【正文】 單級(jí)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。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。 升壓電路常用的是 Boost 型變換電路。 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)。 () 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。濾波器對(duì)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。 通過對(duì)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(hào)為 SQL1000V100A，其額定電流為 100A，額定電壓為 1000V。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。確定了本設(shè)計(jì)所選的并網(wǎng)方式。 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)。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。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。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)。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)。 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(duì)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。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。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。到 21 世紀(jì)初，世界上發(fā)展最快的能源依舊是風(fēng)能。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)。 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。大型風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)對(duì)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(duì)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(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出更高的要求。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。因此我們必須發(fā)展自己的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。本文以小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方法、參數(shù)選取等方面進(jìn)行了深入的分析和研究。 boost converter。目前，風(fēng)能的主要利用形式是大中型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的方式。由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷成熟，故而風(fēng)電成本呈下 降趨勢，這為風(fēng)電的大規(guī)模應(yīng)用提供了有利條件。其中逆變器已成為影響風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)發(fā)點(diǎn)新經(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(duì)于提高系統(tǒng)發(fā)電率。到了20 世紀(jì) 30 年代，各國已開始研制中型、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電一方面不產(chǎn)生污染，另一方面可以減少來自電廠電力產(chǎn)生的污染物排放。 由于用戶對(duì)其功能和 質(zhì)量要求越來越高，中小型風(fēng)電變流器開始重視外觀的設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)已有數(shù)家公司，依 7 靠較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力，研制成功了具有自主知識(shí)權(quán)的小型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器，并將其產(chǎn)品化，以出口為主，搶占國內(nèi)外市場。 通過利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置為風(fēng)力發(fā) 電系統(tǒng)，進(jìn)而通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)由控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，最后經(jīng)過逆變器對(duì)負(fù)載供電。近年來，隨著日趨成熟的大規(guī)模電力電子技術(shù)，發(fā)電設(shè)備的主要選擇方向之一則是變速 /恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 原理：其發(fā)電機(jī)采用了繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)，定子與電網(wǎng)或者負(fù)載直接連接。直流環(huán)節(jié)并有一大電容，可維持母線電壓恒定。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂上都并聯(lián)了反饋二極 管。 表 電壓型與電流型有源逆變電路的比較 電壓型逆變電路 電流型逆變電路 適用功率 中小 大 并網(wǎng)電流波形 正弦 方波 功率因數(shù) 高 不高 開關(guān)頻率 高 低 開關(guān)損耗 大 小 輸入電壓要求 高 低 器件 全控型 半（全）控型 控制電路 復(fù)雜 簡單 通過以上的分析比較，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用電壓型并網(wǎng)逆變器。 系統(tǒng)主電路的整體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)電效率高，成本低，適合應(yīng)用于中小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，有很好的發(fā)展前景。則輸出電壓為（ 40～ 110V） =～ 。逆變部分最高直流電壓為 350V，則選擇 IGBT 的額定電壓值 2）、 IGBT 額定電流 的選擇根據(jù)系統(tǒng)功率可 知變流器最大輸出電流為= = =15A，則 IGBT 的峰值電流為 =3 =45A，實(shí)際選擇為50A。設(shè)總電感為 L=L1+L2，則 = 。 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。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)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。本文講述的就是無源逆變。 電流源輸入型逆變系統(tǒng)直流側(cè)需要串聯(lián)一個(gè)大電感，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)動(dòng)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。前級(jí) 部分多采用 27 Boost 型變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)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。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。其工作原理可以分兩個(gè)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(shí)電路工作狀態(tài)的不同。 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(duì)發(fā)電機(jī)和機(jī)械部件（塔架、槳葉及增速器等）造成損壞。 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。 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。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)。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。 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。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。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)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。 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。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(duì)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。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。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)”。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。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。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(chǔ) 能設(shè)備儲(chǔ)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。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(duì)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)積極發(fā)展都具有重要意義。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。大型風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定性的要求更高。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(duì)于提高系統(tǒng)發(fā)電效率、降低成本具有及其重要的意義。使其能夠達(dá)到并網(wǎng)的效果。對(duì)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。 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)。 由于傳統(tǒng)能源的枯竭和人類對(duì)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。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)。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。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。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。 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(duì)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)。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)。 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。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。 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)。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。同時(shí)， Boost 電路還可以對(duì)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。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。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。 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