【正文】 1 本科畢業(yè)論文 風(fēng)力發(fā)電 逆變裝置的設(shè)計 學(xué) 生： 學(xué) 號： 院 （系）： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師： 2 1 緒論 風(fēng)力發(fā)電的特點和 發(fā)展 概況 風(fēng)力發(fā)電的特點 隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，世界各國對能源的需求越來越大。常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，不僅資源有限，而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，能源問題己成為 當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題，所以可再生能源成為了人們關(guān)注的焦點，風(fēng)能正是這樣一種無污染的可再生能源，其在地球上的資源量是相當(dāng)豐富的，可開發(fā)利用量也很可觀，因此對它的開發(fā)利用己受到世界各國的高度重視。但是同時風(fēng)能作為一種自然資源，風(fēng)速、風(fēng)向都是不穩(wěn)定的，風(fēng)能蘊(yùn)含量豐富地區(qū)多較為偏僻，這就要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組適應(yīng)高溫高寒高濕鹽霧大風(fēng)沙等惡劣環(huán)境，并且機(jī)組多無人值守，這些因素對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性都提出了十分嚴(yán)格的要求。單機(jī)電氣控制系統(tǒng)技術(shù)主要包括中心控制技術(shù)、偏航控制技術(shù)、軟并網(wǎng)技 術(shù)和無功補(bǔ)償技術(shù)等，這就要求系統(tǒng)具有很高的可靠性能?？梢哉f風(fēng)力發(fā)電是機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存的能源技術(shù)。 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展概況 （ 1）國外發(fā)展現(xiàn)狀： 風(fēng)力發(fā)電在歐洲發(fā)展最快，德國的風(fēng)電發(fā)展處于領(lǐng)先地位，在近期德國制定的風(fēng)電發(fā)展長遠(yuǎn)規(guī)劃中指出，到 2025 年風(fēng)電要實現(xiàn)占電力總?cè)萘康?25%，到 2050 年實現(xiàn)占總用量的 50%的目標(biāo)。另外，丹麥的風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)可以滿足 18%的用電需求，法國也在制定風(fēng)能發(fā)電的長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃。同時亞洲的風(fēng)電也保持較快的發(fā)展勢頭。其中印度政府積極推動風(fēng)能發(fā)展，積極鼓勵大型企業(yè)進(jìn)行投資發(fā)展風(fēng)電， 并 保持實施優(yōu)惠政策激勵風(fēng)能制造基地，目前印度已經(jīng)成為世界第 5 大風(fēng)電生產(chǎn)國。據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會和綠色和平組織簽署了 “ 關(guān)于 2020 年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量的 12%的藍(lán)圖 ” 報告， 2020 年全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到 億千瓦，是 2020 年世界風(fēng)電裝機(jī)容量的 倍，年安裝量達(dá) 億千瓦，風(fēng)力發(fā)電量將占全球發(fā)電總量的 12%。 （ 2）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀： 我國是世界上風(fēng)力資源較為豐富的國家之一，全國可開發(fā)利用的風(fēng)能約 億千瓦。有沿海 (山東、浙江、福建、廣東 )和東北至西北 (包括內(nèi)蒙古、新疆、甘肅 )兩大風(fēng)帶，風(fēng)的質(zhì)量很好，為 開發(fā)風(fēng)力發(fā)電提供了基礎(chǔ)環(huán)境和條件，因此我國也在大力提倡風(fēng)力發(fā)電。我國從 70 年代開始進(jìn)行并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電的嘗試。早期，山東，新疆等地引入國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始我國風(fēng)電場的運(yùn)行試驗與示范。 1997 年在國家有關(guān)優(yōu)惠政策和國家計委 “ 成風(fēng)計劃 ” 的推動下，年總裝機(jī)容量躍至 萬千瓦。總的來說我國風(fēng)能并網(wǎng)發(fā) 3 電已經(jīng)走過了 30 年歷程，但是跟國外相比，我國裝機(jī)容量仍然偏低，并且從設(shè)備制造水平來說還未走出 “ 試驗 ” 階段，但是同時也看出我國風(fēng)電潛力巨大。 隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨完善，已經(jīng)形成一種富有活力的新興產(chǎn)業(yè)，并向產(chǎn)業(yè)化、設(shè)備大型化 、設(shè)備實用化、取能高度化、成本低廉化和開發(fā)多元化等方向發(fā)展。 風(fēng)力發(fā)電的原理 因為風(fēng)力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染即其無污染性，風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮。風(fēng)力發(fā)電的原理比較簡單，類似于水利發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電就是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開始發(fā)電。風(fēng)機(jī)發(fā)出的電因為質(zhì)量不高難以直接應(yīng)用，所以要實現(xiàn)利用就必須要將發(fā)出的電能進(jìn)行變換，滿足并網(wǎng)要求，這樣就需要我們設(shè)計一個可靠的整流 逆變系統(tǒng)和控制系統(tǒng)來對其進(jìn)行變換和控制，使其滿足條件。以下是風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)原理圖。 油 泵馬 達(dá)變 速 機(jī) 構(gòu) 控 制 系 統(tǒng) 油 泵 油 泵 油 泵發(fā) 電 機(jī) 組變 漿 機(jī) 構(gòu)風(fēng) 速測 量變 壓 器電 網(wǎng)勵 磁 機(jī) 組圖 11 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理圖 逆變電源的現(xiàn)狀 現(xiàn)代逆變技術(shù)的分類 逆變電源是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，逆變電源的性質(zhì)決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的質(zhì)量。隨著逆變電源的類型的增多和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，使得光伏發(fā)電系 4 統(tǒng)可以應(yīng)用到與國民生產(chǎn)和日常生活相關(guān)的各個領(lǐng)域。 現(xiàn)代的逆變技術(shù)種類很多，可以按照不同的形式進(jìn)行分類，主要有如下幾種 : （ 1）按照逆變器輸出交 流的頻率，可以分為工頻逆變、中頻逆變和高頻逆變。工頻變換逆變電源使采用工頻變壓器實現(xiàn)輸入輸出之間的電氣隔離。這種逆變器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但這種逆變器體積大，笨重、噪聲大，效率方面也有待提高。隨著對電源性能要求的日益提高，傳統(tǒng)的工頻變換逆變電源逐漸難以適應(yīng)輕量化、高功率密度、高可靠性的要求。高頻變換是采用高頻變換技術(shù)，它的優(yōu)點是體積小、重量輕、噪音小、效率高。日前的光伏發(fā)電系統(tǒng)多采用高頻變換方式，在國內(nèi)外的中小交流光伏系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用。 （ 2）按逆變器輸出的相數(shù)，可分為單相逆變、三相逆變和多相逆變。 （ 3）按逆變器的主電路形式，可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變。 （ 4）按照逆變器主開關(guān)器件的類型，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場效應(yīng)管逆變器、 IGBT 逆變器等。 （ 5）按照輸出的穩(wěn)定參量，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。 （ 6）按控制方式，可分為移項控制方式和 PWM 控制方式。移項控制的原理是，全橋變換電路每一個橋臂的兩個開關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個橋臂的開關(guān)導(dǎo)通之間相差一個相位，通過調(diào)節(jié)此移相角的大小，來調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的 目 的。利用單極性移相控制技術(shù)，控制高頻脈沖環(huán)節(jié)逆變 器， 根據(jù)軟開關(guān)的工作原理，控制各管的導(dǎo)通時刻與導(dǎo)通時間，使之工作在零電壓開關(guān)與關(guān)斷模式，可以大大降低器件的開關(guān)損耗以及電磁干擾噪聲。 PWM 控制采用脈寬調(diào)制控制方式，它的優(yōu)點是控制靈活，實現(xiàn)簡單。可以根據(jù)具體的實現(xiàn)要求，產(chǎn)生相應(yīng)的控制波形。對于諧波抑制、死區(qū)控制、調(diào)節(jié)輸出電壓等多種方面都十分有利。近年來，結(jié)合 DSP或單片機(jī)技術(shù)，通過編程算法可以滿足各種控制策略的要求，大大提高了 PWM 控制在逆變電源控制方面的應(yīng)用效率 [3,4]。 逆變電源波形控制技術(shù) 光伏逆變器的性能很大程度上決定了整個光伏發(fā) 電系統(tǒng)的性能和效率，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣，人們對光伏逆變器輸出電壓的質(zhì)量要求也越 來 越高，不僅要求逆變器的輸出電壓穩(wěn)定以及工作可靠，而且要求其輸出電壓正弦度高，動態(tài)響應(yīng)速度快。所以光伏逆變器的控制技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展。 (1)開環(huán)控制 開環(huán)控制是根據(jù)面積等效的原理，用正弦信號波和三角載波進(jìn)行比較獲得 SPWM波，從而決定功率器件的開關(guān)時刻。隨著單片機(jī)等數(shù)字器件的發(fā)展，逆變器的開環(huán)控制逐漸采用了數(shù)字方法，從而出現(xiàn)了幾種新型的 SPWM 調(diào)制技術(shù)，如載波調(diào)制 PWM、諧波注入 PWM 以及最優(yōu) PWM 等。新型的 PWM調(diào)制方法雖然可以在一定程度上改善光伏逆變器 5 的輸出電壓質(zhì)量，減少波形畸變，但開環(huán)控制不可避免的具有很大的局限性 : ，總諧波畸變率高。 。 (2)模擬閉環(huán)控制 閉環(huán)控制的引入克服了開環(huán)控制的局限性，提高了系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量。 PI 控制以形式簡單、參數(shù)易于設(shè)計、理論成熟為特點，成為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的控制方法?？蛰d的逆變器模型近似于一階振蕩環(huán)節(jié)，積分器的作用會增加相位滯后 。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，控制器的比例 P必須加以限制，控制系統(tǒng)的動態(tài)性能一般，系統(tǒng)對于非線性負(fù)載擾動的 抑制效果不好。由控制理論可知，對于正弦指令信號， PI 控制不能實現(xiàn)無靜差跟隨，輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度必然受到影響，實際應(yīng)用中往往增加電壓均值反饋外環(huán)，將PI 控制與閉環(huán)控制策略相結(jié)合，來保證穩(wěn)態(tài)精度。具體實現(xiàn)方式包括電壓瞬時值反饋控制和電壓電流雙閉環(huán)反饋控制。 采用電壓瞬時值反饋或者電壓瞬時值內(nèi)環(huán)、電壓有效值外環(huán)的控制策略。它的優(yōu)點是只使用了一個電壓傳感器，缺點是系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性不好，同時為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電壓瞬時值環(huán)不能做的太快，從而導(dǎo)致了跟蹤特性不是很好，波形質(zhì)量欠佳。改善動態(tài)響應(yīng)的方法之一就是采用電流反饋 控制策略。將電壓環(huán)與電流環(huán)配合使用達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓和