設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng).doc

摘 要風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在當(dāng)今能源短缺的情況下，變的越來(lái)越重要。由于風(fēng)的不穩(wěn)定性和風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互影響也越來(lái)越復(fù)雜，因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性提出了更高的要求?？刂葡到y(tǒng)對(duì)提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性有很大的作用，所以有必要對(duì)控制系統(tǒng)和控制過(guò)程進(jìn)行分析。本文設(shè)計(jì)的是風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，采用igbt作為主功率器件，以專(zhuān)用集成芯片sa866為控制核心，充分利用其外圍電路簡(jiǎn)單、具有多種波形選擇、無(wú)需其它處理器配合的特點(diǎn)，同時(shí)采用ir2113構(gòu)成igbt的驅(qū)動(dòng)電路，并且采用了數(shù)字電路單片機(jī)，來(lái)做鎖相環(huán)控制sa866輸出的spwm波頻率穩(wěn)定，使逆變電路輸出的電壓與電網(wǎng)同頻同相，達(dá)到并網(wǎng)的目的。關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電 并網(wǎng)逆變 鎖相環(huán)abstractthe wind energy which is used as a kind of clean and reproducible energy, nowadays gets more and more important in the energy scarcity cases. because instability of the wind and continuous enlarging capacity of the single machine in wind power generation, mutual effect between the wind power system and the grid is more and more complicated, so the higher demand is brought forward about the stability of output power of the wind power generation system. the control system may enhance the stability of output power, therefore we have the necessity to analyses control system and the control processes.this design is wind power grid system, using igbt as the main power devices to specific integrated chip sa866 as a control center, full use of its peripheral circuit is simple, with a variety of waveform selection, no other processor with the characteristics, the use of ir2113 constitute the igbt drive circuit, and digital circuits using single chip, do the phase-locked loop spwm control sa866 output wave frequency stability, so that the output of the voltage inverter circuit with the same frequency and phase power, reach and network purposes. keywords wind power grid inverter pll目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究背景11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀31.3 風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)方式51.4 直驅(qū)式電能變換器控制技術(shù)6第二章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)分析62.1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的介紹62.2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的方法72.3 風(fēng)能并網(wǎng)逆變器9第三章 硬件結(jié)構(gòu)及原理113.1 風(fēng)能逆變器控制分析113.2 并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)分析123.3 pfo環(huán)節(jié)及其控制技術(shù)分析123.4 逆變電路的設(shè)計(jì)143.5 三相逆變器的工作原理17第4章 控制電路的實(shí)現(xiàn)194.1 三相pwm發(fā)生器sa866ae簡(jiǎn)介194.1.1 功能特點(diǎn)194.1.2 管腳說(shuō)明194.1.3 sa866的控制方式214.2 鎖相環(huán)控制214.2.1 atmeg8單片機(jī)的簡(jiǎn)介224.2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 max530244.2.3 頻率采樣電路254.3過(guò)流顯示264.4 adc0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器的介紹26第5章 隔離驅(qū)動(dòng)和保護(hù)單元285.1 高壓懸浮驅(qū)動(dòng)器ir2113285.2 光耦隔離電路295.3 過(guò)流檢測(cè)305.4 過(guò)壓檢測(cè)31第六章 輔助電源的設(shè)計(jì)326.1 電源的分類(lèi)326.2 開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理326.3 輔助電源的設(shè)計(jì)33總 結(jié)34致 謝35參考文獻(xiàn)36附錄137directoryabstractiabstractiichapter 1 introduction11.1 wind power grid system background11.2 development in the world31.3 wind power and network approach51.4 direct drive power converter control technology6chapter 2 analysis of wind power generation system62.1 wind power grid system introduction62.2 method of wind power grid72.3 wind grid inverter9chapter 3 hardware structure and principle113.1 control of wind power inverter113.2 grid inverter control techniques123.3 pfo link analysis and control technology123.4 inverter circuit143.5 the working principle of three-phase inverter17chapter 4 control circuit1941 about three-phase pwm generator sa866ae194.1.1 features194.1.2 pin description194.1.3 sa866 control mode214.2 pll control214.2.1 atmeg8 about scm224.2.2 4.2.2 dac max530244.2.3 frequency sampling circuit254.3 through flow visualization264.4 adc0832 introduction26chapter 5 isolated drive and protection unit285.1 high suspended driver ir2113285.2 opto-isolation circuit295.3 over-current detection305.4 overvoltage detection31chapter 6 auxiliary power supply326.1 power supply classification326.2 the basic principle of switching power supply326.3 auxiliary power supply33summary34acknowledgements35references36appendix 137vi第1章 緒 論隨著世界工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，使得能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災(zāi)害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問(wèn)題成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問(wèn)題引發(fā)的危機(jī)以及日益突出的環(huán)境問(wèn)題，使人們認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要?？梢哉f(shuō)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們從事風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的同學(xué)是有著十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義的，也是十分有必要的。風(fēng)力發(fā)電起源于20世紀(jì)70年代，技術(shù)成熟于80年代，自90年代以來(lái)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了大發(fā)展階段。隨著風(fēng)力發(fā)電容量的不斷增大，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距控制和變速控制發(fā)展。前人在風(fēng)輪機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)原理和能量轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)分析了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求和控制策略，并對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制技術(shù)進(jìn)行了一定的研究。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要控制是在起動(dòng)時(shí)對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制和并網(wǎng)后對(duì)輸入功率的控制。通過(guò)變距控制可以根據(jù)風(fēng)速來(lái)調(diào)整槳葉節(jié)距角，以滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)起動(dòng)與系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定的雙重要求。但由于對(duì)運(yùn)行工況的認(rèn)識(shí)不足，對(duì)變槳距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的要求，更達(dá)不到優(yōu)化功率曲線(xiàn)和穩(wěn)定功率輸出的要求。1.1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究背景隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求越來(lái)越多。而地球不可再生能源，如石油、煤炭等，隨著過(guò)量開(kāi)發(fā)利用也日趨短缺，并造成了較為嚴(yán)重的污染。為此，研究和開(kāi)發(fā)潔凈可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能等)已提到議事日程?？梢灶A(yù)計(jì):可再生能源大規(guī)模應(yīng)用將是21世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志。然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先必須完成可再生能源由補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡，即使可再生能源由邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)的獨(dú)立供電向有電地區(qū)的常規(guī)并網(wǎng)用電方向發(fā)展，這將大大提高可再生能源的利用率。可見(jiàn)，能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題困擾世界的同時(shí)也給諸多科技領(lǐng)域施加了動(dòng)力并提供了廣闊的市場(chǎng)。其中電氣工程專(zhuān)業(yè)首當(dāng)其沖。電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和微電子技術(shù)等相結(jié)合進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源向電能的最佳轉(zhuǎn)換和最優(yōu)控制，以取得可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。風(fēng)能是最清潔的能源之一，風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模利用風(fēng)能最直接最有效的方式。從20世紀(jì)70年代中期，第一次石油危機(jī)之后開(kāi)始受到世界各國(guó)的重視，由于風(fēng)力發(fā)電比其他可再生能源(水能除外)利用在經(jīng)濟(jì)上更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因而發(fā)展迅速。在政府對(duì)風(fēng)力發(fā)電研究開(kāi)發(fā)的大力支持下，許多發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、丹麥、美國(guó)和瑞典都開(kāi)始了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也從早期的蓄電池充電方式向并網(wǎng)型發(fā)展。隨著槳葉空氣動(dòng)力學(xué)、材料、發(fā)電機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展極為迅速，單機(jī)容量從最初的數(shù)十千瓦級(jí)發(fā)展到最近進(jìn)入市場(chǎng)的兆瓦級(jí)機(jī)組;功率控制方式從定槳距失速控制向全槳葉變距和變速控制發(fā)展;運(yùn)行可靠性從20世紀(jì)80年代初的50%，提高到98%以上，并且在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部可以實(shí)現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)程控制。風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展空間更加廣闊，從內(nèi)陸移到海上。風(fēng)能己成為一種重要的可再生能源。歷經(jīng)近30年的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率已經(jīng)得到顯著提高，其單機(jī)功率和風(fēng)機(jī)的葉輪直徑也愈來(lái)愈大。目前國(guó)外一些大公司如vestas，ge，siemenswind，enercon己開(kāi)發(fā)出3.6mw6mw的樣機(jī)，但從技術(shù)成熟等角度而言，2mw等級(jí)的風(fēng)機(jī)仍然最具有市場(chǎng)前景。隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)功率大幅增加，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展，風(fēng)電成本呈急劇下降的趨勢(shì)，開(kāi)拓了高技術(shù)能源領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。從1981年到1995年，風(fēng)電成本由15.8歐分/kwh下降到5.7歐分/kwh，減少了2/3。當(dāng)前的風(fēng)電成本約為4歐分/kwh。在過(guò)去5年中，風(fēng)電成本下降約20%。風(fēng)電成本可以用每千瓦小時(shí)的發(fā)電成本和每千瓦的投資成本來(lái)衡量。在可預(yù)計(jì)的將來(lái)，風(fēng)力發(fā)電的成本將會(huì)進(jìn)一步降低，將可以和傳統(tǒng)發(fā)電方式(如水力發(fā)電、火力發(fā)電)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)電機(jī))是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。風(fēng)輪是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部件，由槳葉和輪般組成，是風(fēng)電機(jī)最主要的部件。風(fēng)以一定的速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，進(jìn)而通過(guò)增速器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以分為兩大類(lèi)，恒速恒頻和變速恒頻。風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，要求風(fēng)電的頻率保持恒定，為電網(wǎng)頻率。恒速恒頻指在風(fēng)力發(fā)電中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，從而得到頻率恒定的電能;變速恒頻指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，通過(guò)其他方法得到恒頻電能。目前新安裝的風(fēng)機(jī)均為變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)，其中的主流機(jī)型是直驅(qū)多極同步發(fā)電機(jī)交流/直流/交流系統(tǒng)和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。目前國(guó)際上有多種方案實(shí)現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。如交一直一交系統(tǒng)、磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、雙極式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等，這些變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有的是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)變速恒頻的，有的是通過(guò)改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的。這些系統(tǒng)都有自己的特點(diǎn)，可以適用于不同場(chǎng)合。而當(dāng)今變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)有以下兩種電機(jī):雙饋電機(jī)和永磁同步電機(jī)。在雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方案中，系統(tǒng)由雙饋發(fā)電機(jī)、電機(jī)側(cè)脈沖整流器、電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器和微機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)組成。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于電網(wǎng)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由于風(fēng)速太小僅靠風(fēng)能發(fā)出的電能不能滿(mǎn)足要求,因發(fā)電機(jī)的電壓和頻率都太低而不能將其傳送到電網(wǎng)上去，此時(shí)，由控制電路控制電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器工作在整流狀態(tài)，將電網(wǎng)的部分電能轉(zhuǎn)換成直流電，然后再將直流電經(jīng)電機(jī)側(cè)脈沖整流器變換為交流電，其頻率應(yīng)保證與轉(zhuǎn)子頻率之和等于50赫茲，即從電網(wǎng)獲得的電能和風(fēng)能一并相加并傳送到交流電網(wǎng)，以此實(shí)現(xiàn)風(fēng)能至電能的轉(zhuǎn)換;在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大于電網(wǎng)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)能經(jīng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換后，一部分經(jīng)定子傳送到交流電網(wǎng)，另一部分由轉(zhuǎn)子、電機(jī)側(cè)脈沖整流器、電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器傳送到交流電網(wǎng)。雙饋發(fā)電系統(tǒng)由于電機(jī)結(jié)構(gòu)限制，仍然存在著高傳輸比的齒輪傳輸機(jī)構(gòu)和滑環(huán)，不可避免機(jī)械的維護(hù)問(wèn)題，并且電機(jī)系統(tǒng)控制復(fù)雜。而在永磁同步電機(jī)加上交直交的變流系統(tǒng)中，電機(jī)隨風(fēng)速的變化輸出交變的電壓，首先通過(guò)整流器整流成直流，經(jīng)升壓斬波器后得到穩(wěn)定的直流電壓，再通過(guò)逆變器變換為頻率恒定的交流電輸入電網(wǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是在并網(wǎng)時(shí)沒(méi)有電流沖擊，對(duì)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有影響;可調(diào)節(jié)無(wú)功功率;可以做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接禍合，省去變速箱，減少了維護(hù)問(wèn)題，由此可以提高可靠性，減小系統(tǒng)噪聲，降低維護(hù)成本，而且風(fēng)機(jī)可以在低風(fēng)速狀態(tài)下運(yùn)行，風(fēng)能利用率高，因此具有很大發(fā)展前景。本文討論的就是采用變速恒頻技術(shù)的交一直一交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀世界風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀，目前，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已在世界上40多個(gè)國(guó)家陸地和近海并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)電增長(zhǎng)率比其它電源增長(zhǎng)率高的趨勢(shì)仍然繼續(xù)。截止2005年12月31日世界裝機(jī)容量已達(dá)58982mw，年裝機(jī)容量為11,310mw，增長(zhǎng)率為24%；風(fēng)力發(fā)電量占全球電量的1%，部分國(guó)家及地區(qū)已達(dá)20%甚至更多。2005年世界風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量最多的十個(gè)國(guó)家，前十名合計(jì)51750.9mw，約占世界總裝機(jī)容量的87.7%。2005年國(guó)際風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)份額的分布多樣化進(jìn)程呈持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)：有11個(gè)國(guó)家的裝機(jī)容量已高于1,000mw，其中7個(gè)歐洲國(guó)家（德國(guó)、西班牙、意大利、丹麥、英國(guó)、荷蘭、葡萄牙），3個(gè)亞洲國(guó)家（印度、中國(guó)、日本），還有美國(guó)。亞洲正成為發(fā)展全球風(fēng)力發(fā)電的新生力量，其增長(zhǎng)率為48%5。 2002年歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)（ewea）與綠色和平組織（greenpeace international）發(fā)表了一份標(biāo)題為“風(fēng)力 12（wind force 12）”的報(bào)告，勾畫(huà)了風(fēng)電在2020年達(dá)到世界電量12%的藍(lán)圖。報(bào)告聲明這份文件不是預(yù)測(cè)，而是從世界風(fēng)能資源、世界電力需求的增長(zhǎng)和電網(wǎng)容量、風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)和潛在的增長(zhǎng)率、與核電和大水電等其他電源技術(shù)發(fā)展歷程的比較以及減排co2等溫室氣體的要求，論證了風(fēng)電達(dá)到世界電量12%的可能性。報(bào)告還指出中國(guó)2020年風(fēng)電裝機(jī)有可能達(dá)到1.7億千瓦。國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀，根據(jù)國(guó)家氣象科學(xué)院的估算，我國(guó)陸地地面10米高度層風(fēng)能的理論可開(kāi)發(fā)量為32億kw，實(shí)際可開(kāi)發(fā)量為2.53億kw。海上風(fēng)能可開(kāi)發(fā)量是陸地風(fēng)能儲(chǔ)量的3倍。5年中國(guó)除臺(tái)灣省外新增風(fēng)電機(jī)組592臺(tái)，裝機(jī)容量50.3萬(wàn)kw。與2004年當(dāng)年新增裝機(jī)19.8萬(wàn)kw相比，2005年當(dāng)年新增裝機(jī)增長(zhǎng)率為254%。截至2005年底，中國(guó)除臺(tái)灣省外累計(jì)風(fēng)電機(jī)組1864臺(tái)，裝機(jī)容量126.6萬(wàn)kw，風(fēng)電場(chǎng)62個(gè)。分布在15個(gè)?。ㄊ?、自治區(qū)、特別行政區(qū)），它們按裝機(jī)容量排序如表3所示。與2004年累計(jì)裝機(jī)76.4萬(wàn)kw相比，2005年累計(jì)裝機(jī)增長(zhǎng)率為65.6%。2005年風(fēng)電上網(wǎng)電量約15.3億kw.h。中國(guó)“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“大功率風(fēng)電機(jī)組研制與示范”支持1.52.5mw、2.5mw以上雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的研制；1.52.5mw、2.5mw以上直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的研制；1.5mw以上風(fēng)電機(jī)組葉片、齒輪箱、雙饋式發(fā)電機(jī)、直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)的研制及產(chǎn)業(yè)化；1.5mw以上雙饋式風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)及變流器、直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)及變流器的研制及產(chǎn)業(yè)化；近海風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的研究；近海風(fēng)電機(jī)組安裝及維護(hù)專(zhuān)用設(shè)備的研制；大型風(fēng)電機(jī)組相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定及風(fēng)電技術(shù)發(fā)展分析等16個(gè)課題的研究10?！笆晃濉蹦覈?guó)風(fēng)電技術(shù)的自主研發(fā)能力將接近世界前沿水平。1.3 風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)方式上世紀(jì)八十年代的大型風(fēng)機(jī)通常采用帶有升速齒輪箱的定速型鼠籠式異步發(fā)電機(jī)。由于技術(shù)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性高，獲得了許多國(guó)家廣泛的應(yīng)用，目前我國(guó)已建成運(yùn)行的大型風(fēng)機(jī)絕大多數(shù)屬于這一技術(shù)類(lèi)型。但是定速型鼠籠發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)也很明顯。首先，由于這種風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速是恒定的，在不同的風(fēng)速下難以獲得合適的尖速比，導(dǎo)致截獲風(fēng)能的效率降低；其次，齒輪箱在風(fēng)況和環(huán)境變化中承受變荷沖擊、懸殊溫差，維修保養(yǎng)的成本很高，成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的軟肋環(huán)節(jié)；另一個(gè)缺點(diǎn)是異步感應(yīng)電機(jī)需要從電網(wǎng)吸收滯后的無(wú)功勵(lì)磁功率，功率因數(shù)低，需要附加額外的無(wú)功補(bǔ)償裝置。針對(duì)定速型鼠籠發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)方案開(kāi)始采用。實(shí)現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的方法很多16，目前先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電典型技術(shù)方案，主要是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和無(wú)齒輪箱永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)二種。(1)雙饋異步電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)目前美國(guó)ge能源、德國(guó)fuhrländer等公司的很多風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品，采用變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)方案，由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過(guò)轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的小部分，中所示的雙向變頻器的容量?jī)H為發(fā)電機(jī)容量的四分之一至三分之一，機(jī)組的總價(jià)格較低。但是存在齒輪箱，其維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用遠(yuǎn)高于無(wú)齒輪箱永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。(2)永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為了省去高故障率的齒輪箱，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性和效率，以德國(guó)enercon公司為首的風(fēng)電機(jī)制造商，推出無(wú)齒輪箱永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。永磁同步發(fā)電機(jī)用永磁體替代普通發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，省去電刷滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)也節(jié)約了勵(lì)磁功率，提高了發(fā)電機(jī)效率。盡管由于直接耦合，永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，使發(fā)電機(jī)體積大、成本高，但免去了齒輪箱，使其具有了傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組所不具備的許多優(yōu)勢(shì)，整個(gè)系統(tǒng)的成本也降低了。而且可根據(jù)風(fēng)速改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，保持上網(wǎng)頻率不變，提高了風(fēng)能利用率，還可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)并網(wǎng)。永磁風(fēng)電機(jī)組采用多級(jí)同步永磁發(fā)電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式。隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電頻率也是不斷變化的。所以這類(lèi)風(fēng)機(jī)的定子必須通過(guò)一臺(tái)全功率的電能變換器連接到電網(wǎng)15,16。電能變換器將這些頻率不斷變化的電能改變?yōu)楹泐l恒壓的交流電，輸入電網(wǎng)。永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖1-1 永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電 1.4 直驅(qū)式電能變換器控制技術(shù)雙pwm變換器由于其良好的輸入輸出性能，在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。而pwm變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)決定了系統(tǒng)的性能好壞。目前pwm變換器的研究熱點(diǎn)較多集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)相應(yīng)迅速的電壓型pwm整流器上，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的控制，必須控制網(wǎng)側(cè)電流相位，傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓定向控制通常采用雙閉環(huán)級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)：電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。并且電網(wǎng)電壓定向控制的性能有賴(lài)于電流內(nèi)環(huán)所采用的控制策略，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)多年的研究提出了不同的電流控制策略，主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由j.w.dixon首先提出的“間接電流控制”策略；另一類(lèi)就是目前占主導(dǎo)地位的“直接電流控制”策略。采用間接電流控制策略，直流電壓調(diào)節(jié)器的輸出直接用來(lái)調(diào)整整流器輸入端的電壓幅值和相位，網(wǎng)側(cè)電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化比較靈敏。而采用直接電流控制策略，直流電壓調(diào)節(jié)器的輸出直接用來(lái)控制網(wǎng)側(cè)輸入電流的幅值，電流響應(yīng)快，魯棒性好。網(wǎng)側(cè)變換器的主要任務(wù)就是為電機(jī)側(cè)變換器提供恒定的直流母線(xiàn)電壓，因此很多學(xué)者對(duì)提高網(wǎng)側(cè)變換器的抗擾動(dòng)性能進(jìn)行了研究5。與采用電流控制策略不同，近年來(lái)出現(xiàn)了基于電網(wǎng)電壓定向的直接功率控制，用功率環(huán)代替了電流內(nèi)環(huán)，以直接調(diào)整變換器輸入輸出的功率平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)直流母線(xiàn)的電壓控制，改進(jìn)了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。第二章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)分析2.1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的介紹 由于風(fēng)力發(fā)電存在著風(fēng)速變化或風(fēng)速較低的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電能電壓變化較大、幅值較低且頻率變化，所以不能采取直接將發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)相連接的方法并網(wǎng)。因此必須在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端增加一個(gè)電力電子裝置的功率接口，將電壓和頻率均隨機(jī)變化的電能變換成電壓、頻率、諧波、相角和功率因數(shù)都符合電網(wǎng)要求的交流電能，再與公用電網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。2.2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的方法自從上世紀(jì)以來(lái)，學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了有很多種風(fēng)能并網(wǎng)方案并且應(yīng)用在實(shí)際的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)建設(shè)中?？偟脕?lái)說(shuō)，目前風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)方式大致可以分為異步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)三種方式。1.異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方法因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)為低速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力機(jī)械，在風(fēng)力機(jī)與異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間經(jīng)增速齒輪傳動(dòng)來(lái)提高轉(zhuǎn)速以達(dá)到適合異步發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。一般與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)多選用4極或6極電機(jī)，因此異步電機(jī)轉(zhuǎn)速必須超過(guò)1500rmin或1000rmin才能運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)向電網(wǎng)送電。根據(jù)電機(jī)理論，異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，是靠滑差率來(lái)調(diào)整負(fù)荷的，其輸出的功率與轉(zhuǎn)速近乎成線(xiàn)性關(guān)系。因此對(duì)機(jī)組的調(diào)速要求，不像同步發(fā)電機(jī)那樣嚴(yán)格精確，不需要同步設(shè)備和整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)就可并網(wǎng)。但異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)瞬間會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊電流(約為異步發(fā)電機(jī)額定電流的47倍)，并使電網(wǎng)電壓瞬時(shí)下降。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，這種沖擊電流對(duì)發(fā)電機(jī)自身部件的安全及對(duì)電網(wǎng)的影響也愈加嚴(yán)重。過(guò)大的沖擊電流，有可能使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接的主回路中的自動(dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；而電網(wǎng)電壓的較大幅度下降，則可能會(huì)使低壓保護(hù)動(dòng)作，從而導(dǎo)致異步發(fā)電機(jī)根本不能并網(wǎng)。當(dāng)前在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方法有以下幾種：(1)直接并網(wǎng)這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同，當(dāng)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)即可自動(dòng)并入電網(wǎng)；自動(dòng)并網(wǎng)的信號(hào)由測(cè)速裝置給出,而后通過(guò)自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)合閘完成并網(wǎng)過(guò)程。但如上所述，直接并網(wǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊電流及電網(wǎng)電壓的下降，因此這種并網(wǎng)方法只適合用于異步發(fā)電機(jī)容量在百千瓦級(jí)以下而電網(wǎng)基于dsp的風(fēng)能并網(wǎng)逆變器的研究容量較大的情況下。我國(guó)最早引進(jìn)的55kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和自行研制的50kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是采用這種方法并網(wǎng)的。(2)降壓并網(wǎng)這種并網(wǎng)方法是在異步電機(jī)與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以達(dá)到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。因?yàn)殡娮琛㈦娍蛊鞯仍墓β?，在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)以后，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，必須將其迅速切除。這種并網(wǎng)方法適用于百千瓦級(jí)以上、容量較大的機(jī)組，顯而易見(jiàn)這種并網(wǎng)方法的經(jīng)濟(jì)性較差。我國(guó)引進(jìn)的200kw異步發(fā)電機(jī)組，就是采用這種并網(wǎng)方式，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)每相繞組與電網(wǎng)之間皆串接有大功率電阻。(3)通過(guò)晶閘管軟并網(wǎng) 這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)之間通過(guò)每相串入一只雙向晶閘管連接起來(lái)，三相均有晶閘管控制，雙向晶閘管的兩端與并網(wǎng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)的動(dòng)合觸頭并聯(lián)。接入雙向晶閘管的目的是將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間沖擊電流控制在允許的限度內(nèi)。其并網(wǎng)的過(guò)程如下：當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接收到由控制系統(tǒng)內(nèi)微處理器發(fā)出的啟動(dòng)命令后，先檢查發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序是否一致，若相序正確，則發(fā)出松閘命令，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始啟動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)(約為99100同步轉(zhuǎn)速)，雙向晶閘管的控制腳同時(shí)由180度到0度逐漸同步打開(kāi)；與此同時(shí)，雙向晶閘管的導(dǎo)通角則同時(shí)由0度到180度逐漸增大，此時(shí)并網(wǎng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)未動(dòng)作，動(dòng)合觸頭未閉合，異步發(fā)電機(jī)即通過(guò)晶閘管平穩(wěn)的并入電網(wǎng)；隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，電機(jī)的滑差率漸趨于零。當(dāng)滑差率為零時(shí)，并網(wǎng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，動(dòng)合觸頭閉合，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機(jī)的輸出電流將不再經(jīng)雙向晶閘管，而是通過(guò)已閉合的自動(dòng)開(kāi)關(guān)觸頭流入電網(wǎng)。在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，應(yīng)立即在發(fā)電機(jī)端并入補(bǔ)償電容，將發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)提高到0.95以上該種軟并網(wǎng)方法的特點(diǎn)是通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角，將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流值限制在規(guī)定的范圍內(nèi)(一般為1.5倍額定電流以下)，從而得到一個(gè)平滑的并網(wǎng)瞬態(tài)過(guò)程。在所示的軟并網(wǎng)線(xiàn)路中，在雙向晶閘管兩端并接有旁路并網(wǎng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)，并在零轉(zhuǎn)差率時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，在并網(wǎng)瞬態(tài)過(guò)程完畢后，即將雙向晶閘管短接。與此種軟并網(wǎng)連接方式相對(duì)應(yīng)的另一種軟并網(wǎng)連接方式是在異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間通過(guò)雙向晶閘管直接連接，在晶閘管兩端沒(méi)有并接旁路并網(wǎng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)，雙向晶閘管既在并網(wǎng)過(guò)程中起到控制沖擊電流的作用，同時(shí)又作為無(wú)觸頭自動(dòng)開(kāi)關(guān)，在并網(wǎng)后繼續(xù)存在于主回路中，這種軟并網(wǎng)方連接方式可以省去一個(gè)并網(wǎng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)，因而控制回路較為簡(jiǎn)單，而且避免了有觸頭自動(dòng)開(kāi)關(guān)觸頭彈跳、沾著及磨損等現(xiàn)象，可以保證較高的開(kāi)關(guān)頻率。但這種連接方式需選用電流允許值大的高反壓雙向晶閘管，這是因?yàn)殡p向晶閘管中通過(guò)的電流需滿(mǎn)足大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文能通過(guò)異步發(fā)電機(jī)的額定電流值，而具有旁路并網(wǎng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)的軟并網(wǎng)連接方式中的高反壓雙向晶閘管只要能通過(guò)較發(fā)電機(jī)空載電流略高的電流就可以滿(mǎn)足要求。這種軟并網(wǎng)連接方式的并網(wǎng)過(guò)程與上述具有并網(wǎng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)的軟并網(wǎng)連接方式的并網(wǎng)過(guò)程類(lèi)似，在雙向晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通階段，異步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，但隨著異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，滑差率漸漸接近與零，當(dāng)滑差率為零時(shí)，雙向晶閘管已全部導(dǎo)通，并網(wǎng)過(guò)程結(jié)束。晶閘管軟并網(wǎng)技術(shù)對(duì)晶閘管器件及與之相關(guān)的晶閘管觸發(fā)電路提出了嚴(yán)格的要求，即晶閘管器件的特性要求一致、穩(wěn)定以及觸發(fā)電路可靠，只有發(fā)電機(jī)主回路中的每相的雙向晶閘管特性一致，控制極觸發(fā)電壓，觸發(fā)電流一致，全開(kāi)通壓降相同，才能保證可控硅導(dǎo)通角在0度1踟度范圍內(nèi)同步逐漸增大，才能保證發(fā)電機(jī)三相電流平衡。目前在晶閘管軟并網(wǎng)方法中，根據(jù)晶閘管的通斷狀況，觸發(fā)電路有移相觸發(fā)和過(guò)零觸發(fā)兩種方式。移相觸發(fā)會(huì)造成電機(jī)每相電流為正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)的非正弦波(缺角正弦波)含有較多的奇次諧波分量，這些諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染公害，必須加以限制和消除。過(guò)零觸發(fā)是在設(shè)定的周期內(nèi)，逐步改變晶閘管的導(dǎo)通周波數(shù)。最后達(dá)到全部導(dǎo)通，使發(fā)電機(jī)平穩(wěn)并入電網(wǎng)，因而不產(chǎn)生諧波干擾。通過(guò)晶閘管軟并網(wǎng)法將風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)是目前國(guó)內(nèi)外中型及大型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中普遍采用的。中國(guó)引進(jìn)和自行開(kāi)發(fā)研制的250、300、600kw的并網(wǎng)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，都是采用這種并網(wǎng)技術(shù)。2.同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方法整個(gè)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由同步發(fā)電機(jī)、并網(wǎng)裝置組成三相同步發(fā)電機(jī)輸出的交流電流采用不可控整流器整流為直流以后，經(jīng)過(guò)直流濾波環(huán)節(jié)，送入到daac逆變器的輸入端，逆變?yōu)殡妷?、頻率、相角、功率因數(shù)和諧波都符合電網(wǎng)要求的電能，再經(jīng)過(guò)交流濾波環(huán)節(jié)后并入電網(wǎng)。3.雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方法整個(gè)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由雙饋發(fā)電機(jī)、雙脈沖整流器組成。這種并網(wǎng)方案的特點(diǎn)是在發(fā)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)分別加入脈沖整流器，在低風(fēng)速的情況下，發(fā)電機(jī)輸出的交流電壓經(jīng)過(guò)電機(jī)側(cè)脈沖整流器升壓后，可以滿(mǎn)足電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器的正常工作。2.3 風(fēng)能并網(wǎng)逆變器風(fēng)能并網(wǎng)采用目前應(yīng)用較多的直驅(qū)式永磁交流同步發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器作為發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的電能轉(zhuǎn)換接口。要求該并網(wǎng)逆變器具有各種保護(hù)和運(yùn)行控制功能，具有完善的運(yùn)行參數(shù)顯示，可以實(shí)現(xiàn)由風(fēng)能產(chǎn)生的電能的高效率的并網(wǎng)。圖2-1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)由直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)、卸荷器、boost升壓電路、并網(wǎng)逆變器等設(shè)備組成。當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到切入風(fēng)速的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電能經(jīng)過(guò)整流、調(diào)壓、逆變后饋入電網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)速太大的時(shí)候，使得風(fēng)機(jī)超載運(yùn)行時(shí)，卸荷部分接入，保證恒功率運(yùn)行并網(wǎng)逆變器主電路采用dcac逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。pfc校正部分由三相不可控整流和dcdc直流升壓斬波環(huán)節(jié)兩部分組成它與前面所述的方案的最大不同之處就是加入了直流斬波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)中采用直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)三相不可控整流橋整為直流后，送入到直流變換電路中。直流變換電路的主要作用是調(diào)節(jié)直流輸出電壓，滿(mǎn)足逆變電路的工作要求和完成功率因數(shù)校正，提高并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)并抑制諧波。調(diào)節(jié)后的直流輸出電能逆變?yōu)榉喜⒕W(wǎng)要求的交流電能后通過(guò)濾波器濾波再并入到公用電網(wǎng)。采用這樣的主電路結(jié)構(gòu)就能很好的解決低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)問(wèn)題。當(dāng)風(fēng)速較低的時(shí)候。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)較慢，由于風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)是直接耦合的，中間沒(méi)有采用增速齒輪箱，因此發(fā)電機(jī)輸出的電壓比較低，在中間加入直流升壓環(huán)節(jié)后，整流后得到的低的直流電壓通過(guò)直流升壓就可以在系統(tǒng)的直流側(cè)獲得較高的直流電壓，滿(mǎn)足逆變電路的正常工作，使得系統(tǒng)可以在風(fēng)速較低時(shí)也能將電能送入電網(wǎng)。同時(shí)直流斬波電路還可以完成功率因數(shù)校正功能，提高并網(wǎng)逆變裝置的功率因數(shù)并抑制高次諧波。37第三章 硬件結(jié)構(gòu)及原理3.1 風(fēng)能逆變器控制分析采用目前應(yīng)用較多的直驅(qū)式永磁交流同步發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器作為發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的電能轉(zhuǎn)換接口。本課題研究對(duì)象是智能化、高性能具有并網(wǎng)功能的風(fēng)力發(fā)電逆變裝置，要求該并網(wǎng)逆變器具有各種保護(hù)和運(yùn)行控制功能，可以實(shí)現(xiàn)由風(fēng)能產(chǎn)生的電能的高效率的并網(wǎng)。圖3-1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)主電路如圖3-1所示，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)由直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)、卸荷器、并網(wǎng)逆變器等設(shè)備組成。當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到切入風(fēng)速的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電能經(jīng)過(guò)整流、調(diào)壓、逆變后饋入電網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)速太大的時(shí)候，使得風(fēng)機(jī)超載運(yùn)行時(shí)，卸荷部分接入，保證恒功率運(yùn)行并網(wǎng)逆變器主電路采用pfc校正部分+dcac逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。pfc校正部分由三相不可控整流和dcdc直流升壓斬波環(huán)節(jié)兩部分組成它與前面所述的方案的最大不同之處就是加入了直流斬波環(huán)節(jié)。如圖3-2所示為并網(wǎng)逆變器主電路框圖：圖3-2 并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中采用直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)三相不可控整流橋整流為直流后，送入到直流變換電路中。直流變換電路的主要作用是調(diào)節(jié)直流輸出電壓，滿(mǎn)足逆變電路的工作要求和完成功率因數(shù)校正，提高并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)并抑制諧波。調(diào)節(jié)后的直流輸出電能逆變?yōu)榉喜⒕W(wǎng)要求的交流電能后通過(guò)濾波器濾波再并入到公用電網(wǎng)。采用這樣的主電路結(jié)構(gòu)就能很好的解決低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)問(wèn)題。當(dāng)風(fēng)速較低的時(shí)候。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)較慢，由于風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)是直接耦合的，中間沒(méi)有采用增速齒輪箱，因此發(fā)電機(jī)輸出的電壓比較低，在中間加入直流升壓環(huán)節(jié)后，整流后得到的低的直流電壓通過(guò)直流升壓就可以在系統(tǒng)的直流側(cè)獲得較高的直流電壓，滿(mǎn)足逆變電路的正常工作，使得系統(tǒng)可以在風(fēng)速較低時(shí)也能將電能送入電網(wǎng)。同時(shí)直流斬波電路還可以完成功率因數(shù)校正功能，提高并網(wǎng)逆變裝置的功率因數(shù)并抑制高次諧波。3.2 并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)分析 在風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是其能否成功并網(wǎng)的關(guān)鍵所在，并網(wǎng)逆變裝置的主電路結(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)的選擇決定了并網(wǎng)逆變器的性能。并網(wǎng)逆變器主電路分為pfc功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)和dcac逆變環(huán)節(jié)兩部分。逆變控制策略上采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式，即采用電壓型并網(wǎng)的輸出電流控制，使逆變器能夠輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦交流電流。3.3 pfo環(huán)節(jié)及其控制技術(shù)分析 功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)包含不可控整流電路和boost升壓電路兩部分。允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電能電壓在40150v之間，經(jīng)整流橋整流為直流后，送入到dc/dc升壓電路中。dc/dc直流電路的主要作用是調(diào)節(jié)直流輸出電壓，滿(mǎn)足后級(jí)逆變電路的工作要求和完成功率因數(shù)校正功能，提高并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)并抑制諧波。調(diào)節(jié)后的直流輸出電能，電壓幅值在400v左右。因風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出為三相交流電，額定輸出功率為2kw，并且輸出電壓較低，所以整流電路采用三相橋式不可控整流電路，如圖3-3所示,這種電路的特點(diǎn)是不用中線(xiàn)、輸出電壓高、輸出紋波小、輸入諧波小。圖3-3 三相橋式不可控整流電路圖在不考慮交流側(cè)和負(fù)載側(cè)的電感影響，認(rèn)為換相是瞬時(shí)完成的理想情況下，分析該整流電路。各二極管均在自然換相點(diǎn)處換相，自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線(xiàn)電壓的交點(diǎn)。輸出整流電壓蜥波形為線(xiàn)電壓在正半周期的包絡(luò)線(xiàn)。不管是在阻性負(fù)載，還是在阻感性負(fù)載下，整流輸出電壓均連續(xù)，其平均值為： (3-1)其中為輸入相電壓，為輸入線(xiàn)電壓。輸出電流平均值為： (3-2)其中r為負(fù)載電阻值。該整流電路具有如下的特點(diǎn):(1)在每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)二極管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中一個(gè)二極管是共陰極組的，一個(gè)是共陽(yáng)極組的，且不能為同一相的二極管。(2)整流輸出電壓一周期脈動(dòng)6次。每次脈動(dòng)的波形都一樣。(3)二極管所承受的最大反向電壓為輸入線(xiàn)電壓峰值，即 (3-3)在不考慮二極管導(dǎo)通的條件下，所承受的最大正向電壓也為輸入線(xiàn)電壓峰值，即 (3-4) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓較低，經(jīng)過(guò)整流環(huán)節(jié)后，輸出的直流電壓值不能滿(mǎn)足后級(jí)逆變電路并網(wǎng)的要求，因此我們?cè)谶@里采用boost升壓斬波電路進(jìn)行直流電壓調(diào)節(jié)，對(duì)直流電壓進(jìn)行升壓，以滿(mǎn)足逆變并網(wǎng)的工作要求，更好的利用低風(fēng)速時(shí)候的風(fēng)能。此外采用boost電路可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正(pfc)功能(功率因數(shù)可以達(dá)到0.950.99)。boost電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低，是目前應(yīng)用最廣泛的功率因數(shù)校正電路。主電路由電感、開(kāi)關(guān)管和濾波電容組成。其輸入側(cè)有儲(chǔ)能電感可以減小輸入電流紋波，防止對(duì)后級(jí)電路的高頻瞬態(tài)沖擊；其輸出側(cè)有濾波電容可以減小輸出電壓紋波，對(duì)負(fù)載呈現(xiàn)電壓源特性。圖3-4 boost直流電路結(jié)構(gòu) 分析該升壓斬波電路的工作原理，如圖3-4所示，首先假設(shè)電感l(wèi)值和電容c值很大。當(dāng)開(kāi)關(guān)管vt處于通態(tài)的時(shí)候，電源向電感l(wèi)充電，同時(shí)電容c上的電壓向負(fù)載供電。當(dāng)vt處于斷態(tài)的時(shí)候電源和電感共同向電容c充電并向負(fù)載提供能量。該升壓斬波電路之所能夠使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因：一是l儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容c可以將輸出電壓保持住。3.4 逆變電路的設(shè)計(jì) 逆變電路中，我們選用的是三相全橋逆變電路，如果用作單相逆變器時(shí)，不驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)橋臂即可。 在逆變器中，我們選擇的開(kāi)關(guān)器件為igbt。絕緣柵雙極型晶體管igbt是mosfet和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為mosfet，輸出極為pnp晶體管，因此，可以把其看作是mos輸入的達(dá)林頓管。它融和了這兩種器件容量大的優(yōu)點(diǎn)，既具有mosfet器件驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和快速的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點(diǎn)，因而，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。igbt的等效電路如圖3-5所示，若在igbt的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則m0sfet導(dǎo)通，這樣pnp晶體管的集電極與基極之間阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若igbt的柵極和發(fā)射極之間電壓為0v，則mosfet截止，切斷pnp晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。圖3-5 igbt等效電路 igbt作為一種大功率的復(fù)合器件，存在著過(guò)流時(shí)可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問(wèn)題，在過(guò)流時(shí)如果采用一般的速度封鎖柵極電壓會(huì)困過(guò)高的電流變換率引起過(guò)電壓，從而需要關(guān)斷等特殊要求，因而掌握好igbt的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性是使用好它的關(guān)鍵。只有在充分利用和滿(mǎn)足其特點(diǎn)、要求的情況下，才能使igbt，展現(xiàn)出優(yōu)點(diǎn)并獲得較高的可靠性。 柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率對(duì)igbt的開(kāi)通及關(guān)斷過(guò)程有較大的影響。igbt的mos溝道受柵極驅(qū)動(dòng)電壓的直接控制，而mosfet部分的漏極電流又著雙極部分的基極電流，使得igbt的開(kāi)通特性主要決定于它的mosfet部分，所以igbt得開(kāi)通受柵極驅(qū)動(dòng)波形的影響較大。 igbt的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少數(shù)載流子的復(fù)合速率，少數(shù)載流子的復(fù)合受mosfet部分的關(guān)斷影響，使得柵極驅(qū)動(dòng)對(duì)igbt的關(guān)斷也有一定的影響。柵極驅(qū)動(dòng)回路的阻抗延長(zhǎng)米勒效應(yīng)時(shí)間，使集電極電流的下降延遲。柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，包括柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻抗和柵極串聯(lián)電阻兩個(gè)部分。它們影響著驅(qū)動(dòng)波形的上升、下降速率。在高頻應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率應(yīng)快一些，以提高igbi的開(kāi)通過(guò)程中度并降低開(kāi)關(guān)損耗。在運(yùn)行頻率較低時(shí)。開(kāi)關(guān)損耗所占比例較小，驅(qū)動(dòng)電壓上升、下降速率可減慢些。在正常狀態(tài)下igbt開(kāi)通越快，開(kāi)通損耗也越小。但在開(kāi)通過(guò)程中如存在續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容器的放電電流，則開(kāi)通越快igbt承受的峰值電流也就越大，甚至急劇地上升導(dǎo)致igbt或續(xù)流二極管損壞。此時(shí)應(yīng)有目的降低柵極驅(qū)動(dòng)脈沖的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，控制該電流的峰值。其代價(jià)是要付出較大的開(kāi)通損耗。利用此技術(shù)，開(kāi)通過(guò)程中的峰值電流可以通過(guò)改變柵極串聯(lián)電阻控制在任意的值。由以上分析可見(jiàn)，柵極串聯(lián)電阻對(duì)igbt的開(kāi)通過(guò)程影響較大。柵極串聯(lián)電阻的阻值應(yīng)根據(jù)電路和系統(tǒng)的情況折中考慮，選擇合適的值。柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對(duì)igbt關(guān)斷過(guò)程的影響對(duì)于開(kāi)通來(lái)說(shuō)要小一些。柵極串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速度和減小關(guān)斷損耗，也有利于避免關(guān)斷時(shí)集電極電壓的du/dt造成igbt誤開(kāi)通。但柵極串聯(lián)電阻過(guò)小會(huì)由于集電極電流下降的di/dt過(guò)大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰，因此對(duì)于igbt關(guān)斷過(guò)程中的柵極串聯(lián)電阻的組織也需折中考慮。柵極串聯(lián)電阻對(duì)于驅(qū)動(dòng)脈沖的波形也有較大的影響，電阻值過(guò)小時(shí)會(huì)造成驅(qū)動(dòng)脈沖振蕩，過(guò)大時(shí)驅(qū)動(dòng)波形的前后沿會(huì)發(fā)生延遲和變緩。igbt的輸入電容隨著其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅(qū)動(dòng)脈沖前后沿速率,對(duì)于電流容量較大的igbt元件，應(yīng)提供較大前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應(yīng)隨著igbt電流容量的增加而減小。igbt的柵極串聯(lián)電阻通常采用表3-1表3-1 柵極電阻推薦值 所推薦的值，如工作頻率較低也可采用前一擋電阻值加大的電阻。igbt關(guān)斷時(shí)由于回路中原來(lái)流通電流的電感儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量需轉(zhuǎn)換為電能量，使得回路的電壓升高，產(chǎn)生過(guò)壓。過(guò)電壓的值由下式得出： (3-5)式中一一過(guò)電壓的值(v)一一電壓的峰值(v)一一電源電壓(v)一一回路的雜散電感(tt)一一回路關(guān)斷前的電流(a)一一吸收電容器的電容量(f)式(3-5)中的、由電路的運(yùn)行條件決定，故影響電壓的主要因素是回路的雜散電感l(wèi)。當(dāng)回路的雜散電感l(wèi)較大時(shí)，為了抑制過(guò)電壓只有增加吸收電容器的電容量這個(gè)辦法。增加吸收電容器的電容量會(huì)導(dǎo)致吸收回路的損耗加大，效率降低，故盡量減小回路雜散電感是抑制換相過(guò)電壓的最佳方法。我們?cè)趯?shí)際操作中選用的是rc吸收器，這種吸收器比較簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是電阻的損耗較大的開(kāi)關(guān)損耗。其工作軌跡接近安全工作區(qū)的邊沿，使igbt產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗，由于本系統(tǒng)較小，頻率也不是很高，所以可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。r值通常取530q，r值過(guò)大吸收效果會(huì)變差，過(guò)小會(huì)產(chǎn)生較大的放電電流對(duì)igbt開(kāi)通不利。電阻r的功率為 (3-6)由式(3-6)可見(jiàn)，隨著工作頻率的增加，電阻的功率與f成正比。3.5 三相逆變器的工作原理三相交流負(fù)載需要三相逆變器，三相逆變器有兩種電路結(jié)構(gòu)，其一為由三個(gè)單相逆變器組成一個(gè)三相逆變器，每個(gè)單相逆變器可以是半橋式、也可以是全橋式電路。采用這種結(jié)構(gòu)的三相逆變電路所用元器件比較多，適用于高壓大容量的逆變器。通常使用更多的是如圖3-6所示的三相橋式逆變電路。當(dāng)t1導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)a接于直流電源正端，vao=vd2；當(dāng)t4導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)a接于直流電源負(fù)端，vao=-vd2。同理，b和c點(diǎn)也是根據(jù)上下管導(dǎo)通情況決定其電位的。按圖2-6中依序標(biāo)號(hào)的開(kāi)關(guān)器件其驅(qū)動(dòng)信號(hào)彼此間相差60。若每個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)持續(xù)180。，則任何時(shí)刻都有三個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，并按1、2、3，2、3、4，3、4、5，4、5、6，5、6、1，6、1、2的順序?qū)?。從而得到輸出的線(xiàn)電壓為：vab=vao-vbo；vbc=vbo-vco；vca=vco-vao；其基波分量彼此之間相差120。圖3-6 三相逆變器主電路 但這種逆變器每個(gè)開(kāi)關(guān)器件在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中僅通、斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換一次，輸出線(xiàn)電壓每半周中僅一個(gè)脈波電壓(120方波)，相電壓為階梯波，逆變器輸出電壓中的基波僅取決于直流電壓vo的大小而不能調(diào)節(jié)控制，最低諧波階次為5，且諧波含量大。對(duì)于三相逆變器也可以采用spwm控制方式。在輸出電壓的每一個(gè)