【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?fù)浣Y(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(fù)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(gè)區(qū)間中，負(fù)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(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出交流電之后需要一個(gè)整流裝置，將變化的交流電轉(zhuǎn)化為直流電。 由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)低速交流發(fā)電機(jī)，通過工作速度快，驅(qū)動(dòng)功率小，導(dǎo)通壓降低的 IGBT 逆變器并網(wǎng)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增大，在并網(wǎng)時(shí)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(fù)載的影響比較大。 風(fēng)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(shí)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(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度比較慢，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(fēng)速時(shí)繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，大大提高了風(fēng)能利用率。 圖 并網(wǎng)逆變器主電路圖 整個(gè)系統(tǒng)由永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、并網(wǎng)逆變控制器、卸荷器三部分組成。同時(shí)， Boost 電路還可以對永磁同步發(fā)電機(jī)輸出側(cè)的電流進(jìn)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(yán)重的畸變，并且諧波含量大，引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生震蕩致使發(fā)電機(jī)功率因數(shù)降低，當(dāng)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(jī)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(jì) 小型風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在小型風(fēng)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(gè)風(fēng)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(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)電感起緩沖無功能量的作用因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)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(fù)載阻抗角無關(guān)。 小型分布式風(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 當(dāng)繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電中采用是，其實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率 在不同轉(zhuǎn)速下來實(shí)現(xiàn)，這樣就滿足了負(fù)載和并網(wǎng)的要求。 交 直 交 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的直驅(qū)式風(fēng)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(jī)變速 /恒頻風(fēng)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(jī)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，直接驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)或鼠籠式異步電機(jī)采用較多作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，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(jī)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。但它存在一個(gè)弊端，即當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí)，通過風(fēng)力機(jī)葉片傳給主軸的是巨大的風(fēng)能，這樣就會(huì)引起齒輪箱和發(fā)電機(jī)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(shí)導(dǎo)致了成本的增加。 9 2 并網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)概述 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分類 風(fēng)力機(jī)對發(fā)電機(jī)及發(fā)電系統(tǒng)的一般要求： 風(fēng)力發(fā)電包含了由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程，發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)承擔(dān)了后一種能量轉(zhuǎn)換任務(wù)，它不僅直接影響這個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)換過程的運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)交流電源。風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器在國內(nèi)的研究，尤其是在大型的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器研究中取得了相當(dāng)可觀的成果。 風(fēng)力發(fā)電利用形式的一個(gè)新方向則是出現(xiàn)了小型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)。目前中國的中小風(fēng)電產(chǎn)業(yè)由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出其基本現(xiàn)狀是 : 整個(gè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)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(gè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)后，采用“凈值計(jì)量法”，也就是在一個(gè)計(jì)量周期結(jié)束時(shí)，電費(fèi)的計(jì)算由用戶的實(shí)際用電“凈值”來定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力輸出是由風(fēng)速?zèng)Q定的，故而來自電網(wǎng)的電力供負(fù)載使用減少，當(dāng)負(fù)載的用電量少于風(fēng)力發(fā)出的電力時(shí)，就將多余的電量賣給電力公司。到 20xx 年底全國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量己超過了 120 萬千瓦。我國在 80 年代中期開始進(jìn)行并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)試驗(yàn)、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(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組已積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)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(fēng)力發(fā)電場具有建設(shè)周期短，裝機(jī)規(guī)模靈活等特點(diǎn)。因此，風(fēng)電具有相當(dāng)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(fēng)能進(jìn)行開發(fā)利用已經(jīng)成為能源發(fā)展的新方向。然而同時(shí)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(yán)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(dá)到并網(wǎng)的效果。目前，常用的風(fēng)能利用形式是大中型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的方式。其中逆變器已成為影響風(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、降低成本具有及其重要的意義。風(fēng)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(shí)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù) 也成為了當(dāng)前國內(nèi)外主要研究的熱點(diǎn)。大型風(fēng)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(jì)要求，對 3kW 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器的主電路參數(shù)做了主要計(jì)算；并且設(shè)計(jì)了基于單片機(jī) 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(huì)議，其中就減少碳排放量為核心做了重要研討，出與各個(gè)國家經(jīng)濟(jì)利益問題的考慮，雖然會(huì)議沒有達(dá)成有效的討論成果，但它的召開已表明制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(fēng)能資源每年約 53 萬億千瓦時(shí) ,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(jī)，還是現(xiàn)在的生態(tài)環(huán)境問題來看，對風(fēng)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(fēng)力發(fā)電場，只需半年至一年的時(shí)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(shí)間。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般分為 3 兩種，一種是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)，可直流供電，也可用離網(wǎng)型逆變器變換為交流電供給負(fù)載。其中，風(fēng)力發(fā)電以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電機(jī)組的組裝技術(shù)和關(guān)鍵部件，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化批量生產(chǎn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量的預(yù)測和實(shí)際數(shù)據(jù)都表明，我國風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了快速發(fā)展階段。而這所有的一切都是自動(dòng)進(jìn)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(fèi)”，相反，如果“凈值”為負(fù)，則電力公司按照其凈值向用戶支付“發(fā)電費(fèi)”。 6 我國中小風(fēng)電產(chǎn)業(yè)從統(tǒng)計(jì)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(jī)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(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器研究方面，其商品化的實(shí)現(xiàn)比較早。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(shí)。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(diǎn)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。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(gè)重要部分。 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。 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(huì)導(dǎo)致復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)，整機(jī)造價(jià)高。 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(shí)現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。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。還可以通過獨(dú)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(dòng)態(tài)性能提高。 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。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(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu) 這樣，整個(gè)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。當(dāng)風(fēng)力機(jī)達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)，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)。 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。 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(shí)，輸入電流最大，此時(shí)電流紋波最大，因此最小輸入電壓值時(shí)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(diǎn)而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件它同時(shí)具有MOSFET 的高速開關(guān)及電壓驅(qū)動(dòng)特性和雙極晶體管的低飽和電壓特性及易實(shí)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(dòng)電路簡單的優(yōu)點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)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(diǎn)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(yán)重時(shí)不僅引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降，而且可能對發(fā)電機(jī)和機(jī)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(yùn)行的特點(diǎn)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(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。 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。這樣輸