【文章內(nèi)容簡介】 轉(zhuǎn)矩和銅耗均減少。 整流裝置1. 整流電路的選擇策略[20]1) 整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式多種多樣，各具特色?？蓮母鞣N角度對整流電路進行分類，分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)可分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向可分為單向或雙向；又分為單拍電路和雙拍電路。2) 各種整流電路優(yōu)缺點的比較a) 單相半波可控整流電路的特點是：簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。為使變壓器鐵芯不飽和，需增大鐵芯截面積，增大了設(shè)備的容量。b) 單相橋式全控整流電路與單相全波二者的區(qū)別在于：單相全波可控整流電路中變壓器的二次繞組帶中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。繞組及鐵心對銅、鐵等材料的消耗比單相全橋多，在當(dāng)今世界上有色金屬資源有限的情況下，這是不利的。單相全波可控整流電路中只用2個晶閘管，比單相全控橋式可控整流電路少2個，相應(yīng)地，晶閘管的門極驅(qū)動電路也少2個；但是在單相全波可控整流電路中，晶閘管承受的最大電壓為，是單相全控橋式整流電路的2倍。單相全波可控整流電路中，導(dǎo)電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，因而也少了一次管壓降。從上述比較考慮，單相全波電路適宜于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。c) 單相橋式半控整流電路的特點：該電路實用中需加設(shè)續(xù)流二極管VDR，以避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。電路簡化。d) 電容濾波的單相不可控整流電路的特點：適用于交―直―交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應(yīng)用場合中，常用于小功率單相交流輸入的場合。從上述各種整流電路的優(yōu)缺點的比較及根據(jù)本文研究的風(fēng)力發(fā)電機輸出的電的要求，本系統(tǒng)采用電容濾波的單相不可控整流電路2. 穩(wěn)壓電路的選擇策略開關(guān)穩(wěn)壓電源發(fā)展迅速，種類繁多，從工作方式上，可分為可控整流型、斬波型和隔離型三大類。1) 所謂可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作調(diào)整開關(guān)，由交流市電電網(wǎng)供電，可直接供電，也可經(jīng)過變壓器變壓后供電。在可工作的半波內(nèi)，截去正弦曲線的前一部分，這部分所占角度稱為截止角，導(dǎo)通的正弦曲線的后一部分稱為導(dǎo)通角，靠調(diào)導(dǎo)通角的大小，達(dá)到調(diào)整輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓的目的。 可控電流濾波脈沖控制電路 可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源2) 所謂斬波型開關(guān)穩(wěn)壓電源指直流供電，輸入直流電壓加到開關(guān)電路上，在開關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動直流，經(jīng)濾波得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流輸出電壓，從輸出電壓取樣，經(jīng)比較、放大、控制脈沖信號，控制調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通時間和截止時間的相對長短達(dá)到穩(wěn)壓的目的。這種穩(wěn)壓電源的開關(guān)元件常由晶體三極管擔(dān)任。調(diào)壓也是靠改變調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通和截止時間的相對長短來實現(xiàn)的。調(diào)整開關(guān)濾波脈沖控制電路ＵｉＵ０ 　斬波型開關(guān)穩(wěn)壓器方框圖3) 所謂隔離型開關(guān)電源，是指輸出回路與逆變電路之間，經(jīng)過高頻變壓器，由磁場的變化實現(xiàn)能量傳遞，沒有電流之間的直接流通。習(xí)慣上稱為直流變換器。直流變換器不都是隔離型開關(guān)穩(wěn)壓器，因為直流變換器中，將輸入的直流變成交變電壓的逆變器不都是工作在開關(guān)狀態(tài)，如正弦波振蕩狀態(tài)，還有不少直流變換器沒有穩(wěn)壓功能。嚴(yán)格地說，直流變換器包括隔離開關(guān)型穩(wěn)壓器，但為了通俗，還是采用直流變換器一詞。直流變換器是指直流電壓供電，經(jīng)開關(guān)電路，將直流變成交流，因與整流作用相反，因此通常稱為逆變器。經(jīng)過逆變器將直流供電能量轉(zhuǎn)變成頻率很高的交流能量，再經(jīng)變壓器隔離、變壓（升壓或降壓），再整流，得到新的直流輸出電壓。從輸出取樣，經(jīng)放大、反饋至逆變器，控制它的工作，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。逆變變壓整流濾波反饋控制ＵｉｉｉｉｉｉｉｉｉＵo 直流變換器方框圖根據(jù)本文的研究，采用可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源電路。3. 逆變電路的選擇策略1) 直接逆變后用工頻變壓器升壓至交流220V這種方法電路結(jié)構(gòu)簡單，控制也比較容易。但是因為使用工頻變壓器，從而增大了體積、重量和成本。另外，逆變時由于輸入電壓低，造成電流大，功率管的選擇比較困難。還有，逆變后電流也比較大，從而后級工頻變壓器的制作也比較困難。2) 高頻鏈逆變技術(shù)逆變出交流220V電壓這種方法因為使用高頻變壓器，因此體積小、重量輕、成本也低。但是由于是新興技術(shù)，逆變時要精確確定電壓過零點和電流過零點，因此控制電路比較復(fù)雜、難以控制。另外，目前采用高頻鏈逆變技術(shù)的逆變器只能用于低功率范疇。有關(guān)資料表明，目前最大功率僅為300W。3) 高頻升壓后接逆變器逆變出交流220V電壓這種方法不但控制簡單，而且也避免了使用工頻變壓器。升壓電路可供選擇的電路結(jié)構(gòu)形式有多鐘，如升壓斬波器、升降壓斬波器、Cuk電路、單端反激式、雙端開關(guān)電源等。實際中可以選擇輸入輸出隔離的電路結(jié)構(gòu)形式，也可以選擇不隔離的電路結(jié)構(gòu)形式。為了人身安全起見，一般選用輸入輸出有隔離的電路結(jié)構(gòu)。 儲能裝置一般的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可采用電池儲能裝置給風(fēng)力發(fā)電機儲能，系統(tǒng)()所示。圖中是發(fā)電機出口電壓,是整流器出口電壓, 是逆變器入口電壓,U是負(fù)荷電壓,直流/ 直流轉(zhuǎn)換器用于兩個直流電源之間的電壓轉(zhuǎn)換,有帶電壓隔離和不帶電壓隔離兩種。根據(jù)風(fēng)場的風(fēng)速條件計算出發(fā)電機電流、整流器電流、負(fù)荷電流、電池充電電流及電池電壓。數(shù)據(jù)輸入為測量值，計算結(jié)果與測量值在控制器中進行比較，校正后調(diào)節(jié)輸出，使輸出穩(wěn)定。研究表明系統(tǒng)參數(shù)中受風(fēng)速變化影響的依次是發(fā)電機電流、整流器電流、電池電流。由于電池的存在,使得發(fā)電機電壓和整流器電壓在短時間內(nèi)不會隨風(fēng)速的變化而劇烈波動,但電池容量有限,一般用于小容量的孤島型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),在并網(wǎng)型供電形式中基本不采用。 采用電池儲能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)蓄電池優(yōu)缺點的比較：鉛蓄電池：電壓穩(wěn)定，供電可靠，原料豐富，造價低廉，電氣性能良好。鎳鎘蓄電池：機械強度高，耐過充電及過放電且比能量較大等優(yōu)點，但價格按貴。鋰離子電池：工作電壓高，比能量大，充電速度快等優(yōu)點，安全性好，循環(huán)壽命長，但價格按貴。但從系統(tǒng)的優(yōu)化角度考慮采用超導(dǎo)儲能單元更具優(yōu)越性。超導(dǎo)儲能單元是柔性交流輸電技術(shù)中的一種。它由一個超導(dǎo)線圈,一個強制換向變換器和一個控制器組成。強制換向變換器是基于晶閘管的半導(dǎo)體開關(guān),能使超導(dǎo)儲能（SMES）單元發(fā)出或吸收有功和無功功率。具有這種功能的超導(dǎo)儲能單元可被看作是一個由有功和無功控制器控制幅值和相位的可控電流源。超導(dǎo)儲能單元的儲能容量大,響應(yīng)速度快,在電力系統(tǒng)中已經(jīng)有不少應(yīng)用,如解決次同步振蕩、多機系統(tǒng)穩(wěn)定等問題,其應(yīng)用前景非常光明。雖然 SMES 價格較貴,但其容量大、響應(yīng)快。到90年代已被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),然而迄今為止僅用于孤島型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。隨著風(fēng)力發(fā)電向規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的供電形式必然由孤島型向并網(wǎng)型發(fā)展。在并網(wǎng)型供電形式中應(yīng)用超導(dǎo)儲能SMES 技術(shù)。 所示, 表示發(fā)電機出口母線電壓,所采用的超導(dǎo)儲能(SMES) 所示。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 SMES 系統(tǒng)方框圖 （） （） （） （）由()、（）、（）、（） 式和（）可知超導(dǎo)儲能(SMES) 控制單元以異步發(fā)電機滑差的變化Δs 和發(fā)電機出口電壓的變化| Δ| 作為輸入信號, 使輸出到母線上的有功功率和無功功率發(fā)生變化，從而影響風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出或吸收有功功率和無功功率。是超導(dǎo)儲能作為電流源的輸出電流， 和是已變換的超導(dǎo)儲能(SMES) 裝置的電流和電壓偏差,是強制換向變換器的時間常數(shù), 是超導(dǎo)儲能線圈的電感, 和分別為電壓和電流的標(biāo)幺值,是異步發(fā)電機的滑差系數(shù),是對應(yīng)的電流比例系數(shù)。所以本系統(tǒng)采用超導(dǎo)儲能單元,可以提高整個系統(tǒng)的輸出。 控制系統(tǒng)為使風(fēng)力機組能夠穩(wěn)定運行，必須對其進行有效的控制?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機組的特殊性，按重要性的順序，控制器應(yīng)依次滿足以下要求：1) 風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2) 運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風(fēng)、剪切風(fēng)、負(fù)載變化作用下具有魯棒性；3) 控制代價?。磳Σ煌斎胄盘柕姆涤幸欢ㄏ拗?，如調(diào)向的時問等；4) 最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風(fēng)速以下，可能使發(fā)電機在每一種風(fēng)速時，輸出的電功率達(dá)到最大，額定風(fēng)速以上時則保持輸出電功率為常量；5) 風(fēng)力發(fā)電機輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，需要一種功率轉(zhuǎn)換裝置將發(fā)電機發(fā)出的電能控制為恒頻。其主要組成環(huán)節(jié)及作用如下：1) 發(fā)電機把風(fēng)力機輸出的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?) 發(fā)電機側(cè)變流器由自關(guān)斷器件（如GIR、IGBT、GTO等）構(gòu)成的AC/D變流器，采用一定的控制方法將發(fā)電機發(fā)出的變頻的交流轉(zhuǎn)換為直流。3) 直流環(huán)節(jié)一般直流環(huán)節(jié)的電壓控制為恒定。4) 網(wǎng)側(cè)變流器由自關(guān)斷器件構(gòu)成的DC/AC變流器，采用某種控制方法使直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾也ń涣麟姡ㄈ?0Hz、690V的三相交流電），并能有效的補償電網(wǎng)功率因數(shù)。5) 變壓器通過變壓器以及一些開關(guān)設(shè)備和保護設(shè)備，把電能變?yōu)楦邏航涣麟姡ㄈ?1kV或33kV等）。其中2～4可稱為變頻器，其能量流向在某些控制方案中是雙向的，上述變頻器為交一直一交變頻器，也有采用交一交變頻器的。另外，在有的方案中發(fā)電機的全部功率通過變頻器進行轉(zhuǎn)換，而有的方案只有部分功率通過變頻器進行轉(zhuǎn)換。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行控制的總體方案變速恒頻風(fēng)力發(fā)電追蹤和最大風(fēng)系統(tǒng)運行控制的總體方案是：額定風(fēng)速以下風(fēng)力機按優(yōu)化槳矩角定漿距運行，由發(fā)電機控制子系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)力機葉尖速比，從而實現(xiàn)最佳功率曲線的能量的捕獲；在額定風(fēng)速以上風(fēng)力機變槳距運行，由風(fēng)力機控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)節(jié)距角來改變風(fēng)能系數(shù)，從而控制風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速和功率，防止風(fēng)電機組超出轉(zhuǎn)速極限和功率極限運行而可能造成的事故。因此，額定風(fēng)速以下運行是變速恒頻發(fā)電運行的主要工作方式，也是經(jīng)濟高效的運行方式，這種情況下變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)就是追蹤與捕獲最大風(fēng)能。為此，必須研究風(fēng)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲運行的控制機理和控制方法。 風(fēng)力機最佳運行原理一臺風(fēng)輪半徑為的風(fēng)力機，在風(fēng)速下運行時，它所產(chǎn)生的機械功率： （）式中 ——空氣密度， ——風(fēng)力機的輸出功率系數(shù)（一般Cp=1/3～2/5，最大可達(dá)16/27=）——風(fēng)力機的掃掠面積，——風(fēng)速， 從(1)式可以看出在一定的風(fēng)速下， 值越大，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的效率就越高。而風(fēng)能利用系數(shù)一 (葉尖速比)關(guān)系的葉尖速比可表示為： （）式中——風(fēng)力機的機械轉(zhuǎn)速(Rad／s) ——葉片半徑(m) ——迎面風(fēng)速()由上可知，在為某一個特定值時對應(yīng)一個最大的，但是恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機幾乎不變，而風(fēng)速是不斷變化的，所以恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機總是工作于低效狀態(tài)。如果當(dāng)風(fēng)速變化的時候，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使得為某一個特定值不變，從而能保持最大的，即能最大限度的利用風(fēng)能。這就是變速恒頻技術(shù)的優(yōu)勢所在。風(fēng)力發(fā)電機組控制目標(biāo)通常有很多項，控制方法多種多樣，但目前亟待解決的兩個核心問題是：風(fēng)能的最大捕獲以提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率以及改善電能質(zhì)量問題為實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力機有三種典型的運行狀態(tài)：1) 低風(fēng)速段實行變速運行，可保持一個恒定的風(fēng)能利用系數(shù)值，根據(jù)風(fēng)速變化控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，使葉尖速比不變，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限；2) 轉(zhuǎn)速達(dá)到極限后，風(fēng)速進一步加大時．按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力機運行，直到輸出最大功率，此時的風(fēng)能利用系數(shù) 不一定是最大值；3) 超過額定風(fēng)速時，輸出功率達(dá)到極限，按恒功率輸出調(diào)節(jié)風(fēng)力機。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)控制原理最優(yōu)控制是現(xiàn)代控制理論的一個重要組成部分，也是將最優(yōu)化理論用于控制問題的一種體現(xiàn)。線性最優(yōu)控制是目前諸多現(xiàn)代控制理論中應(yīng)用最多、最成熟的一個分支，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、交流傳動、電力電子等領(lǐng)域。對一般線性最優(yōu)控制系統(tǒng)： （） 式中：為階矩陣；為階矩陣。性能指標(biāo)： （）其中：為終端時間；為終端狀態(tài)；由此最優(yōu)控制問題可表述為：求一允許控制使：系統(tǒng)由初始狀態(tài))出發(fā)在時間間隔內(nèi)，到達(dá)目標(biāo)集，并使性能指標(biāo)為最小。對線性最優(yōu)控制求解問題主要有變分法和極大值原理，如果性能指標(biāo)采用二次型性能指標(biāo)： （）其中：、分別為狀態(tài)量與控制量的權(quán)矩陣，則最優(yōu)控制系統(tǒng)的設(shè)計轉(zhuǎn)化為從黎卡提方程中解出陣從而得到最優(yōu)控制 的問題。對二次性能指標(biāo)，如何選擇權(quán)矩陣是一項較困難的工作，如選擇不同的，那么其最優(yōu)控制則是針對由該所確定的性能指標(biāo)而言的。因此，如何恰當(dāng)?shù)剡x擇權(quán)陣是線性最優(yōu)控制設(shè)計中需注意的問題。在最優(yōu)控制中，性能指標(biāo)的選取直接表明了設(shè)計者的控制目的．若選時間，則為時間最優(yōu)；若選狀態(tài)，則為狀態(tài)最優(yōu)；若選擇控制，則為能量最優(yōu)；若選擇諧波損耗，則為諧波損耗最優(yōu)控制。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所應(yīng)用的控制方法中，以傳統(tǒng)的PID 控制最多，也最為常見，其次就是最優(yōu)控制。 最大風(fēng)能捕獲控制1. 控制發(fā)電機轉(zhuǎn)距實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制為實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制(Maximum Power PointTracking，簡稱MPPT)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須實行變速運行，使系統(tǒng)