通過(guò)風(fēng)能獲得太陽(yáng)的能量并非新鮮事物，但當(dāng)今的功率半導(dǎo)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(yáng)能利用技術(shù)中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)成為大規(guī)模“綠色電能”生產(chǎn)的先鋒。

　　今天，美國(guó)政府和歐洲各國(guó)政府都在大力支持可持續(xù)能源的生產(chǎn)。2003年，美國(guó)的風(fēng)力發(fā)電廠裝機(jī)總值達(dá) 16 億美元，預(yù)計(jì)到 2020 年，還將再增 10 萬(wàn) MW 的裝機(jī)容量，可滿(mǎn)足美國(guó)電力需求的 6%。美國(guó)還將在 Majave 沙漠的 Tehachapi 建立世界上最大的地面風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。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(duì)設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)

　　先驅(qū)者們?cè)诙啻蟪潭壬辖鉀Q了困擾今天設(shè)計(jì)師的諸多問(wèn)題，對(duì)此作出正確的估計(jì)是有益的。在這些問(wèn)題中，最大的要數(shù)能量供給的可變性。普通的蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電廠都用四個(gè)重要的機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的速度和電力輸出：產(chǎn)生蒸汽的初級(jí)能耗速率;向渦輪機(jī)輸送蒸汽的速率;發(fā)電機(jī)的電激勵(lì)水平;轉(zhuǎn)子負(fù)載角的變化。這樣的發(fā)電機(jī)是同步發(fā)電機(jī)，其中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。改變轉(zhuǎn)子相對(duì)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(jī)或電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。在典型的發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子超前電網(wǎng)約 30°。由于電力輸出直接耦合到電網(wǎng)，強(qiáng)大的電網(wǎng)條件提供的發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩可控制其速度，保持恒定的電網(wǎng)頻率。

　　那么，風(fēng)力能產(chǎn)生多少功率呢？理論表明，空氣密度已知時(shí)，可用的每平方米瓦特能量值隨氣流的三次方變化。因此，轉(zhuǎn)子性能對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的每個(gè)方面都是至關(guān)重要的。至關(guān)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(dòng)空氣流速度之比。這一參數(shù)描述了轉(zhuǎn)子的功率系數(shù)，1919 年德國(guó)物理學(xué)家 Albert Betz 認(rèn)為該系數(shù)不可能超過(guò) 0.593。在實(shí)踐中，典型的轉(zhuǎn)子功率系數(shù)在葉尖速度比為 7 時(shí)很少超過(guò) 0.4。如果轉(zhuǎn)子速度固定不變，效率損失忽略不計(jì)，你就可用以下公式計(jì)算風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的功率輸出：功率=Cp×r/2×V3W×A 式中，CP 為轉(zhuǎn)子的功率系數(shù)，r為空氣的密度（單位為kg/m3），vw 為風(fēng)速（單位是m/s），A 是轉(zhuǎn)子掃過(guò)的區(qū)域面積（單位為m3）。所以，依據(jù)轉(zhuǎn)子掃過(guò)的面積以及每小時(shí)千瓦的發(fā)電量來(lái)考慮風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)是有益的。設(shè)計(jì)師的任務(wù)是以成批生產(chǎn)的合理價(jià)格，找到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與發(fā)電機(jī)原理的最佳組合，從而實(shí)現(xiàn)最大的總功率系數(shù)。

　　實(shí)用型風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)輸出功率從 20 kW~ 30 kW，現(xiàn)在的最高水平可達(dá) 4.5 MW。它一般使用三個(gè)轉(zhuǎn)子輪葉，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)可提供效率、動(dòng)態(tài)性能與結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性之間的最佳平衡。核心部件一般包括轉(zhuǎn)子、一個(gè)增加發(fā)電機(jī)軸速的齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電路接口以及控制回路。最大的問(wèn)題一直是如何穩(wěn)定轉(zhuǎn)子速度，以實(shí)現(xiàn)最高的發(fā)電量。雖然風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)是一種機(jī)械電子系統(tǒng)，無(wú)法將各個(gè)關(guān)鍵部件隔離開(kāi)來(lái)，但轉(zhuǎn)子控制原理卻是一個(gè)決定性因素。控制系統(tǒng)必須在從靜止無(wú)風(fēng)直到可能一個(gè)世紀(jì)才出現(xiàn)一次的多方向、多速度變化的狂風(fēng)的情況下保護(hù)機(jī)器的運(yùn)行。作為相關(guān)質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)，Vestas公司的 V90 系列3MW風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件重量為40噸，盡管它使用了許多昂貴的碳纖維復(fù)合材料。

　　通過(guò)風(fēng)能獲得太陽(yáng)的能量并非新鮮事物，但當(dāng)今的功率半導(dǎo)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(yáng)能利用技術(shù)中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)成為大規(guī)模“綠色電能”生產(chǎn)的先鋒。

　　今天，美國(guó)政府和歐洲各國(guó)政府都在大力支持可持續(xù)能源的生產(chǎn)。2003年，美國(guó)的風(fēng)力發(fā)電廠裝機(jī)總值達(dá) 16 億美元，預(yù)計(jì)到 2020 年，還將再增 10 萬(wàn) MW 的裝機(jī)容量，可滿(mǎn)足美國(guó)電力需求的 6%。美國(guó)還將在 Majave 沙漠的 Tehachapi 建立世界上最大的地面風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。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(duì)設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)

　　先驅(qū)者們?cè)诙啻蟪潭壬辖鉀Q了困擾今天設(shè)計(jì)師的諸多問(wèn)題，對(duì)此作出正確的估計(jì)是有益的。在這些問(wèn)題中，最大的要數(shù)能量供給的可變性。普通的蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電廠都用四個(gè)重要的機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的速度和電力輸出：產(chǎn)生蒸汽的初級(jí)能耗速率;向渦輪機(jī)輸送蒸汽的速率;發(fā)電機(jī)的電激勵(lì)水平;轉(zhuǎn)子負(fù)載角的變化。這樣的發(fā)電機(jī)是同步發(fā)電機(jī)，其中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。改變轉(zhuǎn)子相對(duì)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(jī)或電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。在典型的發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子超前電網(wǎng)約 30°。由于電力輸出直接耦合到電網(wǎng)，強(qiáng)大的電網(wǎng)條件提供的發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩可控制其速度，保持恒定的電網(wǎng)頻率。

　　那么，風(fēng)力能產(chǎn)生多少功率呢？理論表明，空氣密度已知時(shí)，可用的每平方米瓦特能量值隨氣流的三次方變化。因此，轉(zhuǎn)子性能對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的每個(gè)方面都是至關(guān)重要的。至關(guān)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(dòng)空氣流速度之比。這一參數(shù)描述了轉(zhuǎn)子的功率系數(shù)，1919 年德國(guó)物理學(xué)家 Albert Betz 認(rèn)為該系數(shù)不可能超過(guò) 0.593。在實(shí)踐中，典型的轉(zhuǎn)子功率系數(shù)在葉尖速度比為 7 時(shí)很少超過(guò) 0.4。如果轉(zhuǎn)子速度固定不變，效率損失忽略不計(jì)，你就可用以下公式計(jì)算風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的功率輸出：功率=Cp×r/2×V3W×A 式中，CP 為轉(zhuǎn)子的功率系數(shù)，r為空氣的密度（單位為kg/m3），vw 為風(fēng)速（單位是m/s），A 是轉(zhuǎn)子掃過(guò)的區(qū)域面積（單位為m3）。所以，依據(jù)轉(zhuǎn)子掃過(guò)的面積以及每小時(shí)千瓦的發(fā)電量來(lái)考慮風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)是有益的。設(shè)計(jì)師的任務(wù)是以成批生產(chǎn)的合理價(jià)格，找到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與發(fā)電機(jī)原理的最佳組合，從而實(shí)現(xiàn)最大的總功率系數(shù)。

　　實(shí)用型風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)輸出功率從 20 kW~ 30 kW，現(xiàn)在的最高水平可達(dá) 4.5 MW。它一般使用三個(gè)轉(zhuǎn)子輪葉，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)可提供效率、動(dòng)態(tài)性能與結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性之間的最佳平衡。核心部件一般包括轉(zhuǎn)子、一個(gè)增加發(fā)電機(jī)軸速的齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電路接口以及控制回路。最大的問(wèn)題一直是如何穩(wěn)定轉(zhuǎn)子速度，以實(shí)現(xiàn)最高的發(fā)電量。雖然風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)是一種機(jī)械電子系統(tǒng)，無(wú)法將各個(gè)關(guān)鍵部件隔離開(kāi)來(lái)，但轉(zhuǎn)子控制原理卻是一個(gè)決定性因素?？刂葡到y(tǒng)必須在從靜止無(wú)風(fēng)直到可能一個(gè)世紀(jì)才出現(xiàn)一次的多方向、多速度變化的狂風(fēng)的情況下保護(hù)機(jī)器的運(yùn)行。作為相關(guān)質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)，Vestas公司的 V90 系列3MW風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件重量為40噸，盡管它使用了許多昂貴的碳纖維復(fù)合材料。

　　失速控制的簡(jiǎn)單性掩飾了問(wèn)題

　　一種限制功率獲取的方法是使轉(zhuǎn)子組件轉(zhuǎn)動(dòng)到不受風(fēng)吹的位子。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)一般用于保持轉(zhuǎn)子迎著風(fēng)向，它包括風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、一個(gè)電動(dòng)或液壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、接口電路以及使發(fā)電機(jī)艙旋轉(zhuǎn)的齒輪與軸承。傳感器組件經(jīng)常位于發(fā)電機(jī)艙的后方，通常是一個(gè)帶風(fēng)向標(biāo)的三環(huán)風(fēng)速計(jì)。其它技術(shù)包括超聲設(shè)備，如 Vestas公司 V90-3.0MW 上使用的一對(duì)超聲裝置。實(shí)際上，轉(zhuǎn)子后面的風(fēng)速略低于真實(shí)的風(fēng)速，這是由于旋轉(zhuǎn)翼片的局部低壓效應(yīng)所造成的。雖然這一差異不很重要，但特性化可以補(bǔ)償這樣的誤差。然而，由于經(jīng)驗(yàn)表明采用偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的速度控制的結(jié)果并不好，所以一般設(shè)計(jì)要么保持迎風(fēng)的最大功率位置，要么將發(fā)電機(jī)艙轉(zhuǎn)到最小風(fēng)能方向以實(shí)現(xiàn)停機(jī)。

　　用來(lái)穩(wěn)定能量獲取的最簡(jiǎn)單的氣動(dòng)方法是采用轉(zhuǎn)子有一個(gè)固定的傾斜角的被動(dòng)失速（停轉(zhuǎn)）控制。在給定的轉(zhuǎn)子速度下，風(fēng)速增加會(huì)使氣流分散在輪葉表面上，產(chǎn)生失速效應(yīng)。這種氣流分散會(huì)自動(dòng)限制能量的獲取，但卻與空氣密度和輪葉表面拋光質(zhì)量有關(guān)。這種方法還要求穩(wěn)固的電網(wǎng)條件以及一個(gè)強(qiáng)大的發(fā)電機(jī)來(lái)保持穩(wěn)定性。如果電網(wǎng)連接失效或發(fā)生電力故障，就必須預(yù)防轉(zhuǎn)子超速，從而要求轉(zhuǎn)子上有氣動(dòng)剎車(chē)裝置，以及在輸入軸上有普通的碟式機(jī)械剎車(chē)裝置。由于轉(zhuǎn)子有固定的傾斜角，而且不能轉(zhuǎn)至最高轉(zhuǎn)矩位置以利于起動(dòng)，所以有時(shí)需要以電動(dòng)機(jī)模式運(yùn)行發(fā)電機(jī)，使轉(zhuǎn)子加速到與電網(wǎng)同步的速度。最后，這一結(jié)構(gòu)必須足夠牢固，能承受失速控制特有的大動(dòng)態(tài)負(fù)載。

　　雖然如此，仍有一些成功的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)采用了這一原理。 Nordic Windpower公司 的 1000 型1MW風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，簡(jiǎn)易而又重量輕，采用一個(gè)雙輪葉的失速控制的轉(zhuǎn)子，其掃過(guò)面積為 2290m2。這種渦輪發(fā)電機(jī)是自起動(dòng)的，輪葉上有失速條，以減小某些早期失速控制渦輪發(fā)電機(jī)的峰值功率曲線(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)頂部平坦的功率曲線(xiàn)。轉(zhuǎn)子采用經(jīng)玻璃纖維強(qiáng)化的聚脂結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)具有較好的氣動(dòng)彈性，有利于“軟性”或“撓性”結(jié)構(gòu)便于吸收大動(dòng)態(tài)負(fù)載。借用直升飛機(jī)的其他部件包括一個(gè)“蹺蹺板式”葉轂，它的彈性軸承可以使輪葉與輸入軸有 ±2° 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而降低兩者間的風(fēng)切變力。發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)和偏轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中的額外阻尼也可進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的撓性。

　　由 Weier 電子公司制造的發(fā)電機(jī)是一種四極單速感應(yīng)式發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子比旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)得稍快一些。這種“滑差”可提供一種阻尼作用，有助于抑制機(jī)電振蕩。只要切換發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電路內(nèi)的電阻來(lái)控制激勵(lì)電流，這個(gè)滑差值就在 1% ～ 10% 范圍內(nèi)變化。由于感應(yīng)式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與滑差成正比例，因此這種方式就具有速度控制功能，而異步發(fā)電機(jī)則很難實(shí)現(xiàn)這種控制功能。在滑差為0%時(shí)，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)頻率同步，既不產(chǎn)生也不消耗電力（轉(zhuǎn)子消耗的無(wú)功功率除外）。同樣，如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速比電網(wǎng)頻率低，則它進(jìn)入電動(dòng)機(jī)模式，并吸收電網(wǎng)的電流。為限制這一電流消耗，在風(fēng)速低于約 4m/s ~5m/s （即渦輪發(fā)電機(jī)的所謂切入速度）時(shí)，輸入軸碟式剎車(chē)通常能阻止轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)。

　　Vestas 公司同樣將滑差控制技術(shù)應(yīng)用于它的 OptiSlip 系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)子上的電子電路與定子上的控制器之間則采用光學(xué)耦合。在本例中，控制值約為10%，工作時(shí)間約為10ms，從而在湍流條件下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的功率輸出，并降低結(jié)構(gòu)負(fù)載。滑差值也會(huì)影響發(fā)電效率，兆瓦級(jí)發(fā)電機(jī)的滑差值一般工作在1% 范圍內(nèi)，效率約為95%。因?yàn)檗D(zhuǎn)子電路要消耗無(wú)功功率，所以功率因數(shù)一般都較低，約為0.87。由于這一原因，開(kāi)關(guān)電容器組是傳統(tǒng)系統(tǒng)不可分割的一部分，但功率電路會(huì)越來(lái)越多地控制功率因數(shù)。就 Nordic公司的 1000 型渦輪發(fā)電機(jī)而言，開(kāi)關(guān)電容能在渦輪發(fā)電機(jī)的整個(gè)工作范圍內(nèi)將輸出功率因數(shù)保持在 1。

　　只要把阻尼因素引入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制環(huán)路，就可能使輪葉繞塔軸進(jìn)行一定程度的搖擺運(yùn)動(dòng)，從而吸收湍流。因此，1000渦輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以承受 55m/s 的風(fēng)速，并能在 4m/s的風(fēng)速下開(kāi)始工作，而在 25m/s 風(fēng)速下停止工作。在轉(zhuǎn)子速度為 25 rpm，轉(zhuǎn)子輪葉葉尖速度為 71m/s時(shí)，該發(fā)電機(jī)能在17m/s 風(fēng)速下輸出1MW 最大功率。當(dāng)轉(zhuǎn)子剛開(kāi)始超速時(shí)，離心力驅(qū)動(dòng)液壓釋放閥門(mén)，使輪葉葉尖轉(zhuǎn)至剎車(chē)位置。專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的 Mita-Teknik 公司，它所生產(chǎn)的 SCADA（管理控制與數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)也能驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)剎車(chē)和機(jī)械剎車(chē)。發(fā)電機(jī)通過(guò)撓性電纜向塔座輸出690V三相 交流電。SCADA 系統(tǒng)可以卷回電纜以防止纏繞。SCADA 系統(tǒng)與中心設(shè)備之間的通信是通過(guò)調(diào)制解調(diào)器和電話(huà)線(xiàn)，還有一個(gè) PC 用來(lái)獨(dú)立監(jiān)控與記錄渦輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況。

　　控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化了功率獲取

　　許多風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)師都喜歡采用轉(zhuǎn)子傾斜角控制技術(shù)，因?yàn)檫@一技術(shù)可以大大緩解速度變化問(wèn)題和系統(tǒng)功率獲取問(wèn)題。當(dāng)代產(chǎn)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(duì)空氣氣流的攻角從滿(mǎn)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(fā)生氣動(dòng)失速點(diǎn)。丹麥工程師 MB Pedersen 和 P Nielsen 于 1980 年在實(shí)驗(yàn)型 Nibe-A 和 Nibe-B 渦輪發(fā)電機(jī)中試驗(yàn)了這兩種方法（參考文獻(xiàn) 1）。他們的試驗(yàn)結(jié)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(fēng)速時(shí)減小轉(zhuǎn)力推力。如今，更先進(jìn)的輪葉氣動(dòng)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(chǎn)品是以CombiStalls為商標(biāo)的主動(dòng)失速設(shè)計(jì)的主要實(shí)例。它的“丹麥概念”渦輪發(fā)電機(jī)包括一個(gè)轉(zhuǎn)速恒定的三輪葉轉(zhuǎn)子，一個(gè)直接為電網(wǎng)提供電力的發(fā)電機(jī)，以及失效保險(xiǎn)系統(tǒng)。公司最大的產(chǎn)品是B40型2.3MW渦輪發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子掃過(guò)區(qū)域面積為5330m2。將玻璃纖維強(qiáng)化的環(huán)氧樹(shù)脂輪葉轉(zhuǎn)過(guò) 80°至停機(jī)位是可能的。正常運(yùn)行時(shí)，微處理器控制的伺服回路不斷將輪葉調(diào)整至失速位置。有一種雙發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)可以雙速運(yùn)行（11rpm 或 17 rpm），從而提高部分負(fù)載時(shí)的效率。只要在低風(fēng)速時(shí)接入一個(gè)六極發(fā)電機(jī)繞組，發(fā)電機(jī)就可產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速三分之二時(shí)的電力。在較高風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)可切換到四極主繞組，并以正常轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

　　渦輪發(fā)電機(jī)在平均風(fēng)速約為5m/s ~ 6m/s時(shí)能自行起動(dòng)。當(dāng)一個(gè)可控硅軟起動(dòng)電路將發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)子就加速至電網(wǎng)同步速度。經(jīng)過(guò)幾秒直線(xiàn)運(yùn)行之后，主接觸器將可控硅電路旁路，以消除半導(dǎo)體損耗。然后，在大約 14m/s ~ 15m/s的最高風(fēng)速范圍內(nèi)時(shí)，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的電力輸出隨最高風(fēng)速增大而大體呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，這時(shí)，控制回路切入，以保持電力輸出恒定不變，并防止發(fā)電機(jī)過(guò)載。如果平均風(fēng)速超出渦輪發(fā)電機(jī)的工作極限，則控制系統(tǒng)會(huì)使輪葉周期性變距，并施以剎車(chē)以關(guān)閉渦輪發(fā)電機(jī)。當(dāng)風(fēng)速低于重新起動(dòng)的極限時(shí)，安全系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，渦輪發(fā)電機(jī)再次起動(dòng)——除非發(fā)生故障，否則渦輪發(fā)電機(jī)會(huì)保持離線(xiàn)狀態(tài)。一個(gè)備份系統(tǒng)提供自動(dòng)保險(xiǎn)操作，因?yàn)樗茉诎l(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)使用離心裝置來(lái)使渦輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)失效。

　　變頻器簡(jiǎn)化運(yùn)行

　　最靈活的功率獲取與控制能力來(lái)自于變速運(yùn)行，因?yàn)闇u輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以理想地以最大輪葉葉尖速度比運(yùn)行。人們?cè)缙谶M(jìn)行的用一個(gè)自動(dòng)齒輪箱代替固定轉(zhuǎn)速步進(jìn)行星齒輪箱的種種嘗試，都因成本問(wèn)題和可靠性問(wèn)題而失敗。由于滑差控制方法只能為感應(yīng)發(fā)電機(jī)提供有限的速度控制，所以當(dāng)今的許多渦輪發(fā)電機(jī)都采用了另一種替代方法，即80年代3MW的 Growian風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)試驗(yàn)率先使用的DFIG（雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)）。Growian結(jié)構(gòu)包括一個(gè)同步發(fā)電機(jī)，這一發(fā)電機(jī)有一個(gè)三相滑圈饋電的轉(zhuǎn)子，用以產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組式感應(yīng)發(fā)電機(jī)。這種裝置能使循環(huán)換流器將交流電流注入轉(zhuǎn)子。循環(huán)換流器是一種用可控硅陣列制造的交流-交流變頻器，它對(duì)三相線(xiàn)路頻率進(jìn)行采樣，產(chǎn)生一個(gè)低頻控制波形。將這一控制波形疊加在轉(zhuǎn)子的電場(chǎng)上，就有助于穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出頻率;控制這一控制波形的波幅和相位，就可控制發(fā)電機(jī)的功率系數(shù)，從而模擬同步發(fā)電機(jī)提供有效功率和無(wú)功功率的能力。這種結(jié)構(gòu)還存在一些問(wèn)題，如其中之一就是它比其他結(jié)構(gòu)更容易受到電網(wǎng)故障的影響。

　　有一種相對(duì)簡(jiǎn)單的變速技術(shù)使用一個(gè)交流-直流-交流鏈路作為變頻器，它先將發(fā)電機(jī)的“雜亂交流” 輸出整流，然后再以線(xiàn)路頻率換向。這一技術(shù)使發(fā)電機(jī)與負(fù)載分離，從而可使用更高效的同步發(fā)電機(jī)，并通過(guò)改變直流鏈路狀態(tài)來(lái)保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。Vestas 公司V90-3 MW 風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)是一個(gè)產(chǎn)品例子，它采用全輪葉斜角控制和該公司的OptiSpeed 技術(shù)來(lái)控制轉(zhuǎn)子6362m2的掃過(guò)面積。OptiSpeed系統(tǒng)可使轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變60% 那么大，從而將輸出至電網(wǎng)的電力變化減少到最低程度，并降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力。這一系統(tǒng)的核心是該公司的VMP-Top控制器和變頻器，它們構(gòu)成功率電子電路，用來(lái)控制發(fā)電機(jī)及其送至電網(wǎng)變壓器的輸出。該風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)在其他方面已無(wú)特別之處，并保留一個(gè)齒輪箱來(lái)提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（發(fā)電機(jī)的原轉(zhuǎn)速范圍為 9rpm~19 rpm）。

　　但是，在一種概念上最簡(jiǎn)單的方法中， Enercon公司開(kāi)創(chuàng)了一系列無(wú)齒輪直驅(qū)式風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，其額定發(fā)電量現(xiàn)在可達(dá)到4.5MW 。在這種設(shè)計(jì)中，將轉(zhuǎn)子直接裝在發(fā)電機(jī)上，就可將傳動(dòng)輪系軸承的數(shù)量減少到只有兩個(gè)低速旋轉(zhuǎn)部件。問(wèn)題在于如何在低轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生足夠的電力，以及如何用最好的方法將其轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)頻率。Enercon公司解決發(fā)電機(jī)問(wèn)題的方法是使用一個(gè)有大量電極的電激同步發(fā)電機(jī)，例如該公司的E-40機(jī)型600kW風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)中的直徑為4.8m的84極電激勵(lì)同步發(fā)電機(jī)。在這里，轉(zhuǎn)子的速度從18rpm~34 rpm不等，掃過(guò)面積為1521m2。由于在工業(yè)變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)領(lǐng)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(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)雖然同樣具有直驅(qū)發(fā)電機(jī)，但卻采用ABB 公司的改進(jìn)型ACS 1000 變速電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制器。一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸軸承支承也是由 ABB 公司制造的永磁發(fā)電機(jī)。Zyphyros公司在 列舉發(fā)電機(jī)損耗降低、部分負(fù)載效率出色、故障機(jī)率較低等優(yōu)點(diǎn)時(shí)，突出了永磁發(fā)電機(jī)的好處。永磁發(fā)電機(jī)的不足之處是它因使用高導(dǎo)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(jī)的另一個(gè)缺點(diǎn)是功率因數(shù)特性差，必須由變頻電路來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。但許多專(zhuān)家認(rèn)為，永磁發(fā)電機(jī)是發(fā)展方向，對(duì)大型直驅(qū)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)尤其是這樣。英國(guó) NaREC（新能源與再生能源中心）的電氣技術(shù)專(zhuān)家Adrian Wilson說(shuō)，這種方法是當(dāng)今一個(gè)以減輕重量為主要目標(biāo)的研究項(xiàng)目的核心。由于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)件也會(huì)成比例地增加重量。Wilson說(shuō)，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)方法不能簡(jiǎn)單地按比例增大到10MW量級(jí)——更不用說(shuō)未來(lái)需要的20MW或 30MW，所以他所在的部門(mén)正在調(diào)查一種可節(jié)省齒輪箱質(zhì)量的直驅(qū)設(shè)計(jì)。這種方法同樣也需要一個(gè)大直徑的發(fā)電機(jī)。在該項(xiàng)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(chē)輪似的結(jié)構(gòu)，其輻條支持發(fā)電機(jī)的電極對(duì)。電網(wǎng)輸出連接需要一條滿(mǎn)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(gè)并行的變頻器。

　　IGBT 取代可控硅

　　風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)所需的功率半導(dǎo)體器件是從事微電子學(xué)的人所不熟悉的。你要考慮的不是亞微米線(xiàn)寬，而是一個(gè)單器件模塊占用的歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(jí)的電流，而且在過(guò)去幾十年內(nèi)，這一技術(shù)的進(jìn)步是對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)展的最大貢獻(xiàn)。在 Growian 時(shí)代，可控硅技術(shù)可應(yīng)付大功率應(yīng)用，但傳導(dǎo)損耗很大，并且轉(zhuǎn)換時(shí)間的性能很差，常常在 100ms 范圍內(nèi)。相應(yīng)地，變頻器級(jí)采用6個(gè)階躍或12個(gè)階躍的波形近似一個(gè)正弦波的能量分布，從而產(chǎn)生特別強(qiáng)的奇次諧波，如五次諧波和十一次諧波。這些局限導(dǎo)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(lái)克服不良的諧波性能。該技術(shù)也使實(shí)際功率和無(wú)功功率的控制更為方便。盡管傳統(tǒng)的可控硅很耐用，當(dāng)今的可控硅，如三菱公司的 FT1500AU-240 可以在 12kV電壓下開(kāi)關(guān)1.5kA 電流，開(kāi)關(guān)時(shí)間為 15ms ，但當(dāng)傳導(dǎo)電流超過(guò)維持電流值時(shí)，傳統(tǒng)的可控硅是不可能關(guān)斷的。GTO（柵極可關(guān)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(shí)現(xiàn)關(guān)斷控制，但它們難以驅(qū)動(dòng)。更糟的是，所有的可控硅都很難并聯(lián)使用，而要達(dá)到風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)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(qū)動(dòng)和電流共享特性，又有1ms 的開(kāi)關(guān)時(shí)間。雖然轉(zhuǎn)換線(xiàn)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(xiàn)性工作區(qū)時(shí)可減小傳導(dǎo)損耗。諸如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1等器件，其 導(dǎo)通時(shí)間不到 1ms，關(guān)斷時(shí)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(kāi)關(guān) 3.6kA 電流。因此，IGBT 可用于大功率變頻器和軟起動(dòng)控制器。專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)大功率半導(dǎo)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(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)系列具有660kW ~ 2MW輸出功率范圍，廣泛采用IGBT 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速控制和變頻控制?？勺儍A斜角轉(zhuǎn)子輪葉控制允許進(jìn)行連續(xù)調(diào)整來(lái)獲取最高的功率，并可耦合到其發(fā)電機(jī)速度范圍為900rpm~1900rpm的一個(gè) DFIG 系統(tǒng)。這種控制技術(shù)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(wèn)題。矢量控制系統(tǒng)可產(chǎn)生或消耗無(wú)功能量，對(duì)功率系數(shù)進(jìn)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(jī)能在電網(wǎng)中其他地方發(fā)生斷電時(shí)保持在線(xiàn)操作。從經(jīng)濟(jì)上說(shuō)，這些問(wèn)題在西班牙是至關(guān)重要的，因?yàn)槲靼嘌缹?duì)高質(zhì)量的電網(wǎng)連接要征收額外關(guān)稅的。

　　法國(guó) Cegele 公司主管風(fēng)能部門(mén)的Ivan Novikoff指出，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)及其技術(shù)的選擇主要取決于當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施的位置和特性。Novikoff 說(shuō)，電纜敷設(shè)、起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流和短路電流等問(wèn)題都取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該公司在為已知用途的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)制定規(guī)范時(shí)，都要考慮許多次要而又必須考慮的問(wèn)題，從允許的轉(zhuǎn)子高度、噪聲輻射，到制造商的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)質(zhì)量，不一而足。Novikoff 解釋說(shuō)，從投資者的觀點(diǎn)來(lái)看，要考慮的機(jī)器經(jīng)濟(jì)因素包括風(fēng)力供應(yīng)的可靠性、機(jī)器的可靠性和維護(hù)成本以及電力生產(chǎn)關(guān)稅的差異。