【正文】 singlephase fullbridge Inverter circuit works The control strategy for inverter closedloop current control, so the output voltage to capture current, To enable it to achieve the effect of incorporation. Secondly, according to the design requirements of 3kW wind gridconnected inverter main circuit parameters were calculated and PIC16F886 designs based on single chip microputer control circuits, control systems and the design of hardware circuit and software flow chart. Key words: wind power。然而現(xiàn)有的能源：比如煤，石油，天然氣等儲(chǔ)量都很有限，肯定不能支撐得了人類長期消耗能量高的發(fā)展形式。在能源危機(jī)和環(huán)境污染的雙重壓力下，各國相繼出臺(tái)了一系列政策來推動(dòng)新能源科技產(chǎn)業(yè)的高效快速的發(fā)展，爭相開發(fā)利用綠色能源技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，基于有限的自然資源，環(huán)保、可持續(xù)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展是當(dāng)前中國解決能源短缺的戰(zhàn)略發(fā)展方向。而且從技術(shù)層 面上講，關(guān)于空氣動(dòng)力學(xué)的理論不斷取得新進(jìn)展，一些新材料的研制成功，控制理論的日臻完善，機(jī)械電子技術(shù)的日趨成熟，都為風(fēng)能的開發(fā)和利用提供了理論和技術(shù)上的保障。大型風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)對于電網(wǎng) 的安全運(yùn)行將會(huì)產(chǎn)生沖擊，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，惡 2 劣天氣條件下需要對風(fēng)電場進(jìn)行保護(hù)，需要脫離電網(wǎng)并停止生產(chǎn)，這也將對于電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出更高的要求。 20xx 年我國頒布并實(shí)施了 可再生能源法 ，以法規(guī)的形式將可再生能源的利用和發(fā)展作為優(yōu)先發(fā)展的對象，并在政策上對風(fēng)力發(fā)電電產(chǎn)業(yè)給予鼓勵(lì)及相 應(yīng)的補(bǔ)貼。由于風(fēng)電這個(gè)新市場存在龐大的發(fā)展空間，風(fēng)力發(fā)電及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的研究熱潮已在全國球掀起。 風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日益提高。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝分散，占地面積少，其監(jiān)控系統(tǒng)與塔架是合為一體的，再加上箱式變壓器，故而其建筑面積約為風(fēng)電場總面積的 1%，剩余的其他廣大土地仍可供農(nóng)、林、牧使用。這種獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及相關(guān)設(shè)備稱為離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這種小風(fēng)電系統(tǒng)適用于有市電接入的地區(qū)。但是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在著初期投資大 ,成本較高等缺點(diǎn)，因而探索高性能，低造價(jià)的風(fēng)力發(fā)電裝置成為目前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是 21 世紀(jì)最具有吸引力的能源利用技術(shù)。因此逆變器已成為影響小型風(fēng)力機(jī)并 網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行的主要因素，研究其結(jié)構(gòu)與控制方法，對于提高系統(tǒng)發(fā)電效率、降低成本、提高系統(tǒng)可靠性有極其重要的意義。雖然我國風(fēng)力發(fā)電 4 圖 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 起步較晚，但是發(fā)展速度較快。 20 世紀(jì)初，法國出現(xiàn)了第一臺(tái)用現(xiàn)代快速葉輪驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。到 21 世紀(jì)初，世界上發(fā)展最快的能源依舊是風(fēng)能。 中小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國家主要應(yīng)用于“分布式發(fā)電”，即可再生能源并網(wǎng)發(fā)電，是當(dāng)前清潔能源和環(huán)保措施中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，為降低電力用戶電費(fèi)支出提供了可能性。 在“分布式發(fā)電”模式下，風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)同時(shí)向企業(yè)或用戶供電。這類系 統(tǒng)無需蓄電池之類的儲(chǔ)能設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電機(jī)隨電網(wǎng)由于任何原因而停止供電時(shí)也自動(dòng)關(guān)閉。這樣的鼓勵(lì)政策在我們國家還未存在，雖然送電到鄉(xiāng)項(xiàng)目由中央和省自治區(qū)政府出資為近 1000 個(gè)無電鄉(xiāng)政府所在地的村莊通電，但項(xiàng)目在招標(biāo)中則確定了用光電向大部分村莊供電，余下的則為水力發(fā)電。國內(nèi)生產(chǎn)了單機(jī)容量從 100W 到 30kW 不等的中小型風(fēng)電變流器。 應(yīng)用領(lǐng)域的范圍也正在不斷擴(kuò)大。而小型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)則是將風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的可再生能源通過并網(wǎng)逆變器直接饋入電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)，而不經(jīng)過蓄電池儲(chǔ)能。比如德國的 SMA 公司生產(chǎn)的 Windy Boy 系列小型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器，在歐美一些國家已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。因此用戶所得到的經(jīng)濟(jì)利益是有限的在小型風(fēng)電并網(wǎng)逆變器中，則阻礙小風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究為用戶相對較少。因此對于小型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器的研究在國內(nèi)也日益受到了重視，特別是對風(fēng)電產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的關(guān)注。 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)： 逆變器的額定輸出功率： 3KW 連續(xù)過載能力： 110% 瞬時(shí)過載能力： 120%1 分鐘 推薦風(fēng)機(jī)額定功率（ KW）：小于 2KW 風(fēng)力機(jī)輸出交流電壓范圍： 40～ 110V 逆變器直流電壓工作范圍： 230～ 350V 電網(wǎng)電壓范圍： 180～ 260V 單相 允許電網(wǎng)頻率范圍： 37～ 課題主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 本文主要是針對小型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究，包括不可控整流、 Boost 升壓部分和單相并網(wǎng)逆變部分。 詳細(xì)地分析了逆變并網(wǎng)的原理以及主電路參數(shù)的計(jì)算和設(shè)計(jì)。針對當(dāng)前小型風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，明確了小型風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方向。在考慮發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合它們的運(yùn)行方式重點(diǎn)解決以下問題： 將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電或三相交流電； 高效率地實(shí)現(xiàn)上述兩種能量轉(zhuǎn)換，以降低每度電的成本； 穩(wěn)定可靠地同電網(wǎng)、柴油發(fā)電機(jī)及其他發(fā)電裝置或儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，為用戶提供穩(wěn)定的電能。在風(fēng)力發(fā)電中恒速恒頻發(fā)電是指，通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變，從而得到頻率恒定的電能；變速恒頻則是指速隨風(fēng)速的變化而變化的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，要得到恒頻電能則需通過其他方法來實(shí)現(xiàn)。其減少了機(jī)械應(yīng)力同恒速恒頻相比較，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以吸收風(fēng)能。 恒速 /恒頻風(fēng)電機(jī)組由于其特點(diǎn)所采用的電力電子變換裝置很少。相比與恒速 /恒頻發(fā)電系統(tǒng)，變速 /恒頻發(fā)電系統(tǒng)的成本投資可減少 10%～ 20%在機(jī)械制造部分，但是電氣部分的投資有較大增加，然而在大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中電氣部分的成本所占比例不大。異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)則主要是繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。比如交－直－交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。 這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)則是沒有電流沖擊，且無功是可調(diào)節(jié)的。通過整流，逆變后實(shí) 現(xiàn)并網(wǎng)，相對具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易的特點(diǎn)，在小型風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中很是適用。在轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)之間存在雙向的能量流動(dòng)，所以需要變流器為背靠背的四象限變流器。由于采用了交流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)構(gòu)成了柔性連接，可以根據(jù)電網(wǎng)電壓，電流和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，精確調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓，使其能滿足要求。使用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在風(fēng)力機(jī)與交流發(fā)電機(jī)之間不需要安裝升速齒輪箱，因而減少了維修周期，降低由于齒輪箱造成的噪聲污染，在低風(fēng)速時(shí)具有更高的效率。 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種結(jié)合大功率晶體管及功率場效應(yīng)晶體管兩者特點(diǎn)的復(fù)合型電力電子器件，既具有工作速度快，驅(qū)動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)，又兼有大功率晶體管的電流能力大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)就是需要兩個(gè)全功率電力變換器，但比起升速系統(tǒng)所采用的升速齒輪箱結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的應(yīng)用，應(yīng)該還是以后風(fēng)電領(lǐng)域的一個(gè)趨勢。所以必須采用升壓電路，實(shí)現(xiàn)升壓作用后再連接逆變電路。 并網(wǎng)逆變器根據(jù)直流側(cè)電源的性質(zhì)可以分為電壓型并網(wǎng)逆變器和電流型并網(wǎng)逆變器： 電壓型逆變電路主要特點(diǎn)： 直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。 當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。 電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。電壓型逆變輸出為方波電壓，在負(fù)載是電網(wǎng)時(shí)，存在兩個(gè)內(nèi)阻無窮小的電壓源，必須在負(fù)載輸出端接入電感來平衡電壓差；而對于電流型逆變器來說，輸出為方波電流，對于電壓沒有要求，故可直接并網(wǎng)。同時(shí)，由于電磁干擾問題和電網(wǎng)波動(dòng)問題使系統(tǒng)的可靠性 降低。這兩種有源逆變電路的具體特點(diǎn)見下表。確定了本設(shè)計(jì)所選的并網(wǎng)方式。本論文以小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對并網(wǎng)逆變器進(jìn)行研究。增大傳導(dǎo)損耗，且直流電壓利用率降低，雖然我們可以采用諧波注入技術(shù)或 SPWM 調(diào)制控制方法來提高直流母線電壓利用率，但這種方法只能在一定程度上改善系統(tǒng)性能，不能解決實(shí)質(zhì)性的問題。 經(jīng)過以上分析得知，逆變器是整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)最關(guān)鍵、控制難度最大的部分，提高 18 逆變器的性能對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的發(fā)展具有很大的促進(jìn)作用，所以本文選擇整流器加直流側(cè)電壓穩(wěn)定的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對其逆變器的原理和控制技術(shù)進(jìn)行研究。因此，研究實(shí)用、高效的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略極其重要。當(dāng)風(fēng)速太高時(shí)，風(fēng)機(jī)超載運(yùn)行，需要接入卸荷器，使系統(tǒng)恒功率運(yùn)行。升壓后的直流電壓經(jīng)過單相逆變器后，變成與電網(wǎng)電壓同頻率和同相位的交流電，并入公用電網(wǎng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是 3KW 并網(wǎng)逆變器，其主要技術(shù)參數(shù)表如下： 整流 模塊部分的選取 1）、輸出電壓平均值 經(jīng)過三相不可控整流電路后，輸出電壓平均值為 = 。 通過對反向重復(fù)峰值電壓 和正向平均電流 的參數(shù)計(jì)算，最后確定整流橋的型號為 SQL1000V100A，其額定電流為 100A，額定電壓為 1000V。這個(gè)計(jì)算值是臨界值，實(shí)際取值時(shí)要留有裕量，取 L=210mH。 3)、輸出二極管和開關(guān)管的選擇 本設(shè)計(jì)中輸出電壓 350V，當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管 D截止，考慮 10%的電壓紋波，則最大直流電壓約為 385V。 1）、 IGBT 額定電壓 的選擇該設(shè)計(jì)中，直流母線電壓的最大值 350V：在開關(guān) 21 工作的條件下， IGBT 的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，穩(wěn)態(tài)時(shí)加在 IGBT 之間的電壓最大為 ，則可選擇耐壓值 。濾波器對電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、靜態(tài)響應(yīng)與系統(tǒng)功耗有較大的影響。并網(wǎng)逆變器中常用 L型濾波器。如果將電感電流作為控制量，輸出電流與電感電流之間存在相位差。 圖 濾波器結(jié)構(gòu)示意圖 1）、截止頻率的選取要考慮兩個(gè)因素：一個(gè)因素是高頻諧波；另一個(gè)因素是發(fā)生諧振。 () 其主要計(jì)算如下 : =20% =20% = () L= = =3mH () =15% = () 的選取理論下 = 時(shí)濾波效果是最好的，諧振頻率最低。如果并網(wǎng)沖擊時(shí)間過長，還可能是系統(tǒng)瓦解或威脅掛網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行。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，這可通過裝在同期盤上的兩塊電壓表、兩塊頻率表和非同期指示燈來監(jiān)視。 由于發(fā)電機(jī)具有大的表面，散熱條件更有力，是發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫升降低，減小發(fā)電機(jī)溫升實(shí)得起伏。 三相不可控整流電路 為滿足逆變器所需的主流側(cè)母線電壓，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)過不可控整流環(huán)節(jié)后，變成低壓直流電，然后通過 Boost 電路進(jìn)行升壓變?yōu)橹绷?高壓，升壓后的直流電壓滿足并網(wǎng)逆變器的需要，才可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。不可控整流裝置的特點(diǎn)是體積小、成本低，無需控制，通常用于小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。 VD VD VD5 三個(gè)二極管的陰極連接在一起，稱為共陰極組， VD VD VD2 三個(gè)二極管的陽極連接在一起，稱為共陽極組。 Boost 升壓電路 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)速時(shí)刻發(fā)生變化，風(fēng)速的變化會(huì)引起風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械能的變化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出的電能發(fā)生變化，因此使得對風(fēng)能的利用就變得較為困難。 升壓電路常用的是 Boost 型變換電路。 分析 Boost 電路的工作原理時(shí)，首先假設(shè)電路的電感值 L足夠大，電容值 C 足夠大。 25 圖 Boost 升壓主電路圖 逆變電路的設(shè)計(jì) DC/AC 逆變器是將直流電能變換成交流電能的變流裝置，供交流負(fù)載用電或與交流電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接在電源上，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載相連時(shí)，稱為無源逆變。這樣就把直流電變成交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變交流電的頻率。當(dāng)開關(guān)管 VT2 和 VT3 導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓為正，其幅值為 ；當(dāng)開關(guān)管 VT1 和 VT2 導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓為負(fù)，其幅值也為 ，這樣通過對開關(guān)管的控制，逆變電路輸出正負(fù)交替的交 26 圖 逆變電路及其波形 流電壓。與單電感濾波器和 LC 濾波器相比， LCL 濾波器有更好的濾波特性，本文選擇此種方式。 并網(wǎng)逆變按照控制方式的不同可以分為：電壓源電壓控制型 、電壓源電流控制型 、電流源電壓控制型和電流源電流型控制。 單級式并網(wǎng)逆變裝置的輸入端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整流輸出端直接相連，逆變裝置將輸入側(cè)的直流電經(jīng)過變換輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電流。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的后級部分實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換。 綜上分析，單級式逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在允許輸入直流電壓范圍小，控制復(fù)雜等缺點(diǎn)； 三級式并網(wǎng)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要經(jīng)過三級變換，而每一級變換都存在能量損耗，由于級數(shù)較多，使得系統(tǒng)的成本增加，復(fù)雜程度變大，可靠性下降，所以在 經(jīng)過三級以