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风力发电技术与功率半导体器件及控制系统

2012-07-12 16:36
夜隼008
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  Bonus Energy 公司的产品是以biStalls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 。/P》

  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(图4a)。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(图4b)。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)。

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