经由过程风能获得太阳的能并非新鲜事物，但现今的功率半导体器件与控制系统却使这类能源加倍适用。　　

       在现有的太阳能哄骗技术中，风力涡轮发机电成为年夜规模“绿色电能”生产的先锋。

　　今天，美国政府和欧洲列国政府都在年夜力支持可延续能源的生产。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，可知足美国电力需求的 6%。美国还将在 Majave 沙漠的 Tehachapi 建立上年夜的地面风力发电场。但 2002 年的数据显示， 90% 的新增容仍是在欧洲。

　　可变的能输进是对设计师的挑战

　　先驱者们在多年夜水平上解决了困扰今天设计师的诸多问题，对此作出准确的估是有益的。在这些问题中，年夜的要数能供给的可变性。普通的蒸汽涡轮机发电厂都用四个重要的机制来调理发机电的速度和电力输出：发生蒸汽的低级能耗速度；向涡轮机输送蒸汽的速度；发机电的电激励水平；转子负载角的变化。这样的发机电是同步发机电，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。改变转子相对零相位差“空载”位置的角度，就能够增加或削减送至电网或从电网获得的电能，从而划分使发机电或电念头运行。在典型的发机电运行中，转子超前电网约 30°。由于电力输出直接耦合到电网，壮大的电网条件提供的发机电轴转矩可控制其速度，连结恒定的电网频率。

　　那末，风力能发生几多功率呢？理论讲明，空气密度已知时，可用的每平方米瓦特能值随气流的三次方变化。是以，转子性能对风力涡轮发机电设计的每一个方面都是相当重要的。相当重要的参数就是叶尖速度比，亦即轮叶叶尖速度与自由流动空气流速度之比。这一参数描写了转子的功率系数，1919 年德国物理学家 Albert Betz 认为该系数不成能跨越 0.593。在实践中，典型的转子功率系数在叶尖速度比为 7 时很少跨越 0.4。若是转子速度固定不变，效率损失疏忽不计，你就可用以下公式计较风力涡轮发机电的功率输出:

　　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(单元为kg/m3)，vw 为风速(单元是m/s)，A 是转子扫过的区域面积(单元为m3)。所以，依据转子扫过的面积和每小时千瓦的发电来斟酌风力涡轮发机电是有益的。设计师的使命是以成批生产的合理价格，找到转子结构与发机电原理的好组合，从而实现年夜的总功率系数。

　　实用型风力涡轮发机电输出功率从 20 kW~ 30 kW，现在的高水平可达 4.5 MW。它一般使用三个转子轮叶，由于实验讲明，这类结构可提供效率、动态性能与结构经济性之间的好平衡。焦点部件一般包括转子、一个增加发机电轴速的齿轮箱、发机电、电路接口和控制回路（图 2）。年夜的问题一直是若何稳定转子速度，以实现高的发电。虽然风力涡轮发机电是一种机械电子系统，没法将各个关头部件隔脱离来，但转子控制原理却是一个决议性身分。控制系统必需在从静止无风直到可能一个世纪才泛起一次的多标的目的、多速度变化的狂风的情况下庇护机械的运行。作为相关的一个指标，Vestas公司的 V90 系列3MW风力涡轮发机电的转子组件重为40吨，虽然它使用了许多昂贵的碳纤维复合材料。

　　失速控制的简单性掩饰了问题

　　一种限制功率获取的方式是使转子组件转动到不受风吹的位子。偏转系统一般用于连结转子迎着风向，它包括风速传感器、风向传感器、一个电动或液压电念头驱动装配、接口电路和使发机电舱旋转的齿轮与轴承。传感器组件经常位于发机电舱的后方，凡是是一个带风向标的三环风速计。其它技术包括超声装备，如 Vestas公司 V90-3.0MW 上使用的一对超声装配。现实上，转子后面的风速略低于真实的风速，这是由于旋转翼片的局部低压效应所酿成的。虽然这一差异不很重要，但特征化可以抵偿这样的误差。然而，由于经验讲明采用偏转系统的速度控制的成效其实不好，所以一般设计要末连结迎风的年夜功率位置，要末将发机电舱转到小风能标的目的以实现停机。

　　用来稳定能获取的简单的气动方式是采用转子有一个固定的倾斜角的被动失速(停转)控制。在给定的转子速度下，风速增加会使气流涣散在轮叶概况上，发生失速效应。这类气流涣散会自动限制能的获取，但却与空气密度和轮叶概况抛光有关。这类方式还要求稳固的电网条件和一个壮大的发机电来连结稳定性。若是电网毗连失效或发生电力故障，就必需预防转子超速，从而要求转子上有气动刹车装配，和在输进轴上有普通的碟式机械刹车装配。由于转子有固定的倾斜角，而且不能转至高转矩位置以利于起动，所以有时需要以电念头模式运行发机电，使转子加速到与电网同步的速度。后，这一结构必需足够巩固，能承受失速控制独有的年夜动态负载。

　　虽然如斯，仍有一些成功的风力涡轮发机电采用了这一原理。 Nordic Windpower公司 的 1000 型1MW风力涡轮发机电，简略单纯而又重轻，采用一个双轮叶的失速控制的转子，其扫过面积为 2290m2。这类涡轮发机电是自起动的，轮叶上有失速条，以减小某些早期失速控制涡轮发机电的峰值功率曲线，从而实现一个顶部平展的功率曲线。转子采用经玻璃纤维强化的聚脂结构，由于这类结构具有较好的气动弹性，有益于“软性”或“挠性”结构便于吸收年夜动态负载。借用直升飞机的其他部件包括一个“跷跷板式”叶毂，它的弹性轴承可以使轮叶与输进轴有 ±2° 的相对运动，从而下降两者间的风切变力。发机电控制系统和偏转控制系统中的额外阻尼也可进一步提高结构的挠性。

　　由 Weier 电子公司制造的发机电是一种四极单速感应式发机电，其转子比旋转电磁场转得稍快一些。这类“滑差”可提供一种阻尼作用，有助于抑制机电振荡。只要切换发机电转子电路内的电阻来控制激励电流，这个滑差值就在 1% ～ 10% 范围内变化。由于感应式发机电的转矩与滑差成正比例，是以这类方式就具有速度控制功能，而异步发机电则很难实现这类控制功能。在滑差为0%时，发机电与电网频率同步，既不发生也不用耗电力(转子消耗的无功功率除外)。一样，若是发机电转速比电网频率低，则它进进电念头模式，并吸收电网的电流。为限制这一电流消耗，在风速低于约 4m/s ~5m/s (即涡轮发机电的所谓切进速度)时，输进轴碟式刹车凡是能阻止转子的运动。

      Vestas 公司一样将滑差控制技术运用于它的 OptiSlip 系统，而转子上的电子电路与定子上的控制器之间则采用光学耦合。在本例中，控制值约为10%，工作时间约为10ms，从而在湍流条件下实现平稳的功率输出，并下降结构负载。滑差值也会影响发电效率，兆瓦级发机电的滑差值一般工作在1% 范围内，效率约为95%。由于转子电路要消耗无功功率，所以功率因数一般都较低，约为0.87。由于这一缘由，开关电容器组是传统系统不成朋分的一部门，但功率电路会越来越多地控制功率因数。就 Nordic公司的 1000 型涡轮发机电而言，开关电容能在涡轮发机电的整个工作范围内将输出功率因数连结在 1。

　　只要把阻尼身分引进偏转系统的控制环路，就可能使轮叶绕塔轴进行一定水平的摇摆运动，从而吸收湍流。是以，1000涡轮发机电的结构可以承受 55m/s 的风速，并能在 4m/s的风速下起头工作，而在 25m/s 风速下遏制工作。在转子速度为 25 rpm，转子轮叶叶尖速度为 71m/s时，该发机电能在17m/s 风速下输出1MW 年夜功率。当转子刚起头超速时，离心力驱动液压释放阀门，使轮叶叶尖转至刹车位置。生产风力发电系统的 Mita-Teknik 公司，它所生产的 SCADA(经管控制与数据收集)系统也能驱动气动刹车和机械刹车。发机电经由过程挠性电缆向塔座输出690V三相 交流电。SCADA 系统可以卷回电缆以避免环绕纠缠。SCADA 系统与中心装备之间的通讯是经由过程调制解调器和电话线，还有一个 PC 用来自力监控与记实涡轮发机电的运行情况。

　　控制系统简化了功率获取

　　许多风力涡轮发机电的设计师都喜欢采用转子倾斜角控制技术，由于这一技术可以年夜年夜减缓速度变化问题和系统功率获取问题。今世产物有两种分歧的倾斜角控制方式，种方式是逐渐将轮叶对空气气流的攻角从满功率的年夜位置减小到获取小功率的周期变距位置 ；第二种方式是将攻角增年夜到发生气动失速点。丹麦工程师 MB Pedersen 和 P Nielsen 于 1980 年在实验型 Nibe-A 和 Nibe-B 涡轮发机电中实验了这两种方式(参考文献 1)。他们的实验成效显示：全轮叶倾斜角控制可以使输出特征更为平滑，并有可能在高风速时减小转力推力。现在，更进步前辈的轮叶气动算法和控制算法，有助于减小两者之间的差异。

　　Bonus Energy 公司的产物是以CombiStalls为商标的自动失速设计的主要实例。它的“丹麦概念”涡轮发机电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机电，和失效保险系统。公司年夜的产物是B40型2.3MW涡轮发机电，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，微处置器控制的伺服回路不竭将轮叶调整至失速位置。有一种双发机电设计可以双速运行(11rpm 或 17 rpm)，从而提高部门负载时的效率。只要在低风速时接进一个六极发机电绕组，发机电就可发生转速为其额定转速三分之二时的电力。在较高风速时，发机电可切换到四极主绕组，并以正常转速运行。

　　涡轮发机电在平均风速约为5m/s ~ 6m/s时能自行起动。当一个可控硅软起动电路将发机电毗连到电网时，转子就加速至电网同步速度。经过几秒直线运行以后，主接触器将可控硅电路旁路，以消除半导体消耗。然后，在年夜约 14m/s ~ 15m/s的高风速范围内时，风力涡轮发机电的电力输出随高风速增年夜而年夜体呈线性增加，这时候，控制回路切进，以连结电力输出恒定不变，并避免发机电过载。若是平均风速超越涡轮发机电的工作极限，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机电。当风速低于重新起动的极限时，平安系统会自动复位，涡轮发机电再次起动——除非发生故障，否则涡轮发机电会连结离线状态。一个备份系统提供自动保险操作，由于它能在发生严重故障时使用离心装配来使涡轮发机电控制系统失效。

　　变频器简化运行

　　灵活的功率获取与控制能力来自于变速运行，由于涡轮发机电的转子可以理想地以年夜轮叶叶尖速度比运行。人们早期进行的用一个自动齿轮箱取代固定转速步进行星齿轮箱的种种测验考试，都因成本问题和靠得住性问题而失败。由于滑差控制方式只能为感应发机电提供有限的速度控制，所以现今的许多涡轮发机电都采用了另外一种替换方式，即80年月3MW的 Growian风力涡轮发机电实验率先使用的DFIG(双馈感应式发机电)。Growian结构包括一个同步发机电，这一发机电有一个三相滑圈馈电的转子，用以发生一个转子绕组式感应发机电。这类装配能使轮回换流器将交流电流注进转子。轮回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，发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，就有助于稳定发机电的输出频率；控制这一控制波形的波幅和相位，就可控制发机电的功率系数，从而模拟同步发机电提供有用功率和无功功率的能力。这类结构还存在一些问题，如其中就是它比其他结构更容易遭到电网故障的影响。

　　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，它先将发机电的“杂乱交流” 输出整流，然后再以线路频率换向。这一技术使发机电与负载分手，从而可以使用更高效的同步发机电，并经由过程改变直流链路状态来连结发机电的转矩控制。Vestas 公司V90-3 MW 风力涡轮发机电是一个产物例子，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系统可以使转子和发机电的转速改变60% 那末年夜，从而将输出至电网的电力变化削减到低水平，并下降结构应力。这一系统的焦点是该公司的VMP-Top控制器和变频器，它们组成功率电子电路，用来控制发机电及其送至电网变压器的输出。该风力涡轮发机电在其他方面已无出格的地方，并保留一个齿轮箱来提多发机电转速(发机电的原转速范围为 9rpm~19 rpm)。

　　可是，在一种概念上简单的方式中， Enercon公司开创了一系列无齿轮直驱式风力涡轮发机电，其额定发电现在可到达4.5MW 。在这类设计中，将转子直接装在发机电上，就可将传动轮系轴承的数目削减到只有两个低速旋转部件。问题在于若何在低转速时发生足够的电力，和若何用好的方式将其转换为电网频率。Enercon公司解决发机电问题的方式是使用一个有年夜电极的电激同步发机电，例如该公司的E-40机型600kW风力涡轮发机电中的直径为4.8m的84极电激励同步发机电。在这里，转子的速度从18rpm~34 rpm不等，扫过面积为1521m2。由于在工变频驱动设计领域深挚的功底，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风力涡轮发机电虽然一样具有直驱发机电，但却采用ABB 公司的改良型ACS 1000 变速电念头传动控制器。一个驱动轴轴承支承也是由 ABB 公司制造的永磁发机电。Zyphyros公司在 列举发机电消耗下降、部门负载效率超卓、故障机率较低等点时，突出了永磁发机电的益处。永磁发机电的不足的地方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。永磁发机电的另外一个错误谬误是功率因数特征差，必需由变频电路来进行抵偿。但许多家认为，永磁发机电是成长标的目的，对年夜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)的电气技术家Adrian Wilson说,这类方式是现今一个以减轻重为主要方针的研究项目的焦点。由于风力涡轮发机电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。Wilson说，现在的设计方式不能简单地按比例增年夜到10MW级——更不用说未来需要的20MW或 30MW，所以他所在的部门正在查询拜访一种可节省齿轮箱的直驱设计。这类方式一样也需要一个年夜直径的发机电。在该项目触及到的尺度上，有一种可能背背常规的方式，即采用自行车轮似的结构，其辐条支持发机电的电极对。电网输出毗连需要一条满功率的 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。 

　　IGBT 取代可控硅

　　风力涡轮发机电所需的功率半导体器件是从事微电子学的人所不熟悉的。你要斟酌的不是亚微米线宽，而是一个单器件模块占用的欧洲尺度印制板面积(从34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)。这样的器件可在数千伏电压下承受千安培级的电流，而且在曩昔几十年内，这一技术的前进是对风力涡轮发机电成长的年夜进献。在 Growian 时代，可控硅技术可应付年夜功率运用，但传导消耗很年夜，而且转换时间的性能很差，经常在 100ms 范围内。响应地，变频器级采用6个阶跃或12个阶跃的波形近似一个正弦波的能散布，从而发生出格强的奇次谐波，如五次谐波和十一次谐波。这些局限致使人们需要使用谐波频率滤波器。

　　用IGBT(尽缘栅双极晶体管)取代 Growian 的代可控硅，就可以使用脉宽调制(PWM)来克服不良的谐波性能。该技术也使现实功率和无功功率的控制更为利便。虽然传统的可控硅很耐用，现今的可控硅，如三菱公司的 FT1500AU-240 可以在 12kV电压下开关1.5kA 电流，开关时间为 15ms ，但当传导电流跨越维持电流值时，传统的可控硅是不成能关断的。GTO(栅极可关断)可控硅(如三菱公司的 FG6000AU-120D)可接连提供 6 kV 的电压和1.5kA的电流，并可在 30ms 内实现关断控制，但它们难以驱动。更糟的是，所有的可控硅都很难并联使用，而要到达风力涡轮发机电所需的功率水平，并联使用经常是不成或缺的。

　　年夜功率 IGBT 既有 MOSFET 的容易驱动和电流同享特征，又有1ms 的开关时间。虽然转换线路频率所需的 PWM 频率很低，仅为几千赫兹，但这类快速切换在IGBT穿越线性工作区时可减小传导消耗。诸如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1等器件，其 导通时间不到 1ms，关断时间小于 6ms，可以在 6kV 电压下控制 1.2kA 电流；诸如该公司的 FZ3600R12KE3 等低电压器件，可以在 1.2kV 电压下开关 3.6kA 电流。是以，IGBT 可用于年夜功率变频器和软起动控制器。生产年夜功率半导体器件的其他公司包括 ABB公司、Dynex公司、富士通电子公司、Powerex公司和 Semikron公司。

　　Gamesa E條ica 公司的风力涡轮发机电系列具有660kW ~ 2MW输出功率范围，普遍采用IGBT 技术来实现变速控制和变频控制。可变倾斜角转子轮叶控制允许进行接连调整来获取高的功率，并可耦合到其发机电速度范围为900rpm~1900rpm的一个 DFIG 系统。这类控制技术可将峰值、闪灼和谐波都下降到低水平，从而利便连网许可问题。矢控制系统可发生或消耗无功能，对功率系数进行细密调整，使电网电压稳定性获得提高。Gamesa E條ica公司 的功率电路还使自己的涡轮性能在电网中其他地方发生断电时连结在线操作。从经济上说，这些问题在西班牙是相当重要的，由于西班牙对高的电网毗连要征收额外关税的。

　　法国 Cegele 公司主管风能部门的Ivan Novikoff指出，风力涡轮发机电及其技术的选择主要取决于当地根蒂根基举措措施的位置和特征。Novikoff 说，电缆敷设、起动时的起动电流和短路电流等问题都取决于系统结构。该公司在为已知用途的风力涡轮发机电制定例范时，都要斟酌许屡次要而又必需斟酌的问题，从允许的转子高度、噪声辐射，到制造商的现场服务，纷歧而足。Novikoff 诠释说，从投资者的概念来看，要斟酌的机械经济身分包括风力供给的靠得住性、机械的靠得住性和维护成本和电力生产关税的差异。