畢業(yè)論文---永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)與仿真

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）.</b></p><p>　　題 目永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　系 別 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p>　　永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)與仿真</p><p><b>　　摘 要&

3、lt;/b></p><p>　　大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電是高效、大規(guī)模利用風(fēng)能最經(jīng)濟(jì)的方式．已成為當(dāng)世界風(fēng)能利用的主要形式。對(duì)當(dāng)前各種類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方案工作過(guò)程及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜述和分析，指出隨著風(fēng)電機(jī)組容量的增大．并網(wǎng)瞬間的沖擊電流也越來(lái)越大．對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響也越來(lái)越大，因此如何改進(jìn)現(xiàn)有的各種并網(wǎng)技術(shù)、減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊是迫切需要解決的問(wèn)題。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的控制技術(shù)是關(guān)鍵，其負(fù)載是無(wú)窮大

4、的電網(wǎng)，其電能形式為三相交流電。在本論文中主要對(duì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變電路進(jìn)行了研究。在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)PMW逆變電路進(jìn)行仿真，結(jié)果證明理論是正確的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)；PMW逆變器；仿真</p><p>　　The Design and Simulation of Grid-Connected Inverterfor Permanet Magnet Wind Tur

5、bine Generator</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Large wind turbines for power generation is highly efficient, large-scale use of wind energy the most economical way. When the world&

6、#39;s wind energy has become the main form. Various types of wind turbines on the current grid work of the program and the advantages and disadvantages of the process of review and analysis, noting that with the increase

7、 of wind turbine capacity. And the moment of the impact of current is also growing. On the stability of power grid is also growing, so how to improve t</p><p>　　Keywords: Wind Generator; PMW inverter; simula

8、tion</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p>　　第一章 風(fēng)力發(fā)電的原理2</p><p>　　1.1 風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)介2</p><p>　　1.2 風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)的現(xiàn)狀和前景2</p>

9、<p>　　1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3</p><p>　　1.4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理5</p><p>　　1.4.1 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)6</p><p>　　1.4.2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)6</p><p>　　第二章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行方式分析9</p><p

10、>　　2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型9</p><p>　　2.1.1 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)9</p><p>　　2.1.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)9</p><p>　　2.1.3 直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機(jī)9</p><p>　　2.1.4 高壓同步發(fā)電機(jī)9</p><p>　　2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)條件10&l

11、t;/p><p>　　2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式分析10</p><p>　　2.3.1 異步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)10</p><p>　　2.3.2 同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)12</p><p>　　2.3.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式的選擇13</p><p>　　第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)逆變電路的研究與設(shè)計(jì)14</p&g

12、t;<p>　　3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流方案的確定14</p><p>　　3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流方案概述14</p><p>　　3.1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流方案確定16</p><p>　　3.2 風(fēng)力并網(wǎng)逆變電路研究17</p><p>　　3.2.1 逆變電路的分類17</p><p>　

13、　3.2.2 電壓型并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)分析17</p><p>　　3.2.4電流型和電壓型逆變電路比較與選擇23</p><p>　　3.3 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變電路的設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.3.1 三電平逆變電路24</p><p>　　3.3.2 二極管箝位型的三電平逆變電路25</p><p>　

14、　3.3.3二極管箝位型三電平逆變技術(shù)27</p><p>　　3.4 控制脈沖的設(shè)計(jì)29</p><p>　　第四章 基于MATLAB的SIMULINK仿真初探32</p><p>　　4.1 MATLAB仿真軟件綜述32</p><p>　　4.1.1 MATLAB介紹32</p><p>　　4.1.2

15、 MATLAB仿真工具SIMULINK33</p><p>　　4.1.3 Power System Blocksets的功能、特點(diǎn)及應(yīng)用33</p><p>　　4.1.4幾種常用的電力電子仿真軟件的特點(diǎn)比較34</p><p>　　4.2 利用MATLAB進(jìn)行仿真的意義34</p><p>　　4.3系統(tǒng)器件舉例35</p

16、><p>　　4.3.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor -GTO）35</p><p>　　4.3.2電力晶體管（Giant Transistor-GTR，直譯為巨型晶體管）36</p><p>　　4.3.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管37</p><p>　　4.3.4絕緣柵雙極晶體管38</p>

17、<p>　　4.4系統(tǒng)仿真舉例40</p><p>　　4.4.1半橋逆變電路的仿真41</p><p>　　4.4.2全橋逆變電路的仿真42</p><p>　　4.4.3三相三電平逆變電路的仿真43</p><p><b>　　結(jié)論46</b></p><p><b&

18、gt;　　參考文獻(xiàn)47</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　隨著能源與環(huán)境的壓力增加，清潔可再生新能源近年受到普遍重視。在各類綠色能源中，在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，創(chuàng)新低碳技術(shù)，改變生活方式，最大限度減少環(huán)境的溫室氣體排放，徹底擺脫以往大量生產(chǎn)、大量消費(fèi)和大量廢棄的社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，形成結(jié)構(gòu)優(yōu)化、循環(huán)利用、節(jié)能高效的經(jīng)濟(jì)體系，形

19、成健康、節(jié)約、低碳的生活方式和消費(fèi)模式，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境的清潔發(fā)展、高效發(fā)展、低碳發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。建設(shè)和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，可以帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，強(qiáng)化資源利用，控制環(huán)境惡化，緩解生態(tài)壓力，促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展。</p><p>　　可再生能源經(jīng)濟(jì)是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)基本路徑，風(fēng)能是前景潛力巨大的可再生能源之一，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對(duì)比較成熟，并且最具有大規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)條件、成本相對(duì)較低。利用風(fēng)能發(fā)電日益受到關(guān)注并展現(xiàn)出廣闊的成長(zhǎng)空間。中

20、國(guó)風(fēng)能豐富，風(fēng)力發(fā)電裝備制造業(yè)前景光明，但要科學(xué)發(fā)展，因應(yīng)市場(chǎng)，以自主創(chuàng)新增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。自《中華人民共和國(guó)可再生能源法》頒布實(shí)施以來(lái)，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等在內(nèi)的可再生能源利用事業(yè)進(jìn)入了新的歷史發(fā)展時(shí)期?！吨腥A人民共和國(guó)可再生能源法》中明確規(guī)定：“國(guó)家扶持在電網(wǎng)未覆蓋的地區(qū)建設(shè)可再生能源獨(dú)立電力系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)和生活提供電力服務(wù)。”等，這為我國(guó)可再生能源利用事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展指明了方向。</p><p>　　風(fēng)

21、能作為可再生能源的一種，在中國(guó)的儲(chǔ)藏量相當(dāng)豐富。根據(jù)國(guó)家氣象局的資料，中國(guó)離地10米高的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約3226億千瓦，其中可開(kāi)發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量有253億千瓦，50米高度的風(fēng)能資源比10米高度多一倍，為5億多千瓦；近海可開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量有75億千瓦。</p><p>　　目前，隨著人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電認(rèn)識(shí)的日漸提高和小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，如：獨(dú)立運(yùn)行的無(wú)電地區(qū)電力建設(shè)的集中供電

22、系統(tǒng)（村落電站）和戶用系統(tǒng)、電網(wǎng)無(wú)法覆蓋地區(qū)的無(wú)電村落或用戶的供電、通信基站、高速公路/鐵路監(jiān)控、森林防火等的監(jiān)測(cè)站、部隊(duì)邊防哨所、航標(biāo)燈、油田、教學(xué)示范等的供電服務(wù)。</p><p>　　我國(guó)政府為了推動(dòng)并網(wǎng)風(fēng)電的商業(yè)化發(fā)展，2003年9月國(guó)家發(fā)改委叫確提出我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的規(guī)劃目標(biāo)：2005年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到100萬(wàn)KW，2010年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到400萬(wàn)kW，2015年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到1000萬(wàn)KW

23、，2020年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2000萬(wàn)KW，占全國(guó)總裝機(jī)容量的2％左右。這就意味著在今后5年時(shí)問(wèn)內(nèi)，每年平均裝機(jī)容量需達(dá)到近60萬(wàn)kW，2010～2015年，需達(dá)到近120萬(wàn)KW，2015～2020年，需達(dá)到近200萬(wàn)KW?？梢灶A(yù)計(jì)，我國(guó)即將成為世界風(fēng)電發(fā)展最令人矚目的國(guó)家之一。</p><p>　　第一章 風(fēng)力發(fā)電的原理</p><p>　　1.1 風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)介</p>

24、<p>　　現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用空氣動(dòng)力學(xué)理論，就像飛機(jī)的機(jī)翼一樣。風(fēng)并非“推” 東風(fēng)輪葉片，而是吹過(guò)葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會(huì)產(chǎn)生升力，令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流。依據(jù)目前的風(fēng)車(chē)技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開(kāi)始發(fā)電。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)量不穩(wěn)定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對(duì)蓄電瓶充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能。然后

25、用有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪并不能提取風(fēng)的所有功率。根據(jù)Betz定律，理論上風(fēng)電機(jī)能夠提取得最大功率， 是風(fēng)的功率的 59.6% 。大多數(shù)風(fēng)電機(jī)只能提取風(fēng)的功率的 40% 或者更少。通常人們認(rèn)為，風(fēng)力發(fā)電的功率完全由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率決定，總想選購(gòu)大一點(diǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而這是不正確的。目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)只是給電瓶充電，而由電瓶把

26、電能貯存起來(lái)，人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關(guān)系。功率的大小更主要取決于風(fēng)量的大小，而不僅是機(jī)頭功率的大小。在內(nèi)地，小的風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)比大的更合適。因?yàn)樗菀妆恍★L(fēng)量帶動(dòng)而發(fā)電，持續(xù)不斷的小風(fēng)，會(huì)比一時(shí)狂風(fēng)更能供給較大的能量。當(dāng)無(wú)風(fēng)時(shí)人們還可以正常使用風(fēng)力帶來(lái)的電能，也就是說(shuō)一臺(tái)200W風(fēng)力發(fā)電機(jī)也可以通過(guò)大電瓶與逆變器的配合使用，獲得500W甚至1000W乃至更大的功率出。</p><p>　　1

27、.2 風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)的現(xiàn)狀和前景</p><p>　　從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，聯(lián)網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電開(kāi)始商業(yè)化，經(jīng)過(guò)80年代和90年代的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)逐漸成熟。由于風(fēng)力發(fā)電具有環(huán)境保護(hù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，隨著發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)二氧化碳減排義務(wù)的承諾，風(fēng)力發(fā)電受到了眾多國(guó)家的重視。風(fēng)力發(fā)電的增長(zhǎng)速度驚人，1997年～2000年之間年裝機(jī)量平均增長(zhǎng)速度達(dá)到38％。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電的成本效益性能也逐

28、漸改善。在過(guò)去的10年中，風(fēng)電的成本下降了一半。以美國(guó)為例，1990年風(fēng)電的成本為8美分／千瓦時(shí)，到2000年時(shí)下降到了4美分／千瓦時(shí)。</p><p>　　我國(guó)風(fēng)電發(fā)展存在諸多障礙，北京舉辦奧運(yùn)會(huì)，上海申辦世博會(huì)，都需要徹底治理環(huán)境，在這一強(qiáng)烈需求下，風(fēng)力發(fā)電顯示出了巨大的技術(shù)價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。進(jìn)入2l世紀(jì)，陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主力機(jī)型單機(jī)容量為2 MW，風(fēng)輪直徑為60-80 m，近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主力機(jī)型單機(jī)容量

29、多為3 MW以上；大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已成為主要發(fā)展方向。其中，雙饋型變速恒頻風(fēng)力機(jī)組是目前國(guó)際風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)的主流機(jī)型，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以其固有的優(yōu)勢(shì)正日益受到關(guān)注(ENERCON公司2006年生產(chǎn)的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在德國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售量第一)。事實(shí)上，從定槳距恒速恒頻機(jī)組發(fā)展到變槳距變速恒頻機(jī)組，可謂基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠向電網(wǎng)提供電力到理想地向電網(wǎng)提供電力的最終目標(biāo)。</p><p>　　2001年以

30、來(lái)，全球每年風(fēng)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)速度為20％～30％，風(fēng)力發(fā)電已成為世界上增長(zhǎng)速度最快的清潔能源。到2008年底，全球風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)1．20億kW，前3位的國(guó)家分別是美國(guó)、德國(guó)、西班牙。</p><p>　　我國(guó)的風(fēng)電發(fā)展主要集中在2003年以后。近年來(lái)，顯示出前所未有的發(fā)展勢(shì)頭。到2008年底，風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容雖達(dá)1215.3萬(wàn)kW，位列全球第4。隨著我國(guó)風(fēng)電裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)的華銳風(fēng)電、金風(fēng)科技兩家企業(yè)

31、進(jìn)入2008年全球大型風(fēng)電機(jī)組制造商前10名。目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電制造技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)的主要特點(diǎn)為：兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組已成為主流機(jī)型；變槳距、變速恒頻技術(shù)得到廣泛采用；雙饋異步發(fā)電技術(shù)仍占主流；直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組發(fā)展迅速。</p><p>　　綜觀世界風(fēng)力發(fā)電近幾年迅猛發(fā)展的軌跡，呈現(xiàn)出如下發(fā)展趨勢(shì)及發(fā)展動(dòng)態(tài)：</p><p>　　1)大型化；2)定槳距、定速恒頻向變槳距、變速恒頻方向發(fā)展；3)海上專用風(fēng)電

32、機(jī)組研究及近海風(fēng)電大規(guī)模開(kāi)發(fā)；4)多級(jí)增速齒輪箱傳動(dòng)向直驅(qū)型(無(wú)齒輪箱，風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)多級(jí)發(fā)電機(jī))、半直驅(qū)型(風(fēng)輪經(jīng)單級(jí)增速齒輪箱驅(qū)動(dòng)多級(jí)發(fā)電機(jī))方向發(fā)展；5)應(yīng)用全功率變流的并網(wǎng)技術(shù)；6)低電壓穿越技術(shù)；7)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率優(yōu)化、穩(wěn)定可靠運(yùn)行的智能控制技術(shù)；8)槳葉的空氣動(dòng)力特性、新材料新工藝應(yīng)用及控制策略研究；9)風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用。</p><p>　　1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)和工

33、作原理</p><p>　　典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪(包括葉片、輪轂)、(增速)齒輪箱、發(fā)電機(jī)、對(duì)風(fēng)裝置(偏航系統(tǒng))、塔架等構(gòu)成如圖1－1所示。其工作原理為：風(fēng)以一定的速度和攻角流過(guò)槳葉，使風(fēng)輪獲得旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪通過(guò)主軸聯(lián)接齒輪箱，經(jīng)齒輪箱增速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。</p><p>　　圖1－1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖(上風(fēng)向、水平軸式)</p><p>　　

34、由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組頻繁起停，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又很大(大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單個(gè)葉片重達(dá)數(shù)噸)，故風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)值較低，通常為20一30 r／min(機(jī)組容量越大，轉(zhuǎn)速越低)；另一方面，為了限制發(fā)電機(jī)的體積和重量，其極對(duì)數(shù)較少，故在風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)間通常設(shè)置增速齒輪箱，將風(fēng)輪輸入的較低轉(zhuǎn)速增速到1 000～1 500 r／min以滿足發(fā)電機(jī)所需。</p><p>　　風(fēng)力機(jī)按風(fēng)輪主軸的方向分為水平軸、垂直軸兩大類；對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)

35、，需要風(fēng)輪保持迎風(fēng)狀態(tài)，根據(jù)風(fēng)輪是在塔架前還是在塔架后迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)分為上風(fēng)向和下風(fēng)向兩類?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多數(shù)采用上風(fēng)向(風(fēng)輪在塔架前面迎著風(fēng)向旋轉(zhuǎn))、水平軸式(風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直、旋轉(zhuǎn)軸與地面平行)、3葉片，且在大型機(jī)組中采用變槳距風(fēng)輪，即槳葉與輪轂不象傳統(tǒng)的定槳距失速型那樣采用剛性聯(lián)接，而是通過(guò)可轉(zhuǎn)動(dòng)的推力軸承或回轉(zhuǎn)支撐聯(lián)接，以使葉片攻角可隨風(fēng)速變化進(jìn)行調(diào)整從而對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行調(diào)速(限速)。</p><p>　

36、　偏航系統(tǒng)是上風(fēng)向水平軸式風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪始終保持迎風(fēng)狀態(tài)及提供安全運(yùn)行所需鎖緊力矩的特有伺服系統(tǒng)，其通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)艙圍繞塔架的垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)以使風(fēng)輪主軸保持與穩(wěn)定的風(fēng)向一致；另外，當(dāng)因偏航動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)引出電纜扭絞時(shí)，偏航系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)解除扭絞。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)一般為異步發(fā)電機(jī)(包括籠型、繞線型)或同步發(fā)電機(jī)(包括永磁、電勵(lì)磁)，采用何種形式的發(fā)電機(jī)主要取決于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的形式。根據(jù)風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)理論

37、，風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)中捕獲風(fēng)能所獲得的機(jī)械功率為</p><p>　　式中：——機(jī)械功率，W；</p><p>　　——空氣密度，kg／；</p><p>　　——距離風(fēng)機(jī)一定距離的上游風(fēng)速，m／s；</p><p>　　——風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，；</p><p><b>　　——風(fēng)能利用系數(shù)。</b>&

38、lt;/p><p>　　風(fēng)能利用系數(shù)是體現(xiàn)風(fēng)輪氣動(dòng)特性優(yōu)劣的主要參數(shù)，其是葉尖速比和槳葉槳距角的非線性函數(shù)，而葉尖速比為風(fēng)輪葉片葉尖的線速度與風(fēng)速之比，即</p><p>　　式中：——風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，r／rain；</p><p>　　——風(fēng)輪的角速度，rad／s；</p><p>　　——風(fēng)輪的半徑，m；</p><p>

39、　　——上游風(fēng)速，m／s。</p><p>　　圖1－2和圖1－3分別為基于某定槳距風(fēng)力機(jī)四參數(shù)模型、某變槳距風(fēng)力機(jī)七參數(shù)模型的一線.</p><p>　　圖1－2表明，當(dāng)槳距角保持不變時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)只在對(duì)應(yīng)最佳葉尖速比叫點(diǎn)處獲得最大值。顯然，在不同的風(fēng)速下，若通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速使其葉尖速比＝，則可維持風(fēng)力機(jī)在最大風(fēng)能利用率下運(yùn)行，這正是變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制的基本目標(biāo)。</p&

40、gt;<p>　　圖1－3表明，同一葉尖速比下，不同的槳距角對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)能利用系數(shù)，因此，通過(guò)改變槳距角可控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率。事實(shí)上，與功率輸出完全依靠槳葉氣動(dòng)性能的定槳距風(fēng)電機(jī)組相比，槳距角可控制的變槳距風(fēng)電機(jī)組具有如下優(yōu)勢(shì)：在額定功率點(diǎn)以上輸出功率平穩(wěn)；在額定點(diǎn)風(fēng)能利用系數(shù)較高；可保證在高風(fēng)速段輸出額定功率；優(yōu)良的起動(dòng)、制動(dòng)性能。</p><p>　　圖1－2 定槳距風(fēng)力機(jī)一曲線</p

41、><p>　　圖1－3 變槳距風(fēng)力機(jī)一曲線</p><p>　　1.4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)從形式上有離網(wǎng)型、并網(wǎng)型。離網(wǎng)型的單機(jī)容量小(約為0．1～5 kW，一般不超過(guò)10 kW)，主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲(chǔ)能裝置獨(dú)立運(yùn)行；并網(wǎng)型的單機(jī)容量大(可達(dá)MW級(jí))，且由多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)群(風(fēng)電場(chǎng))集中向電網(wǎng)輸送電

42、能。另外，中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(幾十kW到幾百kW)可并網(wǎng)運(yùn)行，也可與其它能源發(fā)電方式相結(jié)合(如風(fēng)電一水電互補(bǔ)、風(fēng)電一柴油機(jī)組發(fā)電聯(lián)合)形成微電網(wǎng)。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的頻率應(yīng)保持恒等于電網(wǎng)頻率，按其發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式可分為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)兩大類。</p><p>　　1.4.1 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主要采用三相同步發(fā)電機(jī)(運(yùn)行于由電

43、機(jī)極對(duì)數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速)、鼠籠式異步發(fā)電機(jī)(SCIG)。且在定槳距并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組中，一般采用SCIG，通過(guò)定槳距失速控制的風(fēng)輪使其在略高于同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速(一般在(1～1．05)n)之間穩(wěn)定發(fā)電運(yùn)行。如圖1－4所示采用SCIG的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，由于SCIG在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時(shí)，需從電網(wǎng)吸收滯后的無(wú)功功率以建立轉(zhuǎn)速為的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這加重了電網(wǎng)無(wú)功功率的負(fù)擔(dān)、導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)下降，為此在SCIG機(jī)組與電網(wǎng)之間設(shè)置合

44、適容量的并聯(lián)電容器組以補(bǔ)償無(wú)功。在整個(gè)運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)(3 m／s <<25 m／s),氣流的速度是不斷變化的，為了提高中低風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的效率，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍采用三相(籠型)異步雙速發(fā)電機(jī)，分別設(shè)計(jì)成4極和6極，其典型代表是NEGMICON 750 kW機(jī)組。</p><p>　　圖1－4 采用SCIG的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有電機(jī)結(jié)

45、構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)為：運(yùn)行范圍窄；不能充分利用風(fēng)能(其風(fēng)能利用系數(shù)不可能保持在最大值)；風(fēng)速躍升時(shí)會(huì)導(dǎo)致主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件承受很大的機(jī)械應(yīng)力。</p><p>　　1.4.2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　為了克服恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)，20世紀(jì)90年代中期，基于變槳距技術(shù)的各種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，其主要特點(diǎn)為：低于額定風(fēng)速時(shí)，

46、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，使風(fēng)輪的葉尖速比保持在最佳值，維持風(fēng)電機(jī)組在最大風(fēng)能利用率下運(yùn)行；高于額定風(fēng)速時(shí)，調(diào)節(jié)槳距以限制風(fēng)力機(jī)吸收的功率不超過(guò)最大值；恒頻電能的獲得是通過(guò)發(fā)電機(jī)與電力電子變換裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。目前，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組主要采用繞線轉(zhuǎn)子雙饋異步發(fā)電機(jī)，低速同步發(fā)電機(jī)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)亦受到廣泛重視。</p><p>　?。?）基于繞線轉(zhuǎn)子雙饋異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p>

47、<p>　　繞線轉(zhuǎn)子雙饋異步發(fā)電機(jī)(DFIG)的轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)集電環(huán)和電刷加入交流勵(lì)磁，既可輸入電能也可輸出電能。圖5為基于繞線轉(zhuǎn)子雙饋異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中，DFIG的轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)可逆變換器與電網(wǎng)相連，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率實(shí)現(xiàn)寬范圍變速恒頻發(fā)電運(yùn)行，其工作原理為：轉(zhuǎn)子通入三相低頻勵(lì)磁電流形成低速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速相疊加，等于定子的同步轉(zhuǎn)速，即</p><

48、;p><b>　　=</b></p><p>　　從而在DFIG定子繞組中感應(yīng)出相應(yīng)于同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而變化時(shí)(一般的變化范圍為的30％，可雙向調(diào)節(jié))，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率即可調(diào)節(jié)以補(bǔ)償?shù)淖兓３州敵鲭娔茴l率恒定。</p><p>　　圖1－5所示變速恒頻方案由于是在轉(zhuǎn)子電路中實(shí)現(xiàn)的而流過(guò)轉(zhuǎn)子電路的功率是由DFIG轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定

49、的轉(zhuǎn)差功率，一般只為額定功率的1／4—1／3，故顯著降低了變換器的容量、成本。此外，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的有功、無(wú)功分量，可獨(dú)立調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功、無(wú)功功率，以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)、補(bǔ)償電網(wǎng)的無(wú)功需求。事實(shí)上，由于DFIG轉(zhuǎn)子采用了可調(diào)節(jié)頻率、幅值、相位的交流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)構(gòu)成了“柔性連接”。德國(guó)Dewind公司生產(chǎn)的D6型機(jī)組(其額定功率為1 250 kW，起動(dòng)、額定、切出風(fēng)速分別為2．5 m／s，13 m／s，28 m／s)是采用這

50、種變速恒頻方案的典型產(chǎn)品。</p><p>　　圖1－5基于DFIG的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　?。?）基于低速同步發(fā)電機(jī)的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)輪與永磁式(或電勵(lì)磁式)同步發(fā)電機(jī)直接連接，省去了常用的升速齒輪箱。圖6為永磁直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，風(fēng)能通過(guò)風(fēng)機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)轉(zhuǎn)換為PM

51、SG定子繞組中頻率、幅值變化的交流電，輸入到全功率變換器中(其通常采用可控PWM整流或不控整流后接DC／AC變換)，先經(jīng)整流為直流，然后經(jīng)三相逆變器變換為三相工頻交流電輸出。該系統(tǒng)通過(guò)定子側(cè)的全功率變換器對(duì)系統(tǒng)的有功、無(wú)功功率進(jìn)行控制，并控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。與基于DFIG的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)并網(wǎng)，但其全功率變換器的容量較大。與帶齒輪箱的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)提高了效率與可靠性

52、、降低了運(yùn)行噪聲，但發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低，為獲得一定的功率，發(fā)電機(jī)應(yīng)具備較大的電磁轉(zhuǎn)矩，故其體積大、成本高。</p><p>　　圖6永磁直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　第二章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行方式分析</p><p>　　隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增大．并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊越來(lái)越大。這種沖擊嚴(yán)重時(shí)不僅引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降．而且可能對(duì)發(fā)電機(jī)和機(jī)械部件(塔

53、架、槳葉及增速器等)造成損壞。如果并網(wǎng)沖擊時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行。因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)時(shí)，對(duì)風(fēng)電的電壓幅值、相位和相序與電網(wǎng)電壓都有嚴(yán)格要求，并且還需要對(duì)并網(wǎng)逆變技術(shù)進(jìn)行研究。</p><p>　　2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型</p><p>　　分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)方式，首先要考慮風(fēng)電場(chǎng)所選風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型。不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其工作原理不相同，因此并網(wǎng)反

54、方式也有所差異。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)選用的機(jī)型主要有4種，每種機(jī)型各有不同。</p><p>　　2.1.1 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)</p><p>　　在國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)大部分機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電機(jī)。主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，價(jià)格較便宜，此種發(fā)電機(jī)為定速恒頻機(jī)組。運(yùn)行中轉(zhuǎn)速基本不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在風(fēng)能轉(zhuǎn)換最佳狀態(tài)下的幾率比較小，因而，發(fā)電能力比新型機(jī)組低。同時(shí)，運(yùn)行中需要從電力系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率。

55、為滿足電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)的要求，采用在機(jī)端并聯(lián)補(bǔ)償電容器，其補(bǔ)償策略是異步發(fā)電機(jī)配有若干組固定容量電容器。</p><p>　　由于風(fēng)速大小隨機(jī)變化，驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)不可能經(jīng)常在額定風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，為了充分利用低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能，增加全年發(fā)電量，近年廣泛應(yīng)用雙速異步發(fā)電機(jī)。此種電機(jī)可以改變極對(duì)數(shù)，有大﹑小電機(jī)2種運(yùn)行方式，采用4極或6極電機(jī)，運(yùn)行速度為1500r/min或1000r/min。</p>

56、<p>　　2.1.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)</p><p>　　在現(xiàn)代兆瓦級(jí)以上的大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉片槳距調(diào)節(jié)及變速運(yùn)行，此種機(jī)型稱為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。由于風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)行，其運(yùn)行速度能在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)到風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)化效率數(shù)值，使風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化，獲得較高的系統(tǒng)效率；可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)較平滑的電功率輸出，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的電網(wǎng)質(zhì)量，減少發(fā)電機(jī)溫度變化，發(fā)電

57、機(jī)本身不需要另外附加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)功率因素一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，例如功率因素從0.95領(lǐng)先到0.95滯后范圍內(nèi)，因而具有調(diào)節(jié)無(wú)功功率出力的能力，實(shí)現(xiàn)幾個(gè)相同的獨(dú)立運(yùn)行機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行。</p><p>　　2.1.3 直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機(jī)</p><p>　　大型風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中，齒輪箱是故障率較高部件。采用無(wú)齒輪箱結(jié)構(gòu)則避免了這種故障的出現(xiàn)，可以大大提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性，降低風(fēng)

58、電機(jī)組載荷，提高風(fēng)力機(jī)組壽命。目前我國(guó)部分風(fēng)電場(chǎng)使用直接驅(qū)動(dòng)永磁式同步發(fā)電機(jī)，運(yùn)行時(shí)全部功率經(jīng)A-D-A變換，接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行。與其他機(jī)型比較，需考慮諧波治理問(wèn)題。</p><p>　　2.1.4 高壓同步發(fā)電機(jī)</p><p>　　此類發(fā)電機(jī)是將同步發(fā)電機(jī)的輸出端電壓提高到10－20KV，甚至高達(dá)40KV以上，可以不用變壓器而直接與電網(wǎng)連接。由于不用增加齒輪箱，以低速運(yùn)轉(zhuǎn)，減少了齒輪

59、箱運(yùn)行時(shí)的能量損耗，同時(shí)由于省去了一臺(tái)升壓變壓器，免除了變壓器運(yùn)行的損耗，效率可提高5％左右。但由于使用大量的永磁材料，對(duì)用詞材料的性能穩(wěn)定性要求高。</p><p>　　2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)條件</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)能否向輸電電網(wǎng)輸送電能以及機(jī)組是否受到并網(wǎng)時(shí)沖擊電流的影響，為了使發(fā)電機(jī)能并網(wǎng)發(fā)電．必須滿足以下條件：</p><

60、p>　?。?）發(fā)電機(jī)發(fā)出電源的相序與電網(wǎng)匯流排相序相同。否則，不但發(fā)電機(jī)不能進(jìn)入同步，而且會(huì)產(chǎn)生很大的拍振電流．使發(fā)電機(jī)繞組承受過(guò)大的電動(dòng)力，使線圈變形絕緣短路。</p><p>　　（2）發(fā)電機(jī)的電壓有效值與電網(wǎng)匯流排的電壓有效值相等或接近相等(電壓差<10％)．否則，而由于電位差而產(chǎn)生內(nèi)部無(wú)功環(huán)流．生成很大的電磁沖出力。</p><p>　?。?）發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)與電力系統(tǒng)電

61、源的頻率基本相同等(頻率差不能超過(guò)0.5一lHz)．否則會(huì)因?yàn)榕恼耠娏骱团恼耠妷旱挠泄Ψ至吭诎l(fā)電機(jī)軸上產(chǎn)生力矩．使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)．造成機(jī)組損壞。</p><p>　　（4）發(fā)電機(jī)的電壓相位與電力系統(tǒng)電源的電壓相位相等(相位差<10)，否則將產(chǎn)生有功和無(wú)功電流沖擊，使發(fā)電機(jī)燒毀。</p><p>　　（5）波形相同，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)同樣是正弦波波形。</p><p&

62、gt;　　2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式分析</p><p>　　隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增大，尤其在大量新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始投入運(yùn)行后，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)在電網(wǎng)中占有了一定的比重，它的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全性和可靠性。為了更加安全、充分的利用風(fēng)力資源，迫切需要深入研究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。</p><p>　　2.3.1 異步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)</p><p>

63、;　　目前國(guó)內(nèi)及國(guó)外與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，多采用異步發(fā)電機(jī)．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4～7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)自身部件的安壘及對(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)使電壓保護(hù)回路動(dòng)作，從而導(dǎo)致異步發(fā)電機(jī)根本不能并網(wǎng)。</p>

64、<p>　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方式有以下幾種：</p><p><b>　　（1）直接并網(wǎng)</b></p><p>　　選種并網(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)井網(wǎng)的信號(hào)由測(cè)速裝置給出。而后者通過(guò)自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)臺(tái)閘完成并網(wǎng)過(guò)程。顯見(jiàn)選種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)同步并

65、網(wǎng)簡(jiǎn)單。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，固此這種并網(wǎng)方法只適用于異步發(fā)電機(jī)容量在百千瓦級(jí)以下或電網(wǎng)容量較大的情況下。中國(guó)最早引進(jìn)的55KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及自行研制的50KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是采用這種方法并網(wǎng)的。</p><p><b>　?。?）降壓并網(wǎng)</b></p><p>　　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

66、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?、電抗器等元件要消耗功率．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，顯見(jiàn)選種并網(wǎng)方法的經(jīng)濟(jì)性較差，中國(guó)引進(jìn)的200KW異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，就是采用這種并網(wǎng)方式，并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)每相繞組與電網(wǎng)之間皆串接有大功率電阻。</p><p>　?。?）準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式</p>&

67、lt;p>　　與同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式相同，在轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，先用電容勵(lì)磁，建立額定電壓，然后對(duì)已勵(lì)磁建立的發(fā)電機(jī)電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率、相位與系統(tǒng)一致時(shí)，將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。采用這種方式，若按傳統(tǒng)的步驟經(jīng)整步到同步并網(wǎng)，則仍須要高精度的調(diào)速器和整步、同期設(shè)備，不僅要增加機(jī)組的造價(jià)，而且從整步到達(dá)準(zhǔn)同步并網(wǎng)所花費(fèi)的時(shí)間很長(zhǎng)，這是我們所不希望的。該并網(wǎng)方式合閘瞬間盡管沖擊電流很小，但必

68、須控制在最大允許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運(yùn)行，以免造成網(wǎng)上飛車(chē)。由于它對(duì)系統(tǒng)電壓影響極小，所以適合于電網(wǎng)容量比風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大不了幾倍的地方使用。</p><p>　?。?）通過(guò)可控的晶閘管軟并網(wǎng)</p><p>　　這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機(jī)定于與電網(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。接入雙向晶閘管的目的是將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內(nèi)。其并網(wǎng)過(guò)程如下：當(dāng)風(fēng)力發(fā)

69、電機(jī)組接收到由控制系統(tǒng)內(nèi)微處理機(jī)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)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始啟動(dòng)的命令。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)(約為99％～100％同步轉(zhuǎn)速)，雙向晶閘管的控制角同時(shí)由到逐漸同步打開(kāi)；與此同時(shí)，雙向晶閘管的導(dǎo)通角則同時(shí)由到逐漸增大，異步發(fā)電機(jī)即通過(guò)晶閘管平穩(wěn)地并入電網(wǎng)，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，電機(jī)的滑差率近新趨于零，當(dāng)滑差率為零時(shí)，并網(wǎng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機(jī)的輸出電

70、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)直接流入電網(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。</p><p>　　這種軟井網(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)暫態(tài)過(guò)程。通過(guò)晶閘管軟并網(wǎng)方法將風(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)外中型及大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中普遍采

71、用的，中國(guó)引進(jìn)和自行開(kāi)發(fā)研制生產(chǎn)的250KW 300KW 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)。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常見(jiàn)的幾種異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)</p><p>　?。?）雙速異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)</p><p>　　目前在與電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)能的隨機(jī)性，風(fēng)速的大小經(jīng)常變化，為滿足風(fēng)速的變化，充分利用低速時(shí)的風(fēng)能，增加全年

72、的發(fā)電量，近年來(lái)廣泛采用雙速異步發(fā)電機(jī)。其并網(wǎng)方法是當(dāng)風(fēng)速傳感器測(cè)量的風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速，(一般為3.0～4 .0m／s)以上，并連續(xù)維持達(dá)5—10min時(shí)，控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，風(fēng)力機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)．此時(shí)發(fā)電機(jī)被切換到小容量低速繞組。根據(jù)預(yù)定的啟動(dòng)電流．當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)晶閘管接入電網(wǎng)，異步發(fā)電機(jī)進(jìn)入低功率發(fā)電狀志。若風(fēng)速傳感器測(cè)量的1min平均風(fēng)速遠(yuǎn)超過(guò)啟動(dòng)風(fēng)速，則風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)后，發(fā)電機(jī)被切換到大容量高速繞組，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同

73、步轉(zhuǎn)速時(shí)，根據(jù)預(yù)定的啟動(dòng)電流．通過(guò)晶閘管接入電網(wǎng)，異步發(fā)電機(jī)進(jìn)入高功率發(fā)電狀志。</p><p>　　（2）雙饋異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)</p><p>　　應(yīng)用具有繞線轉(zhuǎn)子的雙饋異步發(fā)電機(jī)與電力電子技術(shù)的IGBT變頻器及PWM控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出恒頻恒壓的電能，并與電網(wǎng)連接。其并網(wǎng)方法為雙饋發(fā)電機(jī)定子三相繞組直接與電網(wǎng)相聯(lián)．轉(zhuǎn)干繞組經(jīng)交—交循環(huán)變流器聯(lián)入電網(wǎng)。這種系統(tǒng)

74、并網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)如下：</p><p>　　1）風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)至接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由循環(huán)變流器控制進(jìn)行電壓匹配，同步和相位控制，以便迅速地并入電網(wǎng)，并網(wǎng)時(shí)基本上無(wú)電流沖擊。對(duì)于無(wú)初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組“如達(dá)里厄型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組)．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在靜止?fàn)睿捎呻p饋電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)工況形勢(shì)下的啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)負(fù)載的變化及時(shí)做出相應(yīng)口調(diào)整，使風(fēng)力發(fā)電

75、機(jī)組以最佳葉尖速比運(yùn)行，產(chǎn)生最大的電能輸出。</p><p>　　3）雙饋發(fā)電機(jī)里勵(lì)磁可調(diào)量有3個(gè)：勵(lì)磁電流的頻率，幅值和相位。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率，保證發(fā)電機(jī)在變速運(yùn)行的情況下發(fā)出恒定頻率的電力；通過(guò)改變勵(lì)磁電流的幅值和相位，可達(dá)到調(diào)節(jié)輸出有功功率和無(wú)功功率的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流相位改變時(shí)。由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在電機(jī)氣隙空間的位置有一個(gè)位移，從而改變了雙饋電機(jī)定子電動(dòng)勢(shì)與電網(wǎng)電壓向量的相對(duì)位置．也即改變了電機(jī)的功

76、率角，所以．調(diào)節(jié)勵(lì)磁不僅可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率．也可以調(diào)節(jié)有功功率。</p><p>　　2.3.2 同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)</p><p>　　同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行的時(shí)，由于它既能輸出有功功率，又能提供無(wú)功功率，周波穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，已被電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。然而，把它移植到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上使用卻不甚理想，這是由于風(fēng)速時(shí)大時(shí)小，隨機(jī)變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時(shí)其調(diào)速性能很難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)所要求的

77、精度，并網(wǎng)后若不進(jìn)行有效地控制，常會(huì)發(fā)生無(wú)功振蕩與失步等問(wèn)題，在重載下尤為嚴(yán)重，這就是相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組很少采用同步發(fā)電機(jī)的原因。但近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，通常在同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間采用變頻裝置，從技術(shù)上解決了這些問(wèn)題，采用同步發(fā)電機(jī)的方案又引起了人們的重視。</p><p>　　同步發(fā)電機(jī)常用的并網(wǎng)方式有：</p><p>　　（1）準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式</p>

78、;<p>　　準(zhǔn)同期就是準(zhǔn)確周期。用準(zhǔn)同期法進(jìn)行并列操作，發(fā)電機(jī)組電壓必須相同，頻率相同以及相位一致，這可通過(guò)裝在同期盤(pán)上的兩塊電壓表、兩塊頻率表以及同期表和非同期指示燈來(lái)監(jiān)視。</p><p>　?。?）自同期并網(wǎng)方式</p><p>　　自同期并列操作是將一臺(tái)未加勵(lì)磁電流的發(fā)電機(jī)組升速到接近于電網(wǎng)頻率，滑差角頻率不超過(guò)允許值且機(jī)組的加速度小于某一給定值的條件下，首先合上斷

79、路器開(kāi)關(guān)接著合上勵(lì)磁開(kāi)關(guān)，給轉(zhuǎn)子上加勵(lì)磁電流，在發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)逐漸增長(zhǎng)的過(guò)程中由系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)拉入同步運(yùn)行。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常見(jiàn)的幾種同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)：</p><p>　?。?）同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)</p><p>　　同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)經(jīng)變頻裝置與電網(wǎng)并聯(lián)．這種系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)如下：</p><p>　　

80、1）由于采用頻率變換裝置進(jìn)行輸出控制，因此并網(wǎng)時(shí)沒(méi)有電流沖擊，對(duì)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有影響。</p><p>　　2）為采用交一直一交轉(zhuǎn)換方式，同步發(fā)電機(jī)組工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨(dú)立的．風(fēng)輪及其發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以變化，不必?fù)?dān)心發(fā)生同步發(fā)電機(jī)直接井網(wǎng)運(yùn)行可能出現(xiàn)的失步問(wèn)題。</p><p>　　3）由于頻率變換裝置采用靜態(tài)自勵(lì)式逆變，雖然可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率，但是有高頻電流流向器電網(wǎng)。</p>

81、<p>　　4）在風(fēng)電系統(tǒng)中使用阻抗匹配和功率跟蹤反饋來(lái)調(diào)節(jié)輸出負(fù)荷，可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按最佳效率運(yùn)行，向電網(wǎng)輸送更多的電能。</p><p>　?。?）直驅(qū)交流永磁同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)</p><p>　　由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)低速交流發(fā)電機(jī)，通過(guò)工作速度快．驅(qū)動(dòng)功率小、導(dǎo)通壓降低的IGBT逆變器井網(wǎng)。這種系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)如下：</p><p>　　1）由于

82、不采用齒輪箱，機(jī)組水平軸向的長(zhǎng)度大夫減小，電能生產(chǎn)的機(jī)械傳動(dòng)路徑縮短，避免了因齒輪箱旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的損耗，噪音等。</p><p>　　2）由于發(fā)電機(jī)具有大的表面，散熱條件更有利，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫升減低．減小發(fā)電機(jī)溫升的起伏。</p><p>　　2.3.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式的選擇</p><p>　　并網(wǎng)運(yùn)行是目前風(fēng)力發(fā)電的主要形式．各種并網(wǎng)方案有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。

83、隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增大．存并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊也越來(lái)越大。這種沖擊嚴(yán)重時(shí)不僅引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降．而且可能對(duì)發(fā)電機(jī)和機(jī)械部件(塔架、槳葉及增速器等)造成損壞。如果并網(wǎng)沖擊時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行。因此根據(jù)本設(shè)計(jì)所給資料和以上情況分析可得選擇直驅(qū)交流永磁低速同步發(fā)電機(jī)比較合理，由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)低速交流發(fā)電機(jī)通過(guò)工作速度快，驅(qū)動(dòng)功率小，導(dǎo)通壓降的IGBT逆變器并網(wǎng)。通過(guò)交－直－交轉(zhuǎn)換方式后，使隨風(fēng)速變

84、化的交流電變?yōu)闈M足并網(wǎng)要求的交流電，采用準(zhǔn)同期的并網(wǎng)方式降風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)。</p><p>　　圖2－1 直驅(qū)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)逆變電路的研究與設(shè)計(jì)</p><p>　　本章從各方面研究了風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)。對(duì)于本論文來(lái)說(shuō)，逆變器的負(fù)載是無(wú)窮大的電網(wǎng)，其電能形勢(shì)為三相交流電。</p><p>　

85、　3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流方案的確定</p><p>　　由于風(fēng)能具有不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能是電壓、頻率隨機(jī)變化的交流電，必須采取有效的電力變換措施后才能夠?qū)L(fēng)電送入電網(wǎng)。為了改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能，近年來(lái)發(fā)展了基于交-直-交變流器的變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　交-直-交變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，整流器和逆變器分別采用PWM整流器及基于全控型器件的PWM逆變器。

86、為了解決在低風(fēng)速時(shí)整流以后的電壓幅值過(guò)低、頻率變化太快、直流紋波較大、電壓尖刺等問(wèn)題，在整流器與逆變器之間加入了直流環(huán)節(jié)部分，該環(huán)節(jié)具有升壓和穩(wěn)壓功能。逆變器將直流轉(zhuǎn)換成適合并網(wǎng)的交流后再通過(guò)變壓器或直接并入電網(wǎng)。</p><p>　　這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)沒(méi)有電流沖擊；可調(diào)解無(wú)功功率。永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是這種類型中最有優(yōu)勢(shì)的一種，可以做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，省去變速箱，由此可以提高可靠性，減小系統(tǒng)噪聲，降低維護(hù)

87、成本。</p><p>　　3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流方案概述</p><p>　　（1）不可控整流＋Boost＋逆變方案</p><p>　　最典型的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主電路拓?fù)湟话銥椋猴L(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)直接連接，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率變化,幅值變化的交流電，經(jīng)過(guò)整流之后變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過(guò)Boost電路升壓后，再經(jīng)過(guò)三項(xiàng)逆變器變換為三相恒幅交流電連接到電網(wǎng)。通過(guò)中間

88、電力電子變化環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，最大效率利用風(fēng)能。主電路拓?fù)淙鐖D3－1所示。</p><p>　　圖3－1 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)?lt;/p><p>　　圖3－1中的DC-DC變流器為Boost電路。Boost主電路邊一般由不可控整流電路，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，防止電網(wǎng)對(duì)主電路的高頻瞬態(tài)沖擊，對(duì)整流器呈現(xiàn)電

89、流源負(fù)載特性；其輸出側(cè)有濾波電容，可以減小輸入電流紋波，對(duì)負(fù)載呈現(xiàn)電壓源特性。利用Boost電路在斬波的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的目標(biāo)，包括如下兩個(gè)方面：a控制電感電流，使輸入電流正弦化，保證其功率因數(shù)接近1，并使輸入電流基波跟隨輸入電壓相位。b當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，不可控整流得到的電壓也在變化，而通過(guò)DC-DC變流器的調(diào)節(jié)可以保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，使輸出電壓保持恒定。這是目前常用的一種拓?fù)?，在小功率和兆瓦?jí)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中均有應(yīng)用。國(guó)外風(fēng)

90、力發(fā)電公司ENERCON的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)E82（2MW），國(guó)內(nèi)合肥陽(yáng)光電源有限公司的小型并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)變流器WG100K3（100kW）都使用這種拓?fù)洹?lt;/p><p>　?。?）雙PWM背靠背方案</p><p>　　圖3－2是雙PWM背靠背變流器拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)圖，發(fā)電機(jī)定子通過(guò)背靠背變流器和電網(wǎng)連接。發(fā)電機(jī)側(cè)PWM變流器通過(guò)調(diào)節(jié)定子側(cè)的d軸和q軸電流，控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子的無(wú)功功率（

91、無(wú)功功率設(shè)定值為0），使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在變速恒頻狀態(tài)，額定風(fēng)速以下具有最大風(fēng)能捕獲功能；網(wǎng)側(cè)PWM變流器通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的d軸和q軸電流，保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，控制流向電網(wǎng)的無(wú)功功率，通常運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。此外網(wǎng)側(cè)變流器還要保證變流器輸出的THD盡可能小，以提高注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。</p><p>　　圖3-2 背靠背雙PWM變流器結(jié)構(gòu)</p><p>　　

92、背靠背雙PWM變流器結(jié)構(gòu)是目前直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中較常見(jiàn)的一種拓?fù)?，?guó)內(nèi)外對(duì)其研究較多，主要集中在變流器建模，控制算法以及如何提高其故障穿越能力等方面。國(guó)內(nèi)九洲電氣股份有限公司的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)用兆瓦級(jí)功率變流器WindinvertTM-A（最大2MW）和合肥陽(yáng)光電源有限公司的全功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用變流器如WG2000FP(2MW)即使用這種結(jié)構(gòu)。這種拓?fù)涞耐ㄓ眯暂^強(qiáng)，雙PWM變流器的主電路完全一致，控制電路和控制算法也非常相似；兩側(cè)變流

93、器都使用基于DSP的數(shù)字化控制，采用矢量控制，控制方法靈活，具有四象限運(yùn)行功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)調(diào)速和輸送到電網(wǎng)電能的優(yōu)良控制。</p><p>　　和圖3－3電路的比較可以發(fā)現(xiàn)，圖3－1的Boost電路是三級(jí)變換，雙PWM變流器是兩級(jí)變換，因而效率更高，但是全控型器件數(shù)量更多，同時(shí)發(fā)電機(jī)側(cè)變流器矢量控制通常需要檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息，控制電路較復(fù)雜，因而具有相對(duì)較高的成本；圖3－3所示電路采用不可控整流＋Boos

94、t電路構(gòu)成整流器，控制簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，可靠性高，方便實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）的無(wú)速度傳感器控制，從而節(jié)約成本。綜合性能，成本等因素，這兩種拓?fù)涓饔袃?yōu)缺點(diǎn)，目前使用都比較多。</p><p>　　雙PWM背靠背方案在雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用也十分廣泛，在雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子中施加轉(zhuǎn)差頻率的電流（或電壓）進(jìn)行勵(lì)磁，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的幅值、頻率和相位，便實(shí)現(xiàn)定子恒頻恒壓輸出。其轉(zhuǎn)子由背靠背雙PWM變流器進(jìn)行勵(lì)

95、磁，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器向轉(zhuǎn)子繞組饋入所需的勵(lì)磁電流，完成定子磁鏈定向矢量控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲和定子輸出無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。當(dāng)發(fā)電機(jī)亞同步速運(yùn)行時(shí)，往轉(zhuǎn)子中饋入能量，作逆變器運(yùn)行；當(dāng)發(fā)電機(jī)超同步速運(yùn)行時(shí)，從轉(zhuǎn)子中吸收能量，作整流器運(yùn)行，并通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器將能量回饋到電網(wǎng)；當(dāng)發(fā)電機(jī)以同步速運(yùn)行時(shí)，向轉(zhuǎn)子饋入直流勵(lì)磁電流，實(shí)際作斬波器運(yùn)行。網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行模式與此類似，配合轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。此外，網(wǎng)側(cè)變流器還可以控制直流母線電壓恒

96、定以及調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)更加靈活。</p><p>　　圖3-3 雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　3.1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流方案確定</p><p>　　本設(shè)計(jì)中所選的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為：直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)輪與永磁同步發(fā)電機(jī)直接連接，無(wú)需升速齒輪箱。首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率變化﹑幅值變化的交流電，經(jīng)過(guò)整流之

97、后變?yōu)橹绷鳎缓蠼?jīng)過(guò)三相逆變器換為三相幅交流電連接到電網(wǎng)。通過(guò)中間電力電子變化環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤﹑最大效率利用風(fēng)能。</p><p>　　圖3－4是一種基于背靠背雙PWM變流器的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)?，這種系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為：發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)過(guò)PWM整流器變換為穩(wěn)定的直流電壓，然后通過(guò)PWM逆變器并入電網(wǎng)。逆變器輸入側(cè)電壓由逆變器控制，系統(tǒng)有功功率﹑無(wú)功功率由PWM整流器控制。

98、利用PWM整流器對(duì)發(fā)電機(jī)定子電流進(jìn)行控制，可以更好地利用永磁同步發(fā)電機(jī)的特性，控制性能好，控制復(fù)雜，諧波含量低，成本高。</p><p>　　圖3－4 背靠背雙PWM變流器的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　3.2 風(fēng)力并網(wǎng)逆變電路研究</p><p>　　3.2.1 逆變電路的分類</p><p>　　DC／AC變換電路稱為逆變電路

99、，逆變器廣泛應(yīng)用，類型很多，概括起來(lái)可分為如下類型：</p><p>　?。?）根據(jù)輸入直流電源特點(diǎn)分類</p><p>　　1）電壓型：電壓型逆變器的輸入端并接大電容，輸入直流電源為理想電壓源，逆變器將直流電壓變換成交流電壓。</p><p>　　2）電流型：電流型逆變器的輸入端串接大電感，輸入直流電源為理想電流源，逆變器將輸入的直流電源變換為交流電流輸出。<

100、;/p><p>　?。?） 根據(jù)電路就結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類</p><p><b>　　1）半橋式逆變電路</b></p><p><b>　　2）全橋式逆變電路</b></p><p><b>　　3）推挽式逆變電路</b></p><p>　　4）其他形式：如單

101、管晶體管你變電路。</p><p>　　（3）根據(jù)換流方式分類</p><p>　　1）負(fù)載換流型逆變電路</p><p>　　2) 脈沖換流型逆變電路</p><p>　　3) 自換流型逆變電路</p><p>　?。?）根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)分類</p><p>　　1）非諧振式逆變電路</p&

102、gt;<p><b>　　2）諧振式逆變電路</b></p><p>　　由于風(fēng)力發(fā)電的逆變電路很顯然屬于有源逆變電路，本文所討論的也都是這種逆變電路。在本文的研究中，逆變器的電路都是利用全控型器件組成，這是因?yàn)槿匦推骷泄β拭芏雀?，性能好，小型輕量等優(yōu)點(diǎn)，在不同容量范圍內(nèi)有逐步代替SCR的趨勢(shì)。根據(jù)直流側(cè)濾波形式，逆變電路可以分為電壓型和電流型。根據(jù)這種分類討論的，在本章中

103、對(duì)于電壓型和電流型逆變電路的工作特點(diǎn)做一個(gè)總體的比較和分析。</p><p>　　3.2.2 電壓型并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)分析</p><p>　　電壓源型PWM逆變方案是當(dāng)前主要應(yīng)用的逆變方案，該方案的拓?fù)淙鐖D3－5所示，采用的結(jié)構(gòu)為三相全橋，開(kāi)關(guān)器件為全控型開(kāi)關(guān)器件，如IGBT、MOSFET等。圖3－5中，a相橋臂的上管和下管編號(hào)為3和4；c相橋臂的上管和下管編號(hào)為5和6。按照一定規(guī)律控制6

104、個(gè)開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)，既可以實(shí)現(xiàn)逆變。調(diào)制方法常用的有SPWM和SVPWM等。</p><p>　　電壓源型PWM逆變方案系統(tǒng)分析如下：</p><p>　　從圖3－6可以看出三相橋式電路是單相半橋的擴(kuò)展，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上是完全相似的，其中各相輸入電感相等，即</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　電

105、網(wǎng)各相電壓為正弦波，即</p><p><b>　　( 3-2 )</b></p><p>　　圖中0點(diǎn)為電網(wǎng)中點(diǎn)。</p><p>　　圖3－5 PWM逆變器拓?fù)鋱D</p><p>　　圖3－6 電壓型三相橋式逆變電路</p><p>　　三相并網(wǎng)電路的等效電路模型如圖3-7所示，0電位是電網(wǎng)

106、的中點(diǎn)，0’為直流側(cè)濾波電容的中點(diǎn)，、為電感、回路電阻。</p><p>　　電網(wǎng)電壓如式3-7，無(wú)諧波含量。設(shè)逆變器輸出電流基波為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　考慮到回路電阻，則三相并網(wǎng)逆變器交流側(cè)的方程為：</p><p><b>　?。?-4）</b>&

107、lt;/p><p>　　圖3－7相電壓型并網(wǎng)逆變器等效電路圖</p><p>　　圖3-8 三相電壓型并網(wǎng)逆變器的矢量圖</p><p>　　電網(wǎng)電壓如式3-7，無(wú)諧波含量。設(shè)逆變器輸出電流基波為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　考慮到回路電阻，則三相并網(wǎng)逆變器交

108、流側(cè)的方程為：</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　從上式可以看出，對(duì)于逆變器的功率的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓、和以改變輸出電流、和來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從穩(wěn)態(tài)矢量圖中也可以知道，具體是通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓的幅值和相位來(lái)達(dá)到控制的目的。</p><p>　　再看逆變部分，一般考慮SPWM調(diào)制的三相電路。三相橋式電路的