【文章內(nèi)容簡介】 6 我國中小風(fēng)電產(chǎn)業(yè)從統(tǒng)計數(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。 應(yīng)用領(lǐng)域的范圍也正在不斷擴(kuò)大。 由于用戶對其功能和 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。 國際市場也在持續(xù)開拓中。 小型并網(wǎng)逆變器的現(xiàn)狀及前景 目前，國內(nèi)用于離網(wǎng)型的小型風(fēng)力機(jī)較多，開始時將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能存在蓄電池中通過變換器轉(zhuǎn)變，而后則將蓄電池儲存的電能通過變流器逆變供用戶使用，通過兩級轉(zhuǎn)換使整個系統(tǒng)的效率損失很多，而且蓄電池的使用不僅增加了成本而且還會造成環(huán)境的污染。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)過蓄電池儲能。采用直接將電能輸入電網(wǎng)，而不是配置蓄電池，這樣不 但省掉了蓄電池儲能和釋放的過程 ,而且可以充分利用可再生能源發(fā)出的電力，在減小能量損耗的同時降低了系統(tǒng)的成本。 風(fēng)力發(fā)電利用形式的一個新方向則是出現(xiàn)了小型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)。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，其商品化的實現(xiàn)比較早。比如德國的 SMA 公司生產(chǎn)的 Windy Boy 系列小型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器，在歐美一些國家已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。 小型風(fēng)電并網(wǎng)逆變器研究在國內(nèi)起步較晚，主要與中國現(xiàn)階段的法規(guī)、政策有很大的關(guān)系。而且現(xiàn)階段國家禁止個人用戶發(fā)電上網(wǎng)售電。目前“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的形式在小型風(fēng)電并網(wǎng)逆變器用戶中采用較多，也就是只向本用戶的各種負(fù)載提供電能的風(fēng)力發(fā)電，而對于其它多余的并入電網(wǎng)的電能則不予計量和經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。因此用戶所得到的經(jīng)濟(jì)利益是有限的在小型風(fēng)電并網(wǎng)逆變器中，則阻礙小風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究為用戶相對較少。在國內(nèi)法規(guī)完善政策并放寬后，尤其是 20xx 年 1 月 1 日實施了 可再生能法 及相關(guān)后續(xù)出臺的法規(guī)，對我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了極大 的促進(jìn)作用，推動了風(fēng)電領(lǐng)域的研究及發(fā)展。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。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。因此對于小型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器的研究在國內(nèi)也日益受到了重視，特別是對風(fēng)電產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的關(guān)注。目前國內(nèi)已有數(shù)家公司，依 7 靠較強(qiáng)的研發(fā)實力，研制成功了具有自主知識權(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。如合肥陽光電源有限公司，珠海 賽比特電源有限公司等企業(yè)。 本課題主要研究任務(wù)及內(nèi)容 課題主要研究任務(wù) 本文主要研究關(guān)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的設(shè)計，其具體的設(shè)計內(nèi)容主要包括以下幾個部分： 主電路及驅(qū)動電路的設(shè)計； 控制電路、軟件框圖的設(shè)計、程序編寫。 設(shè)計實現(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)計內(nèi)容 本文主要是針對小型直驅(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。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓、頻率和功率都是不穩(wěn)定的，同時經(jīng)過不可控整流后將其電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，再經(jīng) Boost 升壓電路將整流部分電壓升壓、穩(wěn)壓，從而達(dá)到并網(wǎng)逆變器直流側(cè)所需直流電壓，再經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流通過濾波電路濾波，然后送入電網(wǎng)。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。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。 詳細(xì)地分析了逆變并網(wǎng)的原理以及主電路參數(shù)的計算和設(shè)計。 介紹了并網(wǎng)逆變的控制策略，目標(biāo)是得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的回饋電流。 采用 PIC16F886 為核心控制芯片進(jìn)行單相并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)硬件和軟件設(shè) 8 計。 本章小結(jié) 本論文第一章為緒論，該部分主要對本課題的研究背景及意義進(jìn)行了深入研究，并對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展前景做了重點介紹。針對當(dāng)前小型風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，明確了小型風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方向。最后介紹了本課題研究的主要內(nèi)容及其技術(shù)指標(biāo)。 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轉(zhuǎn)換過程的運行方式、效率和裝置結(jié)構(gòu)。因此，研制和選用適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換用的、運行可靠、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)的一個重要部分。在考慮發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的方案時，應(yīng)結(jié)合它們的運行方式重點解決以下問題： 將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電或三相交流電； 高效率地實現(xiàn)上述兩種能量轉(zhuǎn)換，以降低每度電的成本； 穩(wěn)定可靠地同電網(wǎng)、柴油發(fā)電機(jī)及其他發(fā)電裝置或儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行，為用戶提供穩(wěn)定的電能。 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)由控制器對蓄電池進(jìn)行充電，最后經(jīng)過逆變器對負(fù)載供電。現(xiàn)有的兩類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為，一、恒速恒頻發(fā)電機(jī)組，二、變速恒頻發(fā)電機(jī)組。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行時，要求其發(fā)出電能的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致。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現(xiàn)。 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在目前實際運用較多。但它存在一個弊端，即當(dāng)風(fēng)速躍升時，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)，這樣做的同時導(dǎo)致了成本的增加。 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。其減少了機(jī)械應(yīng)力同恒速恒頻相比較，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量可以吸收風(fēng)能。并且由于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)速范圍擴(kuò)大，使風(fēng)能利用率提高，轉(zhuǎn)速可以在大范圍內(nèi)變化，通過控制可以實現(xiàn)對最佳葉尖速比的跟蹤，可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在可發(fā)電風(fēng)速下獲得最佳的功率輸出。 恒速 /恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 10 普通的同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)在恒速 /恒頻發(fā)電系統(tǒng)中較常采用，電機(jī)極對數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速常運行于前者，后者則以稍高于同步速的轉(zhuǎn)速運行。在正常運行時這種風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)處于超同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)差率 s 為負(fù)，電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)差率的可變范圍相當(dāng)小 (s5%)，所以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變而當(dāng)風(fēng)速變化時，這就是其稱之為恒速 /恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原因。 恒速 /恒頻風(fēng)電機(jī)組由于其特點所采用的電力電子變換裝置很少。其定槳距失速調(diào)節(jié)的風(fēng)力機(jī)具有的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，整機(jī)造價比較 低，較好的安全系數(shù)及較高的可靠性，成為在市場上占有較大的份額的風(fēng)力機(jī)。恒速 /恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，直接驅(qū)動同步發(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)。 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)，由于其需要變速運行，所以會導(dǎo)致復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)，整機(jī)造價高。相比與恒速 /恒頻發(fā)電系統(tǒng)，變速 /恒頻發(fā)電系統(tǒng)的成本投資可減少 10%～ 20%在機(jī)械制造部分，但是電氣部分的投資有較大增加，然而在大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中電氣部分的成本所占比例不大。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)。變速 /恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也存在有兩種類型，一種是直接驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)，而另一種則是雙饋型異步發(fā)電機(jī)。其中風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變速 /恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和電勵磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。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)。 通過利用永久磁鐵來 取代轉(zhuǎn)子勵磁磁場的發(fā)電機(jī)稱為永磁同步發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)具有簡單、牢固等特點。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。 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現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。比如交－直－交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。下面則是對這兩種系統(tǒng)的簡單介紹。 交－直－交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 原理：發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率變化的交流電必須先通過整流器轉(zhuǎn)變成直流電，然后再通過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娸斎腚娋W(wǎng)而其頻率是恒定的。在交 －直－交變換的風(fēng)力發(fā)電 11 系統(tǒng)中，三種類型的發(fā)電機(jī)可以采用： 1）繞線轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)， 2）籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)，3）永磁同步發(fā)電機(jī)。 這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時的優(yōu)點則是沒有電流沖擊，且無功是可調(diào)節(jié)的。這種類型中最有優(yōu)勢的一種則是永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其可以做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，從而省去變速箱，由此可以使其可靠性提高，系統(tǒng)噪聲減小，維護(hù)成本降低。 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。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。通過整流，逆變后實 現(xiàn)并網(wǎng)，相對具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易的特點，在小型風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中很是適用。 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。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制則通過在轉(zhuǎn)子側(cè)施加交流勵磁來定。當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，達(dá)到頻率的恒定。在轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)之間存在雙向的能量流動，所以需要變流器為背靠背的四象限變流器。轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制發(fā)電機(jī)，定子側(cè)逆變器控制和電網(wǎng)的能量交換，轉(zhuǎn)子側(cè)只處理轉(zhuǎn)差能量。 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，其實現(xiàn)恒頻發(fā)電可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率 在不同轉(zhuǎn)速下來實現(xiàn)，這樣就滿足了負(fù)載和并網(wǎng)的要求。還可以通過獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功和無功，使電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能提高。由于采用了交流勵磁，發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)構(gòu)成了柔性連接，可以根據(jù)電網(wǎng)電壓，電流和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)勵磁電流，精確調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓，使其能滿足要求。 其結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 12 本文設(shè)計為小型風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，故選擇交－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)，其結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接耦合，所以存在隨風(fēng)速的變化而變化的發(fā)電機(jī)的輸出端電壓、頻率。通過調(diào)節(jié)機(jī)組電壓的幅值、頻率、相位、相序與電網(wǎng)保持一致來實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組的并網(wǎng)。 在該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動永磁同步交流電機(jī)產(chǎn)生電能。使用直接驅(qū)動技術(shù)，在風(fēng)力機(jī)與交流發(fā)電機(jī)之間不需要安裝升速齒輪箱，因而減少了維修周期，降低由于齒輪箱造成的噪聲污染，在低風(fēng)速時具有更高的效率。該系統(tǒng)中的低速交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)遠(yuǎn)多于普通交流同步發(fā)電機(jī)的極數(shù)，因此這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子外圓及定子內(nèi)徑尺寸大大增加，而其軸向長度則相對很短，呈圓盤形狀，為了簡化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，減小發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量，采用永磁電機(jī)是具有較大的優(yōu)勢。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。 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。 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種結(jié)合大功率晶體管及功率場效應(yīng)晶體管兩者特點的復(fù)合型電力電子器件，既具有工作速度快，驅(qū)動功率小的優(yōu)點，又兼有大功率晶體管的電流能力大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點。直流環(huán)節(jié)并有一大電容，可維持母線電壓恒定。該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： 1）永磁同步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高、可靠性高的特點。該系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機(jī)是低速電機(jī)，它能與風(fēng)力機(jī)很好的匹配，風(fēng)力機(jī)可以和永磁發(fā)電機(jī)直接耦合，省去了其它風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)中的增速箱，使機(jī)組結(jié)構(gòu)大大簡化，減少發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作并且降低噪聲； 2）該方案在一定程度上提高系統(tǒng)運行可靠性；可以獨立設(shè)計逆變器部分。其缺點就是需要兩個全功率電力變換器，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)域的一個趨勢。 13 并網(wǎng)逆變器 本課題旨在設(shè)計一個小型分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)過整流環(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)橹绷鞲邏海龎汉蟮闹绷魍ㄟ^單相并網(wǎng)逆變器后變成與電網(wǎng)電壓同頻率和同相位的交流電， 并入電網(wǎng)。 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。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。所以必須采用升壓電路，實現(xiàn)升壓作用后再連接逆變電路。