郭瑩輝的畢業(yè)設(shè)計

1、 Wind power is a kind of regeneration new energy sources which supply is inexhaustible and inexhaustible. Because of no pollution, all of the countries take the development of wind power electricity as modern science and technology of new rising estate in modern time. The Electric power transformati

2、on and its devices of the main research in this text wind power, introduction with the characteristic of each electric power electronics electric circuit, choose the electric circuit that wind power electric power transformation equip in keeping with, make wind energy passed to commutate, refresh th

3、e electric circuit, storage battery a control for keeping can, changing machine electric circuit with an electric circuit again passing the switch of static state cutting over with controlling electric circuit examination protection the control of the electric circuit monitors to make its can output

4、 the endurable and stable electric voltage, from but make use of the wind power electric power transformation equip to attain the request of the wind power with target. 第1章 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置及其工作原理1.1 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)由于風(fēng)能的特殊性，與常規(guī)的水火電系統(tǒng)相比風(fēng)電系統(tǒng)具有很大的差別，主要表現(xiàn)在三個方面：(1)風(fēng)能的隨機(jī)性風(fēng)速隨著大氣的氣溫、氣壓、濕度、干度、太陽及月亮的活動和風(fēng)電場

5、地形地貌等因素的不同而不同，是隨機(jī)和不可控的，這樣作用在風(fēng)力機(jī)葉片上的風(fēng)能也就是隨機(jī)的和不可控制的。(2) 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動慣量大風(fēng)能密度分布相對比較低，為了盡可能捕獲較多的風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動的葉片直徑必須做的很大，典型的商業(yè)化中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動葉片直徑大概在20m60m之間。顯然，巨大的轉(zhuǎn)子葉片的直徑，必然使得風(fēng)力機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)動慣量。(3) 風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的柔性連接為了有效的轉(zhuǎn)換風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子由于受到風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率（理論極限值是0.59）的限制，葉尖速率比不可能很大，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度不會很高，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度相差比較大，發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)之間不能直接相連，必須通過一定變比的升速齒輪箱進(jìn)

6、行傳動。這樣發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)之間的剛性度大大降低。換句話說，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)兩大系統(tǒng)之間是柔性連接的。(4) 異步發(fā)電機(jī)目前，大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)一般采用異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)的運(yùn)行方式。通常機(jī)端配備有補(bǔ)償電容器組，以提供異步發(fā)電機(jī)在啟動和運(yùn)行時所需要的激磁無功。異步發(fā)電機(jī)的頻率由大系統(tǒng)來決定，風(fēng)能的變化將引起異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差的變化，相應(yīng)地其注入電網(wǎng)的有功和吸收的無功也要隨著風(fēng)速的變化而變化，這將導(dǎo)致系統(tǒng)，特別是風(fēng)電場附近電網(wǎng)母線電壓的波動，嚴(yán)重時還可能引起電壓閃變。隨著電力電子的發(fā)展，新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以選用變速恒頻交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)，則無須配備補(bǔ)償電容器組。這種交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)不僅能發(fā)有功功率，

7、而且還能發(fā)無功功率，且能方便地調(diào)節(jié)有功功率，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有良好的性能 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)越來越得到風(fēng)力發(fā)電工作者的注意，因此都考慮采用交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用采用雙饋型發(fā)電機(jī)，它與饒縣型感應(yīng)電機(jī)相似，其定子接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、相位、幅值都可調(diào)節(jié)的電源供給三相低頻交流勵磁電流(如圖1.1所示)。低頻勵磁電流在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場旋轉(zhuǎn)速度wS與轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速wr相加等于定子磁場的同步轉(zhuǎn)速w1，即w1=wr+wS，從而發(fā)電機(jī)定子感應(yīng)出共頻電壓。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速wr變化時，改變轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速ws

8、，可是定子旋轉(zhuǎn)磁場w1保持恒定，達(dá)到變速恒定的目的。圖1.1 交流勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理圖由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機(jī)的轉(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一小部分，因此圖1.1中所示的雙向變頻器的容量僅為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低。另外發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，既可超同步速運(yùn)行，也可亞同步速運(yùn)行，變速運(yùn)行的范圍比較寬。這種采用交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，減小變頻器容量外，還可實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。缺點(diǎn)是交流勵磁發(fā)電機(jī)仍然有滑環(huán)和電刷。

9、1.2 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置的組成風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置主要由輸入整流電路、蓄電池組、充電電路、斬波電路、逆變器電路、靜態(tài)開關(guān)和控制檢測保護(hù)電路七個部分組成。1.2.1 輸入整流電路整流電路主要是將交流電變?yōu)橹绷麟姡陲L(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置中，蓄電池組、逆變器及其控制電路均需要直流電，因此，整流電路的主要作用就是將交流電變?yōu)橹绷麟姙槠涮峁┓€(wěn)定的直流電，保持電壓穩(wěn)定的輸出以及抑制電網(wǎng)的干擾信號。1.2.2 蓄電池組蓄電池組是風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的心臟，沒有蓄電池組的裝置只能稱作交流穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。目前在不間斷供電中，廣泛使用蓄電池作為儲存電能的裝置。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電正常時，蓄電池由直流電源對其充電，將

10、電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能而儲存起來；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電供應(yīng)中斷時，裝置用儲存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作，此時蓄電池通過放電將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供給系統(tǒng)使用，因此蓄電池是一種可逆電源。目前在中小型風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中廣泛使用的是所謂的免維護(hù)的密封式鉛酸蓄電池，它的價格較貴，一般占UPS總生產(chǎn)成本的1/42/5。在返修的UPS中，由于蓄電池的故障而引起的風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置不能正常工作的比例占1/3。由此可見，正確的使用并維護(hù)好蓄電池組，對延長蓄電池使用壽命極大，如果正確使用，蓄電池的壽命一般可達(dá)到35年。1.2.3 充電電路風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中充電電路將蓄電池放電后損失的能量重新補(bǔ)充，一般充電電

11、路是獨(dú)立于逆變器而工作的，也就是說即使不用逆變器，只要將電源接通，充電電路就可以工作。在充電過程中，充電器的控制電路檢測整流充電過程，一般在充電階段是恒流充電過程，隨著電池電壓的上升，當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到浮充電壓以后，充電器工作在恒壓階段，直到電池被充滿。因此，充電電路的反饋回路一般有兩個，一個作為電流反饋，另一個是電壓反饋。主電路一般采用開關(guān)型電路，其類型一般有降壓電路和升壓電路兩種。這些電路稱為基本充電電路。為了減少充電時間，各種快速充電電路在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中也得到了應(yīng)用。1.2.4 斬波電路風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中的斬波器即DC/DC，就是利用晶閘管或自關(guān)斷器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電

12、源電壓加到負(fù)載上，通過通、斷的時間變化來改變負(fù)載電壓平均值。它具有效率高、體積小、重量輕、成本底等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在廣泛地用于USP和風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的直流直流變換器和功率因數(shù)校正電路中，對整流電壓或蓄電池電壓進(jìn)行升、降壓和穩(wěn)壓。1.2.5 逆變器電路風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置逆變器的功能是將風(fēng)力發(fā)電整流所得的直流電壓或蓄電池電壓逆變成頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、波形失真小的交流電壓。目前在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的逆變器中，逆變原理普遍采用脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM技術(shù)）及波形疊加技術(shù)，該波形經(jīng)過LC低通濾波器濾波得到標(biāo)準(zhǔn)正弦波。1.2.6 靜態(tài)開關(guān)靜態(tài)開關(guān)是風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的保護(hù)設(shè)備和供電轉(zhuǎn)換器件，它一方面保護(hù)

13、裝置和負(fù)載，另一方面作為風(fēng)力發(fā)電和蓄電池供電的轉(zhuǎn)換器件。由于靜態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換時間很短，因此在轉(zhuǎn)換過程中不會出現(xiàn)間斷。在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置一般采用一對反向并聯(lián)的快速可控硅作為靜態(tài)開關(guān)。1.2.7控制檢測保護(hù)電路控制檢測保護(hù)電路主要由保護(hù)、監(jiān)測和報警電路組成。控制電路是風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的神經(jīng)中樞，其輸出電壓精度高低、波形失真大小以及長期工作可靠性的高低均與控制電路密切相關(guān)。為了使裝置可靠工作，應(yīng)具有較為完善的保護(hù)電路，一般的風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置都具有電池電壓過低自動保護(hù)、逆變器輸出過載或短路自動保護(hù)電路、逆變器過壓輸出自動保護(hù)電路、輸入電壓過高自動保護(hù)電路等保護(hù)電路。監(jiān)測和報警電路則是為了隨時的

14、掌握和了解裝置的工作狀態(tài)和運(yùn)行情況。1.3 風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置的工作原理風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置原理: 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電正常時，輸出電壓經(jīng)過整流濾波電路，一路經(jīng)過斬波器給逆變器提供電壓，逆變器輸出變壓器和輸出濾波電路將SPWM波形變換成隔離的純正弦波，另一路送入充電器給蓄電池補(bǔ)充能量。這種工作狀態(tài)時，靜態(tài)開關(guān)切換到逆變器。風(fēng)電經(jīng)整流濾波器、逆變器及靜態(tài)開關(guān)給負(fù)載供電，并且由逆變器來完成穩(wěn)壓和頻率跟蹤的功能。 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電不足或輸出故障或輸出過載時，工作在后備狀態(tài)，靜態(tài)開關(guān)仍然切換到逆變器端，由蓄電池經(jīng)逆變器將蓄電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓通過靜態(tài)開關(guān)輸出到負(fù)載。 在風(fēng)力發(fā)電正常，逆變器出現(xiàn)故障或輸出過

15、載時，裝置工作在旁路狀態(tài)，靜態(tài)開關(guān)切換到市電直接給負(fù)載供電。如果靜態(tài)開關(guān)的轉(zhuǎn)換是由逆變器故障引起，裝置會發(fā)出報警信號；如果是由過載引起，當(dāng)過載消失以后，靜態(tài)開關(guān)重新切換回逆變器端。整流電路DC/DC蓄電池組充電電路逆變電路靜態(tài)開關(guān)控制檢測保護(hù)電路輸入輸出控制電路控制、監(jiān)測、顯示、告警及保護(hù)電路提供逆變、充電、靜態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換所需的控制信號，并顯示其各工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)過電壓、過電流、短路、過熱時及時報警，同時提供相應(yīng)的保護(hù)。比如當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路是，保護(hù)電路會很快將逆變器關(guān)斷，使其免受損壞，短路消失后逆變器會重新自動啟動，恢復(fù)風(fēng)力發(fā)電。由此可見，無論風(fēng)力是否正常，其輸出總是由逆變器提供，所以在風(fēng)力不正常

16、的時候，其輸出不會有任何間斷。其原理框圖如圖1.2所示。(主線路圖見附錄)圖1.2 風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置框圖2.3 三相不可控整流電路在三相不控整流電路中，使用最多的也是三相橋式整流電路，一般三相橋式整流電路是由三相輸入變壓器、六只整流二極管、及負(fù)載組成。三相橋式不控整流電路與三相橋式可控整流電路的區(qū)別在于可控整流電路可以通過觸發(fā)脈沖來控制觸發(fā)角從而達(dá)到控制電壓大小的目的。但在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中，要將風(fēng)能盡可能的轉(zhuǎn)化為電能，因此選用三相不可控整流電路，因為三相不可控整流電路是直接由電流來控制二極管導(dǎo)通的，不用考慮觸發(fā)角的問題。三相橋式不可控整流電路和波形如圖2.6所示。圖2.6三相橋式不控整流電路及其波形從圖中還