介紹

作為最具前景的替代能源之一，風(fēng)力發(fā)電不受金融危機(jī)和經(jīng)濟(jì)衰退的影響，預(yù)估會(huì)在未來(lái)5年以每年22.4%的速度持續(xù)增長(zhǎng)[1]。大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)目前也已經(jīng)開(kāi)始擴(kuò)展到離岸的深水區(qū)域，例如愛(ài)爾蘭海的25MW Arklow海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，以及可以提供420MW發(fā)電容量的美國(guó)第一個(gè)離岸風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)風(fēng)角(Cape Wind)。

除了關(guān)注預(yù)計(jì)會(huì)在尺寸以及安裝數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)大型數(shù)MW風(fēng)力渦輪機(jī)外，大部分功率逆變器制造商面對(duì)的市場(chǎng)商機(jī)大多在100kW的小型風(fēng)力渦輪機(jī)市場(chǎng)。雖然相對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電，風(fēng)力功率逆變器的市場(chǎng)較小，但卻正在大幅增長(zhǎng)。許多新的進(jìn)展正在影響這個(gè)領(lǐng)域，包括風(fēng)能建筑(Building Integrated Wind Energy, BIWE)，例如1kW的AVX 1000和60kW的WindCube?，以及垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，如UGE 10kW VAWT[2]。

聚焦小型風(fēng)力渦輪機(jī)市場(chǎng)

美國(guó)小型風(fēng)力渦輪機(jī)市場(chǎng)在2008年增長(zhǎng)了78%，增加17.3MW的發(fā)電容量，相同時(shí)間全球的增長(zhǎng)大約在53%和38.7MW，其中美國(guó)制造商占有2008年全球小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)銷售的49%，持續(xù)保持著長(zhǎng)期的主導(dǎo)地位[3]。

對(duì)于美國(guó)小型風(fēng)力渦輪機(jī)的商用市場(chǎng)(21-100kW)，增長(zhǎng)主要來(lái)自于更多的私人投資而增加的生產(chǎn)數(shù)量。而在占有市場(chǎng)份額最大的家用市場(chǎng)，則受到投資和批量生產(chǎn)所帶來(lái)的成本降低所推動(dòng)，家用電力價(jià)格的升高和大眾對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的更多了解也是市場(chǎng)增長(zhǎng)的原因之一。

歐洲地區(qū)目前已經(jīng)有超過(guò)40家主要位于德國(guó)和西班牙的制造商積極搶進(jìn)小型風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)，這些制造商生產(chǎn)功率容量低于1kW到數(shù)百kW的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

圖一中的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常包含有風(fēng)力渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、交流─直流整流器、充電控制器和可充電電池模塊、逆變器、配線以及支持整個(gè)系統(tǒng)的塔座，其中充電控制器和電池模塊通常是必須的以符合遠(yuǎn)程離線風(fēng)能系統(tǒng)的需求。

圖一：小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方塊圖。

效率是關(guān)鍵

由于風(fēng)速變化特性的因素，許多風(fēng)力發(fā)電方案都采用可變速度控制技術(shù)以期由風(fēng)力取得最高能量并將渦輪驅(qū)動(dòng)負(fù)載（turbine drive-train loads）降到最低。在這個(gè)產(chǎn)業(yè)中提出并討論了許多不同的可變速度控制方法，共同目標(biāo)就是效率優(yōu)化[5, 6]。

除了風(fēng)速控制部分外，逆變器也在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換過(guò)程中扮演著非常關(guān)鍵的角色。以風(fēng)力渦輪可變速度發(fā)電設(shè)備為例，逆變器是連接供電網(wǎng)并提供符合電力要求電源的基本設(shè)備，逆變器可以是商用的單相或工業(yè)用三項(xiàng)的分立零組件或模塊，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制來(lái)提供高效率能源轉(zhuǎn)換。高效逆變系統(tǒng)需要對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行精密的時(shí)序控制和安全隔離，避免有害高電壓開(kāi)關(guān)瞬變損害控制器和危害操作人員。

以30kW的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為例[6]，在連接供電網(wǎng)的風(fēng)能系統(tǒng)上使用了簡(jiǎn)單的交流─直流─交流變換器以及模塊化控制方式。圖二是這個(gè)功率轉(zhuǎn)換器的類似方塊圖，基于發(fā)電機(jī)輸出的電壓和頻率會(huì)隨著風(fēng)速變化，因此使用一個(gè)直流─直流升壓斬波電路來(lái)維持穩(wěn)定的直流線路電壓，輸入的直流電流經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)追隨經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)定的優(yōu)化電流參考，以便在渦輪系統(tǒng)的最大功率輸出點(diǎn)運(yùn)行。在和供電網(wǎng)的連接上，PWM信號(hào)通過(guò)ACPL-332J門極驅(qū)動(dòng)[7]控制IGBT，通過(guò)對(duì)逆變器直流電壓的調(diào)節(jié)提供電流到電力線上。