【文章內(nèi)容簡介】 6 我國中小風電產(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)格的機型。 應用領域的范圍也正在不斷擴大。 由于用戶對其功能和 質(zhì)量要求越來越高，中小型風電變流器開始重視外觀的設計。 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)型的小型風力機較多，開始時將風力發(fā)電機發(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。而小型風機并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)則是將風力機產(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。 風力發(fā)電利用形式的一個新方向則是出現(xiàn)了小型風機并網(wǎng)系統(tǒng)。尤其是歐洲，在相關法規(guī)和政策的引導下，領先于國內(nèi)技術在小型風機并網(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 系列小型風機并網(wǎng)逆變器，在歐美一些國家已經(jīng)得到了很好的應用。 小型風電并網(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載提供電能的風力發(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)濟補償。因此用戶所得到的經(jīng)濟利益是有限的在小型風電并網(wǎng)逆變器中，則阻礙小風電并網(wǎng)相關技術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 及相關后續(xù)出臺的法規(guī)，對我國風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了極大 的促進作用，推動了風電領域的研究及發(fā)展。風機并網(wǎng)逆變器在國內(nèi)的研究，尤其是在大型的風機并網(wǎng)逆變器研究中取得了相當可觀的成果。雖然小型風電并網(wǎng)在國內(nèi)還沒有出臺相應法規(guī)允許，但隨著進一步完善的法規(guī)和相關成熟的條件，小型風力發(fā)電并網(wǎng)，特別是戶用型風力發(fā)電并網(wǎng)必將成為現(xiàn)實。因此對于小型風機并網(wǎng)逆變器的研究在國內(nèi)也日益受到了重視，特別是對風電產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的關注。目前國內(nèi)已有數(shù)家公司，依 7 靠較強的研發(fā)實力，研制成功了具有自主知識權的小型風機并網(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及內(nèi)容 課題主要研究任務 本文主要研究關于風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的設計，其具體的設計內(nèi)容主要包括以下幾個部分： 主電路及驅(qū)動電路的設計； 控制電路、軟件框圖的設計、程序編寫。 設計實現(xiàn)的主要功能和技術指標： 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 推薦風機額定功率（ KW）：小于 2KW 風力機輸出交流電壓范圍： 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～ 課題主要設計內(nèi)容 本文主要是針對小型直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)進行研究，包括不可控整流、 Boost 升壓部分和單相并網(wǎng)逆變部分。風力發(fā)電機輸出的電壓、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，與三角波比較的控制方式，向電網(wǎng)回饋符合電網(wǎng)要求的標準交流電源。本文 主要工作如下： 介紹了各種風力發(fā)電技術的特點及發(fā)展趨勢，并對各種風力發(fā)電并網(wǎng)方法和并網(wǎng)變流器的控制策略進行了深入分析。 詳細地分析了逆變并網(wǎng)的原理以及主電路參數(shù)的計算和設計。 介紹了并網(wǎng)逆變的控制策略，目標是得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的回饋電流。 采用 PIC16F886 為核心控制芯片進行單相并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)硬件和軟件設 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行了深入研究，并對小型風力發(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。針對當前小型風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，明確了小型風力發(fā)電的發(fā)展方向。最后介紹了本課題研究的主要內(nèi)容及其技術指標。 9 2 并網(wǎng)式風力發(fā)電系統(tǒng)概述 風力發(fā)電系統(tǒng)分類 風力機對發(fā)電機及發(fā)電系統(tǒng)的一般要求： 風力發(fā)電包含了由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程，發(fā)電機及其控制系統(tǒng)承擔了后一種能量轉(zhuǎn)換任務，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。因此，研制和選用適合于風電轉(zhuǎn)換用的、運行可靠、效率高、控制及供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)是風力發(fā)電技術的一個重要部分。在考慮發(fā)電機系統(tǒng)的方案時，應結(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。 通過利用風力機將風能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置為風力發(fā) 電系統(tǒng)，進而通過風力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)由控制器對蓄電池進行充電，最后經(jīng)過逆變器對負載供電?，F(xiàn)有的兩類風力發(fā)電機組為，一、恒速恒頻發(fā)電機組，二、變速恒頻發(fā)電機組。當風力發(fā)電機并網(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。在風力發(fā)電中恒速恒頻發(fā)電是指，通過控制發(fā)電機轉(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速的變化而變化的發(fā)電機的轉(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，即當風速躍升時，通過風力機葉片傳給主軸的是巨大的風能，這樣就會引起齒輪箱和發(fā)電機等部件的疲勞損壞，故而需要加大安全系數(shù)，這樣做的同時導致了成本的增加。 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)則能夠允許風力發(fā)電機以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)根據(jù)風速的變化。其減少了機械應力同恒速恒頻相比較，風力機的轉(zhuǎn)動慣量可以吸收風能。并且由于風力發(fā)電的風速范圍擴大，使風能利用率提高，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，可以使風力發(fā)電機在可發(fā)電風速下獲得最佳的功率輸出。 恒速 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 10 普通的同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機在恒速 /恒頻發(fā)電系統(tǒng)中較常采用，電機極對數(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電機組的發(fā)電機處于超同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)差率 s 為負，電機工作于發(fā)電機狀態(tài)，其轉(zhuǎn)差率的可變范圍相當小 (s5%)，所以發(fā)電機轉(zhuǎn)速基本不變而當風速變化時，這就是其稱之為恒速 /恒頻風力發(fā)電機組的原因。 恒速 /恒頻風電機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)的風力機具有的優(yōu)點是結(jié)構簡單，整機造價比較 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力機。恒速 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，直接驅(qū)動同步發(fā)電機或鼠籠式異步電機采用較多作為并網(wǎng)運行的發(fā)電機，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 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。 變速 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 變速 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)具備的技術特色則是發(fā)電機和變流技術，由于其需要變速運行，所以會導致復雜電氣控制系統(tǒng)，整機造價高。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、中型風力發(fā)電機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，發(fā)電設備的主要選擇方向之一則是變速 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。變速 /恒頻風力發(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)電機的風力機，而另一種則是雙饋型異步發(fā)電機。其中風力機直接驅(qū)動同步發(fā)電機構成的變速 /恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)包括永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)和電勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)。異步發(fā)電機系統(tǒng)則主要是繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機系統(tǒng)。 通過利用永久磁鐵來 取代轉(zhuǎn)子勵磁磁場的發(fā)電機稱為永磁同步發(fā)電機，其結(jié)構具有簡單、牢固等特點。永磁同步發(fā)電機變速 /恒頻風力發(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。 風力發(fā)電機的并網(wǎng)方式 目前有很多種方案可以實現(xiàn)變速恒頻風力發(fā)電。比如交－直－交風力發(fā)電系統(tǒng)、繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機系統(tǒng)等。下面則是對這兩種系統(tǒng)的簡單介紹。 交－直－交風力發(fā)電系統(tǒng) 原理：發(fā)電機發(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－交變換的風力發(fā)電 11 系統(tǒng)中，三種類型的發(fā)電機可以采用： 1）繞線轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機， 2）籠型感應發(fā)電機，3）永磁同步發(fā)電機。 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)電機系統(tǒng)，其可以做到風力機與發(fā)電機的直接耦合，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，維護成本降低。 交 直 交 風力發(fā)電系統(tǒng)中的直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)是現(xiàn)在使用比較熱門的一種。其結(jié)構則是把風機與永磁同步電機直接相連接，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)構簡單，控制容易的特點，在小型風電并網(wǎng)系統(tǒng)中很是適用。 繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機系統(tǒng) 原理：其發(fā)電機采用了繞線轉(zhuǎn)子感應發(fā)電機，定子與電網(wǎng)或者負載直接連接。發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩控制則通過在轉(zhuǎn)子側(cè)施加交流勵磁來定。當轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，達到頻率的恒定。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，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。 當繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機系統(tǒng)在風力發(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)，這樣就滿足了負載和并網(wǎng)的要求。還可以通過獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功和無功，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)電機和電力系統(tǒng)構成了柔性連接，可以根據(jù)電網(wǎng)電壓，電流和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)勵磁電流，精確調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓，使其能滿足要求。 其結(jié)構圖如下： 圖 雙饋式風力發(fā)電機結(jié)構圖 12 本文設計為小型風力機發(fā)電系統(tǒng)，故選擇交－直－交風力發(fā)電系統(tǒng)中的直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構圖如下： 圖 直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng) 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)的風力機與發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接耦合，所以存在隨風速的變化而變化的發(fā)電機的輸出端電壓、頻率。通過調(diào)節(jié)機組電壓的幅值、頻率、相位、相序與電網(wǎng)保持一致來實現(xiàn)風力機組的并網(wǎng)。 在該風力發(fā)電系統(tǒng)中，采用風力機直接驅(qū)動永磁同步交流電機產(chǎn)生電能。使用直接驅(qū)動技術，在風力機與交流發(fā)電機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，在低風速時具有更高的效率。該系統(tǒng)中的低速交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子極數(shù)遠多于普通交流同步發(fā)電機的極數(shù)，因此這種電機的轉(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，減小發(fā)電機的體積和質(zhì)量，采用永磁電機是具有較大的優(yōu)勢。直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構示意圖如圖 所示。 風電系統(tǒng)將發(fā)電機發(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晶體管兩者特點的復合型電力電子器件，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。該風力發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： 1）永磁同步發(fā)電機具有結(jié)構簡單、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)電機是低速電機，它能與風力機很好的匹配，風力機可以和永磁發(fā)電機直接耦合，省去了其它風 力發(fā)電系統(tǒng)中的增速箱，使機組結(jié)構大大簡化，減少發(fā)電機的維護工作并且降低噪聲； 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，該系統(tǒng)的應用，應該還是以后風電領域的一個趨勢。 13 并網(wǎng)逆變器 本課題旨在設計一個小型分布式風力發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器，將風力發(fā)電機產(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 電路進行升壓變?yōu)橹绷鞲邏?，升壓后的直流通過單相并網(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。