳導電流超過維持電流值時，傳統(tǒng)的可控硅是不可能關斷的。GTO(柵極可關斷)可控硅(如三菱公司的 FG6000AU-120D)可連續(xù)提供 6 kV 的電壓和1.5kA的電流，并可在 30ms 內(nèi)實現(xiàn)關斷控制，但它們難以驅動。更糟的是，所有的可控硅都很難并聯(lián)使用，而要達到風力渦輪發(fā)電機所需的功率水平，并聯(lián)使用常常是不可或缺的。

大功率 IGBT 既有 MOSFET 的容易驅動和電流共享特性，又有1ms 的開關時間。雖然轉換線路頻率所需的 PWM 頻率很低，僅為幾千赫茲，但這種快速切換在IGBT穿越線性工作區(qū)時可減小傳導損耗。諸如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1等器件，其 導通時間不到 1ms，關斷時間小于 6ms，可以在 6kV 電壓下控制 1.2kA 電流；諸如該公司的 FZ3600R12KE3 等低電壓器件，可以在 1.2kV 電壓下開關 3.6kA 電流。因此，IGBT 可用于大功率變頻器和軟起動控制器。專業(yè)生產(chǎn)大功率半導體器件的其他公司包括 ABB公司、Dynex公司、富士通電子公司、Powerex公司和 Semikron公司。

Gamesa E條ica 公司的風力渦輪發(fā)電機系列具有660kW ~ 2MW輸出功率范圍，廣泛采用IGBT 技術來實現(xiàn)變速控制和變頻控制。可變傾斜角轉子輪葉控制允許進行連續(xù)調(diào)整來獲取最高的功率，并可耦合到其發(fā)電機速度范圍為900rpm~1900rpm的一個 DFIG 系統(tǒng)。這種控制技術可將峰值、閃爍以及諧波都降低到最低程度，從而方便連網(wǎng)許可問題。矢量控制系統(tǒng)可產(chǎn)生或消耗無功能量，對功率系數(shù)進行精密調(diào)整，使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性得到提高。Gamesa E條ica公司 的功率電路還使自己的渦輪機能在電網(wǎng)中其他地方發(fā)生斷電時保持在線操作。從經(jīng)濟上說，這些問題在西班牙是至關重要的，因為西班牙對高質量的電網(wǎng)連接要征收額外關稅的。

法國 Cegele 公司主管風能部門的Ivan Novikoff指出，風力渦輪發(fā)電機及其技術的選擇主要取決于當?shù)鼗A設施的位置和特性。Novikoff 說，電纜敷設、起動時的起動電流和短路電流等問題都取決于系統(tǒng)結構。該公司在為已知用途的風力渦輪發(fā)電機制定規(guī)范時，都要考慮許多次要而又必須考慮的問題，從允許的轉子高度、噪聲輻射，到制造商的現(xiàn)場服務質量，不一而足。Novikoff 解釋說，從投資者的觀點來看，要考慮的機器經(jīng)濟因素包括風力供應的可靠性、機器的可靠性和維護成本以及電力生產(chǎn)關稅的差異。