【文章內(nèi)容簡介】 由于定子三項(xiàng)繞組對稱，有 ，則 則式（23）可以得出假定 則式（23）可以得出 式中、——三相感應(yīng)電動勢，單位 V； 、——三相對中性點(diǎn)的電壓，單位 V 、——三相電流，單位 A 、——各相繞組自感，單位 mH； 、、——為繞組之間的互感，單位 mH； R——各相繞線電阻，單位根據(jù)電氣基礎(chǔ)知識可以得到： 式中 ——發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，單位 Nm； ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位 Nm； ——阻力系數(shù)，單位 kgm； ——轉(zhuǎn)動慣量，單位 kgm；永磁同步發(fā)電機(jī)通過三相整流橋和大電感濾波之后，從整流級輸出測看進(jìn)去，它不但擁有直流發(fā)電機(jī)的電壓波形平穩(wěn)優(yōu)點(diǎn)，而且也具有了壽命長、效率高的特點(diǎn)。從而更加適合在大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用。梯形波永磁同步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)相比，具有電壓調(diào)整率低、電壓波形平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，和直流發(fā)電機(jī)相比，具有無機(jī)械換向裝置、換向容易、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f這種新型發(fā)電機(jī)集直流發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)，優(yōu)點(diǎn)與一體而又摒棄了它們不足。仿真試驗(yàn)證明這種直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)具有電壓調(diào)整率低，輸出紋波小，可以軟起動等特點(diǎn)。 直流升壓電路本文中采用直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)，將發(fā)出的電壓和頻率隨風(fēng)速變化的交流電，通過三相二極管整流橋整流，經(jīng)過濾波電路，得到比較平滑直流電速下，捕獲的能量不足以達(dá)到并網(wǎng)條件。為了使系統(tǒng)能夠在較寬，風(fēng)速條件下運(yùn)行，需要使用直流變升壓電路，將電壓變換為逆變裝置所需要電壓，然后并網(wǎng)，以此達(dá)到提高系統(tǒng)效率的目的。DCDC 變換器按照電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為兩大類：不隔離的直流變換器和帶隔離的直流變換器，兩者最基本的功能都是變壓。帶隔離的直流變換器有單管的正激式（forward）和反激式（flyback），多管的推挽（pushpull converter）、半橋（halfbridge）、全橋（fullbridge）直流變換器等。不隔離的直流變換器有4種基本的拓?fù)?，它們是降壓式（Buck）變換器、升壓式（Boost）變換器升降壓式（Buck/Boost）變換器和Cuk變換器等。 升壓式（Boost）變換器（1）電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Boost 變換器是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管非隔離直流變換器。圖 23給出了它的電路圖。通過控制開關(guān)管 S 的導(dǎo)通比，可控制升壓變換器的輸出電壓。 圖23 升壓電路拓?fù)洌?）工作原理 本文只研究電感電流連續(xù)情況。如圖 26 所示，在[0，T1]區(qū)間，開關(guān)管 S處于導(dǎo)通狀態(tài)，電源電壓全部加到電感兩端，電感電流 Li呈線性增長。二極管D截止，電容C向負(fù)載供電，電流流過電感。由于輸出濾波電容電壓保持不變，則電感兩端呈現(xiàn)正電壓 UL=Vin－Vdc，在該電壓作用下電感中電流Li線性増長，直到 T1時(shí)刻，Li達(dá)到最大值。在開關(guān)管導(dǎo)通期間，電感電流的增量為 在[T1，T]區(qū)間，開關(guān)管 S 關(guān)斷，iL經(jīng)過二極管D流向輸出側(cè)，電源與電感所儲存的能量給C充電，電感上的電壓 Vdc? Vin0 ，故iL線性衰減，直到 T時(shí)刻，iL達(dá)到最小值。在S截止期間期間，電感電流的減小量為 29 穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，S導(dǎo)通期間電感電流的增長量等于S截止期間的減小量。由式（28）與式（29）可得 210由式（210）可知，輸出電壓與輸入電壓的比值始終大于等于1，即輸出電壓高于輸入電壓。 第3章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電路分析 概述 在本文中，采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動低速永磁同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。直接驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)與交流發(fā)電機(jī)之間不需要安裝升速齒輪箱，因而減少了維修費(fèi)用，降低了噪聲。其發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓與頻率隨風(fēng)速變化的三相交流電通過三相二極管整流橋整流成直流，經(jīng)過濾波電路之后，使用DCDC升壓裝置變換為逆變電路所需要的恒定電壓，通過協(xié)調(diào)各控制模塊，逆變后并網(wǎng)，達(dá)到捕獲最大風(fēng)能的目的。為了有效的利用隨時(shí)變化的風(fēng)能，本文提出一種新型的風(fēng)電控制系統(tǒng)。從理論上分析了這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其主電路是由發(fā)電機(jī)和斬波電路的等效電路組成，發(fā)電機(jī)的輸出功率和直流輸出電壓的特性表達(dá)式與斬波電路的占空比以及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速之間成某種函數(shù)關(guān)系，其在下文有詳細(xì)介紹。因此，把發(fā)電機(jī)的輸出功率與斬波電路的占空比區(qū)分開來，理論上推導(dǎo)出通過控制斬波電路的占空比來獲得最大功率。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖 31 所示。 圖31 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)是由梯形波永磁同步發(fā)電機(jī)、三相二極管整流電路、斬波電路、逆變電路組成。為了實(shí)現(xiàn)高效和簡化功率轉(zhuǎn)換電路，采用永磁體勵(lì)磁三相同步發(fā)電機(jī)，效率較高，產(chǎn)生的交流功率通過三相二極管整流成直流功率。二極管整流具有功率因數(shù)高，不需要額外的控制電路，增強(qiáng)了可靠性。直流功率通過斬波電路升壓，再通過逆變裝置轉(zhuǎn)換成交流電能后并網(wǎng)。 三相二極管整流電路 在眾多的電力電子變換電路中，采用三相二極管全橋整流電路用于ACDCAC變換中，其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）結(jié)構(gòu)簡單，采用六個(gè)二極管組成不可控整流橋，不需要額外的控制電路。（2）價(jià)格低廉，可靠性高。其缺點(diǎn)在于電流波形不能夠控制，且電力電子器件會向交流側(cè)注入諧波電流。永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出直接連接到三相二極管整流橋，如圖31所示。假設(shè)電流處于連續(xù)狀態(tài)，根據(jù)能量守恒定律，發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流功率通過整流橋整流為直流功率，即 31式中、分別為直流側(cè)端電壓和電流，、 ，Ua、Ub、Uc分別為發(fā)電機(jī)的各相電壓和電流。 圖32 永磁同步電機(jī)a相等效圖在整流期間，由于電感的存在，將會影響整流電路的平均輸出電壓。為了計(jì)算整流后的平均輸出電壓，假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，且整流橋的輸出電流id恒定，等于輸出電流的平均值iL，為了簡化模型，初始條件下，忽略電感電阻的影響。在整流橋換向期間，整流橋的瞬態(tài)輸出電壓如下： 32由 的假設(shè)條件可以得： 33 把式（33代入（32）可得： 34在換向期間，假設(shè)三相二極管整流的輸出平均電壓的減少量為ΔU，通過下式計(jì)算可得： 35把式（34）代入（35）可得 36式中E為感應(yīng)電動勢，單位V；根據(jù)電壓回路原理，可得出發(fā)電機(jī)相電流 ia，即 37假設(shè)在t=0時(shí)刻，電流的初始值等于輸出電流平均值iL，則 38因此，三相二極管整流橋輸出直流平均電壓為 39 （BOOST）升壓電路 Boost 控制結(jié)構(gòu)圖 為了最大限度地利用風(fēng)能，使直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作在一個(gè)較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)，即使系統(tǒng)在較低的風(fēng)速時(shí)也可以工作，如果輸出電壓較低，是不可能進(jìn)行系統(tǒng)的并網(wǎng)，故必須引入DCDC升壓電路。由于永磁同步發(fā)電機(jī)輸出電壓的有效值近似正比于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于直流電壓所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電流增大，制動力矩增加，電機(jī)減速，輸出電壓降低；相反，電機(jī)加速，輸出電壓升高，最終使得風(fēng)輪機(jī)工作于給定的葉尖速比。因而發(fā)電機(jī)輸出的電能經(jīng)過不可控整流后，直流電壓值和轉(zhuǎn)速也近似成正比，因此當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，直流電壓會很低；然而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的輸出電壓幅值是有一定要求的，這樣過低的直流電壓將引起電壓源逆變器無法完成有源逆變過程，進(jìn)而無法將功率饋入電網(wǎng)。同時(shí)如果沒有DCDC升壓電路，也會使系統(tǒng)消耗較高的無功功率，引起電網(wǎng)電壓波動。所以需要引入DCDC升壓電路，并使該電路在一定輸入范圍內(nèi)保持輸出電壓恒定。 Boost電路的基本結(jié)構(gòu)和控制示意圖如圖33所示。直流變換器的控制電路是由兩部分組成：從三相二極管整流橋整流后變化的直流電壓；另一個(gè)是逆變電路前的恒定直流電壓。通過改變 DCDC變換電路的占空比，來控制發(fā)電機(jī)—整流橋部分的端電壓。該控制的目的是為了控制永磁同步電機(jī)的速度，使其跟隨風(fēng)速的變化，從風(fēng)中捕獲最大風(fēng)能，從而跟隨最佳功率曲線。 圖 33 Boost 電路控制示意圖根據(jù)第二章可知，式（28）中給出了直流變換電路的狀態(tài)方程，由于輸入功率等于輸出功率：Pi=Po，由不可控整流器輸出電壓公式可以得到 310 產(chǎn)生PWM（Pulse Wide Modulate）脈沖的原理如圖34所示。在 PWM 控制方式中，開關(guān)控制信號由比較器產(chǎn)生。如圖34所示，將調(diào)制信號u2與載波信號u1進(jìn)行比較得到開關(guān)控制信號?？刂齐妷簞t由誤差放大器得到，由此可見，通過控制開關(guān)占空比即可控制輸出電壓。 圖34 PWM產(chǎn)生原理 第4章 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略 最大功率追蹤法控制方案 控制方案概述在許多雜志和論文中，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率跟蹤算法已被廣泛的研究。該方法在光伏發(fā)電領(lǐng)域有廣泛的研究。盡管這種算法是建立在不同功率轉(zhuǎn)換硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，但按其基本原理可以分為以下三種：葉尖速比控制、功率信號反饋控制、爬山搜索法。（1） 葉尖速比控制：葉尖速控制的目的就是維持葉尖速比在最佳特性曲線上，這樣在任何風(fēng)速下，都能夠獲得最大功率。如圖35所示，在該系統(tǒng)中，需要測量風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，作為控制系統(tǒng)的