【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(duì)整流電路進(jìn)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(diǎn)的比較a) 單相半波可控整流電路的特點(diǎn)是：簡(jiǎn)單，但輸出脈動(dòng)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：?jiǎn)蜗嗳煽卣麟娐分凶儔浩鞯亩卫@組帶中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。繞組及鐵心對(duì)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(gè)晶閘管，比單相全控橋式可控整流電路少2個(gè)，相應(yīng)地，晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)；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(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，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(chǎng)合應(yīng)用。c) 單相橋式半控整流電路的特點(diǎn)：該電路實(shí)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(jiǎn)化。d) 電容濾波的單相不可控整流電路的特點(diǎn)：適用于交―直―交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應(yīng)用場(chǎng)合中，常用于小功率單相交流輸入的場(chǎng)合。從上述各種整流電路的優(yōu)缺點(diǎn)的比較及根據(jù)本文研究的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)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(hào)，控制調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間的相對(duì)長(zhǎng)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(shí)間的相對(duì)長(zhǎng)短來實(shí)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(chǎng)的變化實(shí)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?yàn)橹绷髯儞Q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(jiǎn)單，控制也比較容易。但是因?yàn)槭褂霉ゎl變壓器，從而增大了體積、重量和成本。另外，逆變時(shí)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(jí)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?yàn)槭褂酶哳l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(shí)要精確確定電壓過零點(diǎn)和電流過零點(diǎn)，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(jiǎn)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(shí)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(chǔ)能裝置一般的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可采用電池儲(chǔ)能裝置給風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能，系統(tǒng)()所示。圖中是發(fā)電機(jī)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(gè)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(chǎng)的風(fēng)速條件計(jì)算出發(fā)電機(jī)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(cè)量值，計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值在控制器中進(jìn)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(jī)電流、整流器電流、電池電流。由于電池的存在,使得發(fā)電機(jī)電壓和整流器電壓在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)隨風(fēng)速的變化而劇烈波動(dòng),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(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)蓄電池優(yōu)缺點(diǎn)的比較：鉛蓄電池：電壓穩(wěn)定，供電可靠，原料豐富，造價(jià)低廉，電氣性能良好。鎳鎘蓄電池：機(jī)械強(qiáng)度高，耐過充電及過放電且比能量較大等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)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(diǎn)，安全性好，循環(huán)壽命長(zhǎng)，但價(jià)格按貴。但從系統(tǒng)的優(yōu)化角度考慮采用超導(dǎo)儲(chǔ)能單元更具優(yōu)越性。超導(dǎo)儲(chǔ)能單元是柔性交流輸電技術(shù)中的一種。它由一個(gè)超導(dǎo)線圈,一個(gè)強(qiáng)制換向變換器和一個(gè)控制器組成。強(qiáng)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(chǔ)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(chǔ)能單元可被看作是一個(gè)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(chǔ)能單元的儲(chǔ)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(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定等問題,其應(yīng)用前景非常光明。雖然 SMES 價(jià)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)模化、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(chǔ)能SMES 技術(shù)。 所示, 表示發(fā)電機(jī)出口母線電壓,所采用的超導(dǎo)儲(chǔ)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(chǔ)能(SMES) 控制單元以異步發(fā)電機(jī)滑差的變化Δs 和發(fā)電機(jī)出口電壓的變化| Δ| 作為輸入信號(hào), 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(jī)發(fā)出或吸收有功功率和無功功率。是超導(dǎo)儲(chǔ)能作為電流源的輸出電流， 和是已變換的超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES) 裝置的電流和電壓偏差,是強(qiáng)制換向變換器的時(shí)間常數(shù), 是超導(dǎo)儲(chǔ)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(jī)的滑差系數(shù),是對(duì)應(yīng)的電流比例系數(shù)。所以本系統(tǒng)采用超導(dǎo)儲(chǔ)能單元,可以提高整個(gè)系統(tǒng)的輸出。 控制系統(tǒng)為使風(fēng)力機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)其進(jìn)行有效的控制?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yùn)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(jià)?。磳?duì)不同輸入信號(hào)的幅值有一定限制，如調(diào)向的時(shí)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(jī)在每一種風(fēng)速時(shí)，輸出的電功率達(dá)到最大，額定風(fēng)速以上時(shí)則保持輸出電功率為常量；5) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)把風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?) 發(fā)電機(jī)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(jī)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(bǔ)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(hù)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(jī)的全部功率通過變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而有的方案只有部分功率通過變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行控制的總體方案是：額定風(fēng)速以下風(fēng)力機(jī)按優(yōu)化槳矩角定漿距運(yùn)行，由發(fā)電機(jī)控制子系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉尖速比，從而實(shí)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(jī)變槳距運(yùn)行，由風(fēng)力機(jī)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(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率，防止風(fēng)電機(jī)組超出轉(zhuǎn)速極限和功率極限運(yùn)行而可能造成的事故。因此，額定風(fēng)速以下運(yùn)行是變速恒頻發(fā)電運(yùn)行的主要工作方式，也是經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)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(yùn)行的控制機(jī)理和控制方法。 風(fēng)力機(jī)最佳運(yùn)行原理一臺(tái)風(fēng)輪半徑為的風(fēng)力機(jī)，在風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)，它所產(chǎn)生的機(jī)械功率： （）式中 ——空氣密度， ——風(fēng)力機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的機(jī)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(gè)特定值時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)最大的，但是恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)總是工作于低效狀態(tài)。如果當(dāng)風(fēng)速變化的時(shí)候，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使得為某一個(gè)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(shì)所在。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制目標(biāo)通常有很多項(xiàng)，控制方法多種多樣，但目前亟待解決的兩個(gè)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(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力機(jī)有三種典型的運(yùn)行狀態(tài)：1) 低風(fēng)速段實(shí)行變速運(yùn)行，可保持一個(gè)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(jī)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(jìn)一步加大時(shí)．按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力機(jī)運(yùn)行，直到輸出最大功率，此時(shí)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(shí)，輸出功率達(dá)到極限，按恒功率輸出調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)。 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(gè)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(gè)分支，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、交流傳動(dòng)、電力電子等領(lǐng)域。對(duì)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(shí)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(shí)間間隔內(nèi)，到達(dá)目標(biāo)集，并使性能指標(biāo)為最小。對(duì)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(jì)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(duì)二次性能指標(biāo)，如何選擇權(quán)矩陣是一項(xiàng)較困難的工作，如選擇不同的，那么其最優(yōu)控制則是針對(duì)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(jì)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(jì)者的控制目的．若選時(shí)間，則為時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)距實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制(Maximum Power PointTracking，簡(jiǎn)稱MPPT)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須實(shí)行變速運(yùn)行，使系統(tǒng)