功率器件：风力发电技术与功率半导体器件及控制系统

控制系统简化了功率获取
　　许多风力涡轮发电机的设计师都喜欢采用转子倾斜角控制技术，因为这一技术可以大大缓解速度变化问题和系统功率获取问题。当代产品有两种不同的倾斜角控制方法，第一种方法是逐渐将轮叶对空气气流的攻角从满功率的最大位置减小到获取最小功率的周期变距位置 ;第二种方法是将攻角增大到发生气动失速点。丹麦工程师 MB Pedersen 和 P Nielsen 于 1980 年在实验型 Nibe-A 和 Nibe-B 涡轮发电机中试验了这两种方法（参考文献 1）。他们的试验结果显示：全轮叶倾斜角控制可使输出特性更为平滑，并有可能在高风速时减小转力推力。如今，更先进的轮叶气动算法和控制算法，有助于减小两者之间的差别。
　　Bonus Energy 公司的产品是以CombiStalls为商标的主动失速设计的主要实例。它的“丹麦概念”涡轮发电机包括一个转速恒定的三轮叶转子，一个直接为电网提供电力的发电机，以及失效保险系统。公司最大的产品是B40型2.3MW涡轮发电机，其转子扫过区域面积为5330m2。将玻璃纤维强化的环氧树脂轮叶转过 80°至停机位是可能的。正常运行时，微处理器控制的伺服回路不断将轮叶调整至失速位置。有一种双发电机设计可以双速运行（11rpm 或 17 rpm），从而提高部分负载时的效率。只要在低风速时接入一个六极发电机绕组，发电机就可产生转速为其额定转速三分之二时的电力。在较高风速时，发电机可切换到四极主绕组，并以正常转速运行。
　　涡轮发电机在平均风速约为5m/s ~ 6m/s时能自行起动。当一个可控硅软起动电路将发电机连接到电网时，转子就加速至电网同步速度。经过几秒直线运行之后，主接触器将可控硅电路旁路，以消除半导体损耗。然后，在大约 14m/s ~ 15m/s的最高风速范围内时，风力涡轮发电机的电力输出随最高风速增大而大体呈线性增长，这时，控制回路切入，以保持电力输出恒定不变，并防止发电机过载。如果平均风速超出涡轮发电机的工作极限，则控制系统会使轮叶周期性变距，并施以刹车以关闭涡轮发电机。当风速低于重新起动的极限时，安全系统会自动复位，涡轮发电机再次起动——除非发生故障，否则涡轮发电机会保持离线状态。一个备份系统提供自动保险操作，因为它能在发生严重故障时使用离心装置来使涡轮发电机控制系统失效。
　　变频器简化运行
　　最灵活的功率获取与控制能力来自于变速运行，因为涡轮发电机的转子可以理想地以最大轮叶叶尖速度比运行。人们早期进行的用一个自动齿轮箱代替固定转速步进行星齿轮箱的种种尝试，都因成本问题和可靠性问题而失败。由于滑差控制方法只能为感应发电机提供有限的速度控制，所以当今的许多涡轮发电机都采用了另一种替代方法，即80年代3MW的 Growian风力涡轮发电机试验率先使用的DFIG（双馈感应式发电机）。Growian结构包括一个同步发电机，这一发电机有一个三相滑圈馈电的转子，用以产生一个转子绕组式感应发电机。这种装置能使循环换流器将交流电流注入转子。循环换流器是一种用可控硅阵列制造的交流-交流变频器，它对三相线路频率进行采样，产生一个低频控制波形。将这一控制波形叠加在转子的电场上，就有助于稳定发电机的输出频率;控制这一控制波形的波幅和相位，就可控制发电机的功率系数，从而模拟同步发电机提供有效功率和无功功率的能力。这种结构还存在一些问题，如其中之一就是它比其他结构更容易受到电网故障的影响。
　　有一种相对简单的变速技术使用一个交流-直流-交流链路作为变频器，它先将发电机的“杂乱交流” 输出整流，然后再以线路频率换向。这一技术使发电机与负载分离，从而可使用更高效的同步发电机，并通过改变直流链路状态来保持发电机的转矩控制。Vestas 公司V90-3 MW 风力涡轮发电机是一个产品例子，它采用全轮叶斜角控制和该公司的OptiSpeed 技术来控制转子6362m2的扫过面积。OptiSpeed系统可使转子和发电机的转速改变60% 那么大，从而将输出至电网的电力变化减少到最低程度，并降低结构应力。这一系统的核心是该公司的VMP-Top控制器和变频器，它们构成功率电子电路，用来控制发电机及其送至电网变压器的输出。该风力涡轮发电机在其他方面已无特别之处，并保留一个齿轮箱来提高发电机转速（发电机的原转速范围为 9rpm~19 rpm）。
　　但是，在一种概念上最简单的方法中， Enercon公司开创了一系列无齿轮直驱式风力涡轮发电机，其额定发电量现在可达到4.5MW 。在这种设计中，将转子直接装在发电机上，就可将传动轮系轴承的数量减少到只有两个低速旋转部件。问题在于如何在低转速时产生足够的电力，以及如何用最好的方法将其转换为电网频率。Enercon公司解决发电机问题的方法是使用一个有大量电极的电激同步发电机，例如该公司的E-40机型600kW风力涡轮发电机中的直径为4.8m的84极电激励同步发电机。在这里，转子的速度从18rpm~34 rpm不等，扫过面积为1521m2。由于在工业变频驱动设计领域深厚的功底，Enercon公司 采用自己的电子电路。与之相比，Zephyros 公司刚推出的 Z72 型2MW风力涡轮发电机虽然同样具有直驱发电机，但却采用ABB 公司的改进型ACS 1000 变速电动机传动控制器。一个驱动轴轴承支承也是由 ABB 公司制造的永磁发电机。Zyphyros公司在 列举发电机损耗降低、部分负载效率出色、故障机率较低等优点时，突出了永磁发电机的好处。永磁发电机的不足之处是它因使用高导磁率的磁性材料（如钕铁硼和钐钴）而成本很高。永磁发电机的另一个缺点是功率因数特性差，必须由变频电路来进行补偿。但许多专家认为，永磁发电机是发展方向，对大型直驱设计来说尤其是这样。英国 NaREC（新能源与再生能源中心）的电气技术专家Adrian Wilson说，这种方法是当今一个以减轻重量为主要目标的研究项目的核心。由于风力涡轮发电机理论上电力输出是按它获得的空气体积的三次方增加的，所以结构件也会成比例地增加重量。Wilson说，现在的设计方法不能简单地按比例增大到10MW量级——更不用说未来需要的20MW或 30MW，所以他所在的部门正在调查一种可节省齿轮箱质量的直驱设计。这种方法同样也需要一个大直径的发电机。在该项目涉及到的尺度上，有一种可能违背常规的方法，即采用自行车轮似的结构，其辐条支持发电机的电极对。电网输出连接需要一条满功率的 交流-直流-交流 变频器链路，而变频器链路则需要多个并行的变频器。