权力和控制的变革之风

在广袤的平原、干旱的沙漠、偏远的山腰，以及最近迁移到海上的地方，越来越多的兆瓦级风力涡轮机正在生产清洁电力。风力涡轮机的尺寸正在增加，以利用可获得的更高的发电成本比。美国风能协会(AWEA)估计，2008年安装的涡轮机平均规模为1.67兆瓦。与此同时，额定容量的上限为5-6兆瓦，用于海上站点。更大的风力涡轮机正在规划中。

除了在一些欧洲国家，风力发电在历史上对电力生产的贡献相对于历史悠久的能源来说很小。然而，变革之风开始刮起。根据全球风能理事会(GWEC)的数据，截至2008年底，美国的风电装机容量为25.2吉瓦(GW)，居世界首位，其次是德国(23.9吉瓦)、西班牙(16.8吉瓦)和中国(12.2吉瓦)。预计中国将在不久的将来占据领先地位。

这些巨大的风力涡轮机包含电力、液压和机械驱动，各种子系统，以及电子控制系统飞机的引擎机舱在一座高达135米(450英尺)的塔顶。转子(叶片)直径可以测量远超过100米。

已安装的设备必须能够承受恶劣的环境条件、因高低风而产生的开关循环以及机舱振动，而无需进行不必要的维护。

俯仰和偏航控制

可以说，系统中最关键、最昂贵的部分是涡轮叶片，它必须得到控制和保护。叶片间距控制调节从风中提取的功率和扭矩通过优化叶片的气流方向，而偏航控制保持机舱指向风或在需要的情况下指向风。西门子风能的首席技术官Henrik Stiesdal说:“虽然俯仰控制会对偏航调整做出反应，但它们通常是独立运行的。”“偏航控制对可用能量的影响非常小，俯仰控制也会相应调整，所以从这个意义上说，这两个系统相互影响，但通常不是故意协调的。”

博世力士乐公司(Bosch Rexroth Corp.)电气驱动与控制部门的销售和营销经理Dan Throne指出:“虽然俯pitch和偏航控制有不同的功能，但它们一起工作，可以在不断变化的风速和风向下最大限度地提高涡轮机的能量输出，并在恶劣天气条件下为叶片和塔架提供启动操作和故障安全保护。”螺距控制也减缓转子超过额定功率点。

由于风力变化，需要对单个叶片进行控制以实现最佳发电。事实上，不同的风和环境条件甚至可以存在于转子扫掠区域的顶部和底部之间。较新的大型风力涡轮机使用螺距驱动/电机在每个叶片根部提供螺距控制。偏航控制通常包括几个驱动器和电机来分配齿轮负载。俯仰和偏航驱动可以是机电或液压。

风能的发电和分配是一个多步骤的过程。ABB公司生产用于风力涡轮机应用的变频驱动器/转换器、发电机、变压器和开关设备。

能量转化

转动转子的风能必须通过发电机转化为有用的电能。齿轮箱经常但并不总是用于提高转子转速适合发电机输入。然后，变流器将发电机的可变电压/频率输出修改为恒压和恒频电力(60/50 Hz)，以耦合到电网-参见“发电”图。变流器有两个部分，在风力涡轮机和交流电网之间形成一个接口。但是，单独的发电机侧和电网侧变换器/逆变器安装在同一个空气或液冷交流驱动柜中。

风力涡轮机被设计成在一定的风速范围内运行。典型的特性，有一些变化取决于涡轮机的尺寸，包括:

• 切断速度为3米/秒(6.7英里/小时)，发电机连接到电网;

• 额定转速12- 13m /s，达到最大输出;和

• 切断速度为25米/秒，相当于56英里/小时的大风。

在切断速度下，发电机与电网断开，转子叶片倾斜到羽状位置(与气流平行)，制动系统被驱动停止并停放转子。根据博世力士乐的说法，制动器还有助于在紧急情况下停止涡轮机的负载损失，并在运动不活跃时减轻偏航驱动齿轮的负载。

控制系统

机舱顶部的风速计和传感器测量风速和其他环境条件，以传输到涡轮机控制系统。这个微型“气象站”还可以与桨叶俯仰和偏航控制进行通信。滑环在转子轮毂和机舱之间起到传递控制功率和数据的重要作用。ABB公司低压驱动产品总监Cliff D. Cole说:“由涡轮机OEM开发的定制软件和控制系统提供启动，运行或停止转子的决定。”

博世力士乐的Throne解释说，机舱内的多个冗余控制器可以监控天气状况、涡轮机运行、俯仰和偏航控制、制动系统、远程状态报告等。中央涡轮机控制器与负责风电场多台涡轮机的监控(SCADA系统)接口。后者可以通过无线或互联网通信远程访问。

例如，通用电气能源公司的中央涡轮机控制系统，命名为WindControl系统，声称能够通过紧密的转子扭矩和多个涡轮机的叶片螺距控制，即使在可变的风力和电网条件下，也能“更像传统发电厂”地运行风力发电厂。据报道，该公司的WindSCADA系统提供了一套广泛的操作工具，从涡轮机监测和控制到发电生产报告。

通用电气能源公司提供三种基本尺寸的风力涡轮机:额定功率1.5、2.5和3.6兆瓦。1.5和3.6兆瓦的机器采用双馈异步发电机，而2.5兆瓦的涡轮机配备永磁发电机和全功率转换器(见下文)。通用电气声称是美国最大的风力涡轮机供应商，也是全球第二大风力涡轮机供应商。

发电机、变换器选择

在多种发电机设计中，异步(感应)型，尤其是异步(感应)型双馈感应(DFI)发电机变体已经主导了风力涡轮机的应用。感应发电机的普及源于广泛的可用性和应用经验，类似于感应电动机。基本上，发电机是一种反向运转的马达。最近,永磁同步(PMS)发电机的使用量有所增加。每种发电机类型都有相对的优点和缺点。

功率曲线图在风速范围内的瞬时涡轮输出，由许多测量得出。图中显示了GE能源公司2.5兆瓦涡轮机的显著风速点。

DFI发电机的主要优点是，它们与较小的转换器一起工作，转换器的尺寸约为额定功率的30%，因此提供了更低的成本解决方案，ABB大马力系统交流驱动器的生产线经理Teemu Ronkainen解释说:“转换器只需要向发电机转子提供磁通量，因为定子直接连接到双馈设计中的电网。在发电机的名义速度下，它的效率很高。”除DFI型以外的发电机需要全功率转换器。

感应电机需要高速运转，因此需要变速箱。感应发电机坚固、可靠、廉价，并且经过多年的现场验证和数千次应用，”西门子的Stiesdal说。

然而，DFI发电机的一个主要缺点(没有一个全功率转换器)是“有限的能力，以满足最新和/或即将到来的电网连接规范，”Ronkainen说。此外，DFI发电机效率下降的速度低于标称，因为转子吸取有功功率。这限制了有用的速度范围，并且随着最近对在较低风速下操作涡轮机的兴趣变得重要。“用于向DFI发电机转子输送磁通量的滑环的维护是另一个问题，”Ronkainen指出。

“永磁电机可以用于高速运行，也需要变速箱，但与感应发电机不同的是，它们也可以设计为直接驱动，从而消除了对变速箱的需求，”Stiesdal继续说道。“PMS发电机往往比感应电机效率略高，但它们也相对更昂贵。”

Stiesdal指出，PMS发电机的输出电压不容易调节;它们的操作灵活性不如变转差感应电机。此外，对于永磁材料，机器间隙、温度和其他参数变得更加重要。“因此，永磁电机为电力转换系统引入了一套新的操作要求，”他说。

博世力士乐的王座同样注意到使用感应或同步发电机与多级变速箱相结合，以提供合适的输入轴速度。他称这两种发电机技术都是“经过验证的”，在PM同步的情况下，这更多地指的是小型涡轮机的经验。王座补充说:“在过去的几年里，利用直接驱动PM发电机或静压驱动(电机和泵)的技术一直在发展。

PM同步趋势

虽然带全功率转换器的感应发电机是一种选择，但ABB注意到PM同步发电机的趋势。Ronkainen引用了三种基于不同运行速度的设计，均由ABB提供:根据频率和极数的不同，配备多级齿轮箱的高速PM发电机的额定转速可达1800转。“从机械上讲，这与DFI发生器是一样的，”他说。集成单级齿轮传动的中速PM发电机将以150 rpm以上的速度运行，而低速版本(17-30 rpm，典型)，直接由涡轮转子驱动，没有中间齿轮传动。

全功率转换器(FPC)支持所有三种PM同步设计，并增加了与DFI发电机相比的优势。FPC还有助于满足日益严格的网格代码要求。Ronkainen补充说:“它将发电机与线路暂态隔离开来，能够快速响应线路故障，并且在故障期间具有更好的穿越/电网支持。”此外，全功率变流器通过满足不同电网规范的能力，促进了风力涡轮机的“全球设计”。

Switch Controls & Converters Inc.是另一家热衷于PMS发电机的公司。在AWEA的2009年风能大会上，The Switch的副总裁安德斯·特勒德森(Anders Troedson)将带全功率转换器的PMS发电机称为风力涡轮机的“新传动系统标准”。Troedson引用了年度能源生产计算，显示PM发电机(低、中、高速)提供的整体系统效率优于DFI发电机。Switch生产所有三种类型的发电机。

西门子2.3兆瓦风力涡轮机的机舱组装在该公司位于丹麦布兰德的机舱生产工厂展出。(图片由西门子能源提供)

直接驱动吗?

取消齿轮箱简化了风力涡轮机的设计，但需要一个低速永磁发电机直径大得多，以适应高磁极数(80或更多)。更大的直径也提供了产生通量所需的外围速度。迄今为止，大容量直驱发电机的成本和产量低制约了其应用。然而，这种无齿轮设计的一个引人注目的实施者是德国的Enercon GmbH，最大的风力涡轮机制造商。

在2009年风能大会的另一场演讲中，Stiesdal评论了西门子直接驱动(DD)涡轮机的发展。他解释说，每扭矩输出的成本随着功率的增加而降低，在3.6 mw的额定功率时可能达到盈亏平衡点。Stiesdal的初步结论指出，“对于大型海上涡轮机，DD概念将成为一种商业选择;对于主流的陆上涡轮机来说，结果仍然悬而未决。”

风力发电正在增长。为了在能源组合中占有适当的份额，风力发电必须解决其他问题，如涡轮机选址、环境问题和更大的公众接受度。最终，风力发电也必须在不依赖补贴的情况下平等竞争。带着对诗人的歉意，“这是我们衷心希望的圆满结局。”

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许多风能技术的参与者

风能发电和配电是一个相对年轻但正在成长的行业。它吸引了大量的制造商和开发商，他们的供应范围从完整的风力涡轮机系统到硬件和软件组件以及辅助子系统。

以下是多兆瓦(MW)风力涡轮机市场的供应商公司列表。这份清单还远远不够全面，也不包括安装或维护服务。

大型风力发电机供应商(> 1mw)

公司	总部的位置	URL
		https://www.clipperwind.com
		https://www.gamesacorp.com/en
		https://www.mpshq.com
		https://www.nordex-online.com
		https://www.siemens.com/wind

大型风力涡轮机子系统/组件供应商

	技术/产品	URL
		https://www.abb.us/drives
		https://www.amsc.com https://www.amsc-windtec.com
		https://www.beckhoffautomation.com
		https://www.boschrexroth-us.com
		https://www.cooperpower。com
		https://www.dataforth.com
		https://www.eaton.com/windpower
		https://www.hansentransmissions.com
		https://www.insensys.com
		https://www.moog.com
		https://www.ni.com
		https://www.parker.com
		https://www.theswitch.com
		https://voithturbo.com/wind-technology

Frank J. Bartos，体育博士，控制工程咨询编辑。打电话给他。braunbart@sbcglobal.net。

www.globalelove.com

也可以读，从控制工程白皮书:风车应用，信号调节技巧。

作者信息

Frank J. Bartos，体育博士，控制工程咨询编辑。打电话给他。braunbart@sbcglobal.net．

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