【正文】 電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電輸出到公共電網(wǎng)。 本系統(tǒng)采用單相全橋逆變電路，其主電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。按照功率電路的拓撲結(jié)構(gòu)可分為推挽式逆變、半橋式逆變、全橋式逆變；根據(jù)其主電路儲能元件的不同，一般可以分為電壓型和電流型兩大類；按 照交流用電負載與輸入直流電源的電氣隔離元件的工作頻率，逆變技術(shù)可分為低頻環(huán)節(jié)和高頻環(huán)節(jié)兩大類。該電路結(jié)構(gòu)主要包括功率開關(guān)管 V，二極管 D ，電感 以及電容 。同理，在隨后的五個區(qū)間中，負載兩端的電壓依次為 （ VD1 和 VD2 導(dǎo)通）、 （ VD3 和 VD2 導(dǎo)通）、 （ VD3 和VD4 導(dǎo)通）、 （ VD5 和 VD4 導(dǎo)通）、 （ VD5 和 VD6 導(dǎo)通）。因此為達到系統(tǒng)設(shè)計要求，在風力發(fā)電機輸出交流電之后需要一個整流裝置，將變化的交流電轉(zhuǎn)化為直流電。 由風力機直接驅(qū)動低速交流發(fā)電機，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)。隨著風力發(fā)電機組容量的增大，在并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊也越來越大。 L 濾波為一階濾波，其電感值必須取的足夠大才能獲得較好的濾波效果，但大的電感值需要較高的成本和較大的體積；而 LC 濾波器器濾波性能受輸出端負載的影響比較大。 風力發(fā)電系統(tǒng)中逆變器輸出常用的濾波器有 L、 LC、 LCL 三種濾波器。其參數(shù)為最大反向電壓 =1000V，向?qū)?電流 =24A，反向恢復(fù)時間 =200ns。最大峰值電流 可以表示為 = = () 20 式中 表示電路效率，本系統(tǒng)取 。當風速較低時，風力發(fā)電機轉(zhuǎn)動速度比較慢，導(dǎo)致發(fā)電機輸出的交流電壓很低，直流電壓升壓環(huán)節(jié)可以使逆變電路正常工作，從而使系統(tǒng)可以在低風速時繼續(xù)并網(wǎng)運行，大大提高了風能利用率。 圖 并網(wǎng)逆變器主電路圖 整個系統(tǒng)由永磁同步風力發(fā)電機、并網(wǎng)逆變控制器、卸荷器三部分組成。同時， Boost 電路還可以對永磁同步發(fā)電機輸出側(cè)的電流進行功率因數(shù)校正，由于不可控整流器具有非線性特性，導(dǎo)致整流器輸入交流電流側(cè)電流產(chǎn)生嚴重的畸變，并且諧波含量大，引起發(fā)電機轉(zhuǎn)矩發(fā)生震蕩致使發(fā)電機功率因數(shù)降低，當加入 Boost 電路后就可以采用功率因數(shù)校正 (PFC)技術(shù)，改變整流器功率開關(guān)管的占空比，使發(fā)電機輸出電流波形保持較好的正弦波形，并與輸出電壓保持同步。 16 3 系統(tǒng)主電路方案的設(shè)計 小型風電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu) 在小型風力發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中 ,并網(wǎng)逆變器可以說是整個風力發(fā)電系統(tǒng)的核心。但電流型逆變器的并網(wǎng)電流有較多的低頻諧波，并且功率因數(shù)角受限。 當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣給開關(guān)器 14 件反并聯(lián)反饋二極管。 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。 小型分布式風力發(fā)電中并網(wǎng)逆變電路的直流電壓是由前級整流電路提供的。直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 當繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機系統(tǒng)在風力發(fā)電中采用是，其實現(xiàn)恒頻發(fā)電可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率 在不同轉(zhuǎn)速下來實現(xiàn)，這樣就滿足了負載和并網(wǎng)的要求。 交 直 交 風力發(fā)電系統(tǒng)中的直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)是現(xiàn)在使用比較熱門的一種。永磁同步發(fā)電機變速 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)是通過控制一套整流逆變裝置，將發(fā)電機輸出的變頻變壓交流電轉(zhuǎn)換為滿足電網(wǎng)要求的恒頻 /恒壓交流電。恒速 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，直接驅(qū)動同步發(fā)電機或鼠籠式異步電機采用較多作為并網(wǎng)運行的發(fā)電機，電網(wǎng)的頻率與定子磁場旋轉(zhuǎn)頻率是相等的在并網(wǎng)之后，并且異步電機的轉(zhuǎn)差一般在 3%～ 5%，故而轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速在很小的范圍內(nèi)變化，故稱之為恒速 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。但它存在一個弊端，即當風速躍升時，通過風力機葉片傳給主軸的是巨大的風能，這樣就會引起齒輪箱和發(fā)電機等部件的疲勞損壞，故而需要加大安全系數(shù)，這樣做的同時導(dǎo)致了成本的增加。 9 2 并網(wǎng)式風力發(fā)電系統(tǒng)概述 風力發(fā)電系統(tǒng)分類 風力機對發(fā)電機及發(fā)電系統(tǒng)的一般要求： 風力發(fā)電包含了由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程，發(fā)電機及其控制系統(tǒng)承擔了后一種能量轉(zhuǎn)換任務(wù)，它不僅直接影響這個轉(zhuǎn)換過程的性能、效率和供電質(zhì) 量，而且也影響到前一個轉(zhuǎn)換過程的運行方式、效率和裝置結(jié)構(gòu)。而并網(wǎng)逆變部分采用 SPWM 控制技術(shù)，與三角波比較的控制方式，向電網(wǎng)回饋符合電網(wǎng)要求的標準交流電源。風機并網(wǎng)逆變器在國內(nèi)的研究，尤其是在大型的風機并網(wǎng)逆變器研究中取得了相當可觀的成果。 風力發(fā)電利用形式的一個新方向則是出現(xiàn)了小型風機并網(wǎng)系統(tǒng)。目前中國的中小風電產(chǎn)業(yè)由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出其基本現(xiàn)狀是 : 整個行業(yè)處于起步階段，規(guī)模都比較??； 并網(wǎng)功率都不大，大部分在 1kW 以下； 風力發(fā)電機與并網(wǎng)控制逆變器不匹配，系統(tǒng)效率低； 產(chǎn)品品種不全，且質(zhì)量不高。在大力發(fā)展風電廠以及太陽能電站的基礎(chǔ)上，“分布式發(fā)電”也是另一個需要研究的重要領(lǐng)域，即很好的利用小型發(fā)電設(shè)備，比如將電 網(wǎng)終端用戶處接入電網(wǎng)在小型風力發(fā)電機后，采用“凈值計量法”，也就是在一個計量周期結(jié)束時，電費的計算由用戶的實際用電“凈值”來定。風力發(fā)電機的電力輸出是由風速決定的，故而來自電網(wǎng)的電力供負載使用減少，當負載的用電量少于風力發(fā)出的電力時，就將多余的電量賣給電力公司。到 20xx 年底全國風力發(fā)電機組裝機容量己超過了 120 萬千瓦。我國在 80 年代中期開始進行并網(wǎng)型風力發(fā)電技術(shù)試驗、示范，并且經(jīng)過了多年的努力，現(xiàn)在逐步轉(zhuǎn)向規(guī)模開發(fā)。因此我們必須發(fā)展自己的風力發(fā)電技術(shù)。 由于傳統(tǒng)能源的枯竭和人類對環(huán)境的重視，電力系統(tǒng)正面臨著巨大的變革，分布式發(fā)電將成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向?，F(xiàn)在我國小型風力發(fā)電機組已積累了相當豐富的經(jīng)驗在其研究、制造方面，日趨成熟技術(shù)，形成了我國的系列型譜，而且有部分出口。 風力發(fā)電場具有建設(shè)周期短，裝機規(guī)模靈活等特點。因此，風電具有相當廣闊的應(yīng)用前景。對作為可再生、清潔環(huán)保的綠色能源 —— 風能進行開發(fā)利用已經(jīng)成為能源發(fā)展的新方向。然而同時伴隨著能源的過度消耗以及溫室氣體和其它有害氣體的任意排放，對人類的生存環(huán)境造成了嚴重的污染，這些問題收到了全世界的密切關(guān)注。使其能夠達到并網(wǎng)的效果。目前，常用的風能利用形式是大中型風力發(fā)電并網(wǎng)運行的方式。其中逆變器已成為影響風力機并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟可靠運行的主要因素，研究其結(jié)構(gòu)與控制方法對于提高系統(tǒng)發(fā)電效率、降低成本具有及其重要的意義。風能作為一種清潔的可再生能源，其在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用中受到廣泛地關(guān)注，同時風力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù) 也成為了當前國內(nèi)外主要研究的熱點。大型風力發(fā)電場并網(wǎng)對于電網(wǎng)的穩(wěn)定性的要求更高。 其次，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，對 3kW 風力發(fā)電并網(wǎng)逆變器的主電路參數(shù)做了主要計算；并且設(shè)計了基于單片機 PIC16F886 的控制電路，并給出了硬件電路圖及控制系統(tǒng)的軟件 II 流程圖。比如 20xx 年 12 月份在哥本哈根召開的全球氣候會議，其中就減少碳排放量為核心做了重要研討，出與各個國家經(jīng)濟利益問題的考慮，雖然會議沒有達成有效的討論成果，但它的召開已表明制約社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素環(huán)境主要為污染問題。每年來自外層空間的輻射能從技術(shù)上可以轉(zhuǎn)換成風能資源每年約 53 萬億千瓦時 ,比 2020 年世界電力需求預(yù)測的兩倍還要多。無論從人類將來的能源危機，還是現(xiàn)在的生態(tài)環(huán)境問題來看，對風力發(fā)電事業(yè)積極發(fā)展都具有重要意義。建設(shè)規(guī)模一般的風力發(fā)電場，只需半年至一年的時間，就可以從基礎(chǔ)建設(shè)、安裝到投產(chǎn)，然而火電、油電、核電則約需要 310 年的時間。小型風力發(fā)電機組成的風力發(fā)電系統(tǒng)一般分為 3 兩種，一種是將風力發(fā)電機組發(fā)出的電能用儲 能設(shè)備儲存起來 (一般用蓄電池 )，需要時，可直流供電，也可用離網(wǎng)型逆變器變換為交流電供給負載。其中，風力發(fā)電以其獨特的優(yōu)點，被公認為是技術(shù)含量高 .最有發(fā)展前途的技術(shù)之一。在小型風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，逆變器逆變效率的高低不僅影響其自身損耗 ,還影響到風力發(fā)電系統(tǒng)及其它設(shè)備的容量選擇與合理配置。目前我國己掌握了 600KW 定槳距失速風電機組的組裝技術(shù)和關(guān)鍵部件，已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化批量生產(chǎn)。風力發(fā)電機組的裝機容量的預(yù)測和實際數(shù)據(jù)都表明，我國風力發(fā)電進入了快速發(fā)展階段。而這所有的一切都是自動進行的。如果“凈值”為正，其自有的發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量小于用戶的用電量，則用戶需要向電力公司繳納“用電費”，相反，如果“凈值”為負，則電力公司按照其凈值向用戶支付“發(fā)電費”。 6 我國中小風電產(chǎn)業(yè)從統(tǒng)計數(shù)據(jù)還可以看出，其發(fā)展趨勢是： 市場發(fā)展需求逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大規(guī)格的機型。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)在小型風機并網(wǎng)逆變器研究方面，其商品化的實現(xiàn)比較早。雖然小型風電并網(wǎng)在國內(nèi)還沒有出臺相應(yīng)法規(guī)允許，但隨著進一步完善的法規(guī)和相關(guān)成熟的條件，小型風力發(fā)電并網(wǎng)，特別是戶用型風力發(fā)電并網(wǎng)必將成為現(xiàn)實。本文 主要工作如下： 介紹了各種風力發(fā)電技術(shù)的特點及發(fā)展趨勢，并對各種風力發(fā)電并網(wǎng)方法和并網(wǎng)變流器的控制策略進行了深入分析。因此，研制和選用適合于風電轉(zhuǎn)換用的、運行可靠、效率高、控制及供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)是風力發(fā)電技術(shù)的一個重要部分。 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)則能夠允許風力發(fā)電機以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)根據(jù)風速的變化。 變速 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 變速 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)具備的技術(shù)特色則是發(fā)電機和變流技術(shù)，由于其需要變速運行，所以會導(dǎo)致復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)，整機造價高。 風力發(fā)電機的并網(wǎng)方式 目前有很多種方案可以實現(xiàn)變速恒頻風力發(fā)電。其結(jié)構(gòu)則是把風機與永磁同步電機直接相連接，不需要加升速齒輪箱，這樣大大的減少了發(fā)電成本。還可以通過獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功和無功，使電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能提高。 風電系統(tǒng)將發(fā)電機發(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。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。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。 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。此外，還存在能量損耗大和裝置散熱等問題。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)電壓穩(wěn)定的 PWM 電壓源型逆變器拓撲結(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)濟性。當風力機達到切入風速時，系統(tǒng)開始工作，通過并網(wǎng)逆變器把風力發(fā)電機發(fā)出的電能饋入電網(wǎng)。 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、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。 取輸入最大紋波電流為電流峰值的 20%，則 Δ I = = () 當輸入電壓達到最小值時，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。 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。 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。因此本文采用 LCL 濾波。這種沖擊嚴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)電機和機械部件（塔架、槳葉及增速器等）造成損壞。這種系統(tǒng)并聯(lián)運行的特點如下： 由于不采用齒輪箱，機組水平軸向的長度大幅減小，電能生產(chǎn)的機械傳動路徑縮短，避免了因齒輪箱旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的損耗，噪音等。 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力發(fā)電系統(tǒng)中。這樣輸