失速控制的簡單性掩飾了問題
一種限制功率獲取的方法是使轉(zhuǎn)子組件轉(zhuǎn)動到不受風(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、一個電動或液壓電動機(jī)驅(qū)動裝置、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)。
用來穩(wěn)定能量獲取的最簡單的氣動方法是采用轉(zhuǎn)子有一個固定的傾斜角的被動失速(停轉(zhuǎn))控制。在給定的轉(zhuǎn)子速度下,風(fēng)速增加會使氣流分散在輪葉表面上,產(chǎn)生失速效應(yīng)。這種氣流分散會自動限制能量的獲取,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)條件以及一個強(qiáng)大的發(fā)電機(jī)來保持穩(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)子上有氣動剎車裝置,以及在輸入軸上有普通的碟式機(jī)械剎車裝置。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,所以有時需要以電動機(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),簡易而又重量輕,采用一個雙輪葉的失速控制的轉(zhuǎn)子,其掃過面積為 2290m2。這種渦輪發(fā)電機(jī)是自起動的,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,從而實(shí)現(xiàn)一個頂部平坦的功率曲線。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)具有較好的氣動彈性,有利于“軟性”或“撓性”結(jié)構(gòu)便于吸收大動態(tài)負(fù)載。借用直升飛機(jī)的其他部件包括一個“蹺蹺板式”葉轂,它的彈性軸承可以使輪葉與輸入軸有 ±2° 的相對運(yùn)動,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)的電阻來控制激勵電流,這個滑差值就在 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,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,輸入軸碟式剎車通常能阻止轉(zhuǎn)子的運(yùn)動。