【正文】 開始時將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能存在蓄電池中通過變換器轉(zhuǎn)變，而后則將蓄電池儲存的電能通過變流器逆變供用戶使用，通過兩級轉(zhuǎn)換使整個系統(tǒng)的效率損失很多，而且蓄電池的使用不僅增加了成本而且還會造成環(huán)境的污染。尤其是歐洲，在相關(guān)法規(guī)和政策的引導(dǎo)下，領(lǐng)先于國內(nèi)技術(shù)在小型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器研究方面，其商品化的實現(xiàn)比較早。目前“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的形式在小型風(fēng)電并網(wǎng)逆變器用戶中采用較多，也就是只向本用戶的各種負(fù)載提供電能的風(fēng)力發(fā)電，而對于其它多余的并入電網(wǎng)的電能則不予計量和經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。雖然小型風(fēng)電并網(wǎng)在國內(nèi)還沒有出臺相應(yīng)法規(guī)允許，但隨著進(jìn)一步完善的法規(guī)和相關(guān)成熟的條件，小型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)，特別是戶用型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)必將成為現(xiàn)實。 本課題主要研究任務(wù)及內(nèi)容 課題主要研究任務(wù) 本文主要研究關(guān)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的設(shè)計，其具體的設(shè)計內(nèi)容主要包括以下幾個部分： 主電路及驅(qū)動電路的設(shè)計； 控制電路、軟件框圖的設(shè)計、程序編寫。本文 主要工作如下： 介紹了各種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的特點及發(fā)展趨勢，并對各種風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)方法和并網(wǎng)變流器的控制策略進(jìn)行了深入分析。 本章小結(jié) 本論文第一章為緒論，該部分主要對本課題的研究背景及意義進(jìn)行了深入研究，并對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展前景做了重點介紹。因此，研制和選用適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換用的、運(yùn)行可靠、效率高、控制及供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個重要部分。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時，要求其發(fā)出電能的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)則能夠允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)根據(jù)風(fēng)速的變化。在正常運(yùn)行時這種風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)處于超同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)差率 s 為負(fù)，電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)差率的可變范圍相當(dāng)小 (s5%)，所以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變而當(dāng)風(fēng)速變化時，這就是其稱之為恒速 /恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原因。 變速 /恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 變速 /恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具備的技術(shù)特色則是發(fā)電機(jī)和變流技術(shù)，由于其需要變速運(yùn)行，所以會導(dǎo)致復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)，整機(jī)造價高。其中風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變速 /恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和電勵磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式 目前有很多種方案可以實現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。在交 －直－交變換的風(fēng)力發(fā)電 11 系統(tǒng)中，三種類型的發(fā)電機(jī)可以采用： 1）繞線轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)， 2）籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)，3）永磁同步發(fā)電機(jī)。其結(jié)構(gòu)則是把風(fēng)機(jī)與永磁同步電機(jī)直接相連接，不需要加升速齒輪箱，這樣大大的減少了發(fā)電成本。當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，達(dá)到頻率的恒定。還可以通過獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功和無功，使電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能提高。 在該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動永磁同步交流電機(jī)產(chǎn)生電能。 風(fēng)電系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部 交流電經(jīng)整流 /逆變裝置轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)，因此需要采用大功率的電力電子器件。該系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機(jī)是低速電機(jī)，它能與風(fēng)力機(jī)很好的匹配，風(fēng)力機(jī)可以和永磁發(fā)電機(jī)直接耦合，省去了其它風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)中的增速箱，使機(jī)組結(jié)構(gòu)大大簡化，減少發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作并且降低噪聲； 2）該方案在一定程度上提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性；可以獨立設(shè)計逆變器部分。一般為 48V 左右，顯然，并不能直接逆變?yōu)?220V／ 50Hz 的工頻交流電，因而需要經(jīng)過升壓后才可。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 。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。 電壓型逆變電路直流側(cè)并聯(lián)大電容，它即抑制直流電壓紋波，減低直流電源內(nèi)阻，使直流側(cè)近似為恒壓源，另一方面又為來自交流側(cè)無功電流的走向提供通路；電流型逆變電路在直流側(cè)串聯(lián)大電感，它即抑制直流電流紋波，使直流側(cè)近似為恒流源，另一方面又為來自逆變側(cè)的無功電壓分量提供支撐，維持電路間電壓平衡，保證無功功率的流傳。 從實現(xiàn)方式來看，電壓型逆變器為了得到諧波含量少的輸出電流，一般采用高頻PWM 調(diào)制，從而帶來了復(fù)雜的電路控制和較高的開關(guān)損耗。此外，還存在能量損耗大和裝置散熱等問題。以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式，詳細(xì)的介紹了兩種并網(wǎng)方式的功能及特點。經(jīng)過整流的直流電壓要通過并網(wǎng)逆變器才能并入電網(wǎng)，以供用電戶使用。 圖 不可控整流器 +直流側(cè)電壓變化的 PWM 電壓源型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于：由于輸入逆變器的電壓是不可控整流器變流后輸出的電壓，而發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下輸出電壓值是不相同的，我們都知道 ，自然界的風(fēng)速是 17 不斷變化的，而它帶動的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也會不斷發(fā)生變化，這樣就會使整流器輸出的電壓在不斷變化，導(dǎo)致逆變器輸入側(cè)的直流電壓處于不斷變化狀態(tài)下 ,即使如此， PWM逆變器還是可以通過改變調(diào)制比來實現(xiàn)穩(wěn)定的并網(wǎng)電壓頻率、幅值 ,但是當(dāng)風(fēng)速太低時，逆變器輸入電壓就會變得很低，為了達(dá)到并網(wǎng)要求的電壓參數(shù)，逆變器必須不斷地改變調(diào)制深度來滿足輸出參數(shù)的要求，但是調(diào)制比的改變是有限的，而這會導(dǎo)致逆變器逆變輸出效率降低 !開關(guān)器件的峰值電流提高。 圖 不可控整流器 +直流側(cè)電壓穩(wěn)定的 PWM 電壓源型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 這樣，整個系統(tǒng)在加入一級 Boost 電路后可以將直流輸入電壓等級提高，并且系統(tǒng)控制簡單，控制方法靈活，開關(guān)管利用率高，并且為后面的并網(wǎng)逆變器的輸入提供了電壓穩(wěn)定、諧波含量低的直流電壓 ,具有良好的經(jīng)濟(jì)性。并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵。當(dāng)風(fēng)力機(jī)達(dá)到切入風(fēng)速時，系統(tǒng)開始工作，通過并網(wǎng)逆變器把風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能饋入電網(wǎng)。此直流電壓較低，且電壓大小是隨著風(fēng)速不斷變化的，不滿足并網(wǎng)直流母線電壓要求，所以我們采用Boost 電路進(jìn)行升壓，把直流電壓穩(wěn)定到一定值。 主電路關(guān)鍵參數(shù)選擇 如上所示主電路圖，系統(tǒng)主電路部分包括直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)、不可控整流裝置、 19 DC/DC 變換裝置、單相橋式逆變裝置、濾波電感等。 3）、正向平均電流 風(fēng)機(jī)輸出電壓最低時，整流后的最小直流電壓值為 ， 并網(wǎng)逆變器的輸出功率最大可達(dá) ，對應(yīng)最大直流電 = =， 表 并網(wǎng)逆變器主要技術(shù)參數(shù) 參數(shù)項 參數(shù)值 逆變器額定輸出功率 3KW 風(fēng)力機(jī)額定功率 小于 2KW 風(fēng)力機(jī)輸出交流電壓范圍 40 110V 逆變器直流工作電壓范圍 230 350V 電網(wǎng)電壓范圍 180 260V 單相 允許電網(wǎng)頻率范圍 37 連續(xù)過載能力 110% 瞬時過載能力 120% 留有一定的電流裕量，取整流橋的額定正向電流 ≥ 2 =2 =。 取輸入最大紋波電流為電流峰值的 20%，則 Δ I = = () 當(dāng)輸入電壓達(dá)到最小值時，輸入電流最大，此時電流紋波最大，因此最小輸入電壓值時的占空比為 D= () 則電感值由下式求出 L==144mH () 式中， 為開關(guān)頻率，取值為 50kHz。直流側(cè)電壓為 350V，選擇電容的耐壓值為 450V。 逆變部分開關(guān)管的選取 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，也稱為絕緣柵雙極晶體管是一種復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件它同時具有MOSFET 的高速開關(guān)及電壓驅(qū)動特性和雙極晶體管的低飽和電壓特性及易實現(xiàn)較大電流的能力，既具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大的優(yōu)點，這使得 IGBT 成為近年來電力電子領(lǐng)域中尤為矚目的電力電子驅(qū)動器件，并且得到越來越廣泛的應(yīng)用。 輸出側(cè)濾波電感的設(shè)計： 為了輸出與電網(wǎng)電壓同頻率相同標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電流，必須在逆變器的輸出端加濾波器來濾除諧波，減小諧波含量。 L 型濾波器為一階濾波器，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，但濾波效果較差。如果該濾波器用于并網(wǎng) 逆變器中，電容濾波后的電流為并網(wǎng)電流。因此本文采用 LCL 濾波。 L= () 3)、電容過大會吸收過多的無功功率，其對功率影響要求低于 15%。這種沖擊嚴(yán)重時不僅引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降，而且可能對發(fā)電機(jī)和機(jī)械部件（塔架、槳葉及增速器等）造成損壞。 同步發(fā)電機(jī)常用的并網(wǎng)方式有： 準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式 準(zhǔn)同期就是準(zhǔn)確周期。這種系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的特點如下： 由于不采用齒輪箱，機(jī)組水平軸向的長度大幅減小，電能生產(chǎn)的機(jī)械傳動路徑縮短，避免了因齒輪箱旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的損耗，噪音等。直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)具有傳動鏈能量損失小、維護(hù)費用低、可靠性好等優(yōu)點。 整流裝置分為可控整流和不可控整流，可控整流裝置通常用于消除電機(jī)電感過大引起的體積大、功耗高等問題，但是可控整 流裝置的使用成本高、控制復(fù)雜，因此該裝置通常用于大中型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。三相交流電壓 、 依次相差 ；六個線電壓 、 依次相差 。這樣輸出完整的波形，從而實現(xiàn)了連續(xù)工作。其主電路結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。其工作原理可以分兩個狀態(tài)進(jìn)行分析，即功率開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時電路工作狀態(tài)的不同。由于需要將變化的直流電升壓滿足系統(tǒng)要求，因此，本系統(tǒng)DC/DC 變換電路硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用 Boost 型電路結(jié)構(gòu)。 逆變電路的基本工作原理： 與整流相對應(yīng)，把直流電變成交流電稱為逆變。圖 37中 S1～S4 是橋式電路的 4個臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成當(dāng)開關(guān) S S4 閉合，S S3 斷開時，負(fù)載電壓 為正；當(dāng)開關(guān) S1 、 S4 斷開， S S3 閉合時， 為負(fù)，其波形 如圖 37 所示。單相正弦逆變電路的主要組成部分是由開關(guān)器件構(gòu)成的逆變橋和 LCL 輸出濾波器。 逆變后的輸出電壓要經(jīng)過濾波器濾波，濾除高頻分量，形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓。逆變器輸出的交流電必須滿足并網(wǎng)要求，并保證正弦波電壓性能穩(wěn)定、質(zhì)量高，以實現(xiàn)單位功率因數(shù)輸出。按電路轉(zhuǎn)換過程的不同并網(wǎng)逆變裝置可分為單級式逆變器、兩級式逆變器和多級式逆變器。前級 部分多采用 27 Boost 型變換器，實現(xiàn)對直流輸入的升壓及穩(wěn)壓，使經(jīng)過變換后的直流電壓符合要求。因此，在實際中較少應(yīng)用。 三級式并網(wǎng)逆變裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點控制簡單；高頻變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)電氣隔離；同時減小了系統(tǒng)的體積和重量。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，所需成本低，體積小，損耗少和效率高等優(yōu)點。 電流源輸入型逆變系統(tǒng)直流側(cè)需要串聯(lián)一個大電感，其缺點是系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)慢，因此當(dāng)前并網(wǎng)逆變器多采用電壓源輸入型逆變器。 為了保證正常的并網(wǎng)逆變，阻止電網(wǎng)電壓逆向整流運(yùn)行，直流側(cè)的輸入電壓一定要高于電網(wǎng)電壓的峰值。要防止同一橋臂上的兩個管子同時處于導(dǎo)通狀態(tài)避免短路。這就是逆變電路最基本的工做原理。本文講述的就是無源逆變。逆變技術(shù)的種類繁多，大致可按照交流輸出能量的去向、功率流動的方向、功率變換的多少、輸入直流電源的性質(zhì)、輸出與輸入的電氣隔離、功率電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組成功率電路的器件、占空比的控制方式、控制技術(shù)、輸出交流電壓的電平、輸出交流電壓的波形、輸出交流電的相數(shù)、輸出交流電的頻率以及功率開關(guān)的工作方式等方面進(jìn)行分類。 Boost 電路之所以能夠使輸出電壓大于輸入電壓實現(xiàn)升壓的目的，其實現(xiàn)的關(guān)鍵有兩個原因：其一是電感儲能之后具有使電容泵升的作用，其二是電容可以將電壓保持住。該電路的主要作用是實現(xiàn)升壓，將輸入的直流電壓 升壓至輸出側(cè)的 ,給逆變裝置提供穩(wěn)定的母線電壓。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于設(shè)計容量有限，可利用的風(fēng)能較少，經(jīng)過整流裝置輸出的直流電的電壓不 能達(dá)到并網(wǎng)逆變的要求。在最初的期間， 最正而 最負(fù)，所以在共陰極組中 VD1 導(dǎo)通，而在共陽極組中 VD6 導(dǎo)通，此時電流從 a 電經(jīng)過 VD負(fù)載、 VD6 到 b 點，負(fù)載兩端的電壓是 ，即 VD1和 VD6 導(dǎo)通后把最大的線電壓 加到了負(fù)載上。因此，考慮到本系統(tǒng)設(shè)計容量小，以及適用性、經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計要求，本系統(tǒng)采用三相不可控整流裝置。該系統(tǒng)采用風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)直接耦合的連接方式，而風(fēng)能具有變化性、隨機(jī)性和無規(guī)律性的特點，因此發(fā)電機(jī)輸出的電能是變化的交流電，不能直接供給交流負(fù)載使用，通常需要轉(zhuǎn)為直流電再進(jìn)行變換，需要通過 DC/DC 變化之后通過逆變裝置，輸出符合要求的交流電。 目前先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品中的典型技術(shù)方案，不外乎變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和無齒輪箱變速永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)二種，二者各有優(yōu)劣。 自同期并網(wǎng)方式 自同期并列操作是將一臺未加勵磁電流的發(fā)電機(jī)組升速到接近與電網(wǎng)頻率，滑差角頻率不超過允許值且機(jī)組的加速度小于某一給定值的條件下，首先合上斷路器開關(guān)接著合上勵磁開關(guān)，給轉(zhuǎn)子上加勵磁電流，在發(fā)電機(jī)電動勢逐漸增長的過程中由系統(tǒng) 23 將發(fā)電機(jī)拉入同步運(yùn)行。因此經(jīng)過分析本文選擇直驅(qū)交流永磁同步發(fā)電機(jī)比較合理，由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動低速交流發(fā)電機(jī)通過工作速度快，驅(qū)動功率小，導(dǎo)通壓降低的 IGBT 逆變器并網(wǎng)。 取 =， =， C=30μ F； 各部分功能介紹 永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 并網(wǎng)運(yùn)行是現(xiàn)在風(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。設(shè)總電感為 L=L1+L2，則 =