【正文】 驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)不需要升速齒輪箱，節(jié)約了成本、降低了噪聲、提高了系統(tǒng)的效率，是未來發(fā)展的主要方向。并網(wǎng)的基本思路是通過整流環(huán)節(jié)將發(fā)電機(jī)輸出的交流電變成直流電，最后經(jīng)過逆變環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電并入電網(wǎng)?？梢栽谥虚g環(huán)節(jié)通過控制系統(tǒng)的無功和有功，以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的利用和最大功率的跟蹤。 直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的電力電子變流電路有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 。每種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有不同的特點(diǎn)，它們的系統(tǒng)控制方法也不盡相同。 ⑴不控整流 +晶閘管逆變器型 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如 圖 所示，由于晶閘管逆變器的優(yōu)點(diǎn)是功率等級(jí)比較高、成本也比較低且可靠性也不錯(cuò)，關(guān)鍵是其技術(shù)比較成熟，所以在早期的系統(tǒng)中大多采用晶閘管變流技術(shù)。其缺點(diǎn)主要是工作時(shí)吸收了大量的無功功率，因此會(huì)產(chǎn)生很大的諧波電流，所以必須對(duì)其進(jìn)行無功補(bǔ)償。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 25 圖 不控整流 +晶閘管逆變器型 ⑵不控整流 +直流側(cè)電壓變化的 PWM 電壓源型 如圖 所示，該結(jié)構(gòu)的基本變流思路為首先經(jīng)過整流環(huán)節(jié)將發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)化成直 流電，再由逆變器轉(zhuǎn)化成符合電網(wǎng)要求的交流電；該變流方案由于提高了開關(guān)頻率，從而減少了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。通過控制系統(tǒng)輸出的有功和無功，使其在最佳的葉尖速比狀態(tài)下工作，從而達(dá)到捕獲最大的風(fēng)能的目的。 圖 不控整流 +直流側(cè)電壓變化的 PWM 電壓源型 由于發(fā)電機(jī)輸出的交流電幅值和頻率都不穩(wěn)定，經(jīng)過不控整流后輸入給逆變器的直流電也是幅值也是變化的。為了使電網(wǎng)電壓的頻率和幅值恒定，可以通過調(diào)節(jié) PWM 逆變器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)風(fēng)速比較低的時(shí)候，由于給逆變器輸入的電壓過低不能達(dá)到并網(wǎng)的要求，畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 26 因此必須提高逆變器的調(diào)制深度，當(dāng)調(diào)制 深度加深以后就會(huì)使逆變器的峰值過高、運(yùn)行的效率降低以及傳導(dǎo)損耗增大等。解決的方法是注入諧波或采用 SVPWM （空間矢量脈寬調(diào)制）進(jìn)行控制。但是這兩種方法都不能徹底解決問題。 ⑶不控整流 +直流側(cè)電壓穩(wěn)定的 PWM 的電壓源型 該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示，即在圖 的基礎(chǔ)上加一個(gè) DCDC（ 直流升壓）環(huán)節(jié)所得到的。通過這個(gè)升壓環(huán)節(jié)可以解決由于 PWM 逆變器輸入電壓過低所引起的 PWM 逆變器運(yùn)行特性差的缺點(diǎn)； Boost 的主要作用是升壓和穩(wěn)壓，同時(shí)在發(fā)電機(jī)的輸出側(cè) Boost環(huán)節(jié)也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其進(jìn)行功率因數(shù)的校正。由于不控整流 器是非線性的，其輸入側(cè)電流有嚴(yán)重的畸變，諧波含量也比較大等原因，從而使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩發(fā)生振蕩、因數(shù)降低。這種情況可以通過功率因數(shù)校正技術(shù)，來改變開關(guān)管的占空比，使發(fā)電機(jī)的電流保持正弦，并使與輸出的電壓同步。 圖 不控整流 +直流側(cè)電壓穩(wěn)定的 PWM 的電壓源型 從圖 可以看出，整個(gè)系統(tǒng)增加了一級(jí) Boost 電路將直流輸入電壓的等級(jí)提高。他的優(yōu)點(diǎn)是控制比較簡單，開關(guān)利用效率也高。并且經(jīng)過逆變器輸出的電壓比較穩(wěn)定、諧波含量低、逆變效率好等優(yōu)點(diǎn)；在實(shí)際應(yīng)用中，大功率直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)多采用這種結(jié)構(gòu)。 ⑷不控整流器 +電流源型 該系統(tǒng)采用電流源逆變器，與電壓源逆變器相比，電流源逆變器具有四象限的運(yùn)行能力、系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠、不存在擊穿故障等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是逆變器和負(fù)載之間相互影響比較多，并聯(lián)或者帶多個(gè)負(fù)載不容易實(shí)現(xiàn)以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。綜合效率、成本和暫態(tài)響應(yīng)，電壓源 PWM 逆變器更具有優(yōu)勢(shì)。電流源逆變器還處在實(shí)驗(yàn)室階段，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 27 所示。 圖 不控整流器 +電流源型 直驅(qū)式并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)的變流方式 目前適用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的變流方案很多，一般將主電路分為電壓源型和電流源型。由于電壓源型逆變器在技術(shù)、成本以及控 制等方面都比電流源型逆變器具有很大的優(yōu)勢(shì)，并且實(shí)際應(yīng)用的變流器以電壓源型居多，所以本文主要對(duì)電壓源逆變器進(jìn)行研究。目前比較主流的變流方案主要有以下三種類型： ⑴雙 PWM 變流電路 該電路采用 PWM 整流和 PWM 逆變的形式，即雙 PWM 變流電路。其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 雙 PWM 變流主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 從圖 中可以看出，在該電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，整流和逆變都采用 PWM 調(diào)制方式。畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 28 該電路可以實(shí)現(xiàn)能量向電網(wǎng)回饋，以及功率的雙向流動(dòng)；在整流環(huán)節(jié)，可以通過控制整流橋中各個(gè)功率器件，實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦波；在逆變環(huán)節(jié) ，可以通過對(duì)功率器件的控制實(shí)現(xiàn)輸出的電流相位與電網(wǎng)電壓相位保持一致，以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)接近于 1 的目標(biāo)。其缺點(diǎn)是這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電要高于并網(wǎng)電壓，所以在風(fēng)速比較低的情況下不能正常工作。 ⑵不控整流 +升壓斬波 +PWM 逆變型變流電路 該電路在整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流，在中間直流環(huán)節(jié)采用升壓斬波以提高整流環(huán)節(jié)輸入的直流電，最后在逆變環(huán)節(jié)采用 PWM 逆變?nèi)鄻蚰孀?，最后并入電網(wǎng)。該電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 不控整流 +升壓斬波 +PWM 逆變型變流電路 在這種變流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中 ，由于中間有升壓斬波的存在，所以對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的電壓沒有嚴(yán)格的要求，這樣風(fēng)力機(jī)就可以在低風(fēng)速環(huán)境下工作，拓寬了風(fēng)力機(jī)的工作范圍；在整流環(huán)節(jié)由于采用的是二極管不控整流，省去了控制方案并且成本也比較低；和其他變流方案相比這種變流方案整體的控制相對(duì)比較簡單。缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)側(cè)功率因數(shù)不為 1，并且對(duì)發(fā)電機(jī)的損耗也比較大，這種情況可以通過并聯(lián)無功補(bǔ)償電容的方法來解決。基于上述原因本文采用這種變流電路進(jìn)行研究。 ⑶不控整流 +Z 型逆變型變流電路 Z 源逆變是新近提出的變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其電流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示。 Z 源逆變與傳統(tǒng) 的變流方案有很大的不同，他即不同于傳統(tǒng)的電壓源變換器也不同于傳統(tǒng)的電流源型變換器。它有其獨(dú)特的特點(diǎn)， Z 源主電路可以變?yōu)殡妷涸葱鸵部梢宰優(yōu)殡娏髟葱?，其?fù)載可以為電感性的也可以是電容性的。其獨(dú)到之處是 Z 源沒有升壓環(huán)節(jié)，但是它可以實(shí)現(xiàn)升壓和降壓的功能。因此它在低風(fēng)速和高風(fēng)速下都能使用，拓展了其使用的范圍。畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 29 Z 源逆變器除了上述優(yōu)點(diǎn)外，也有其缺點(diǎn)，主要是 Z 源控制方式比較復(fù)雜，并且這種變換器目前還處在理論研究和實(shí)驗(yàn)階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，所以不詳細(xì)敘述。 圖 不控整流 +Z 型逆變型變流電路 變流器主電路研 究以及工作原理 本文所選用的直驅(qū)式并網(wǎng)變流器的額定功率為 2 MW。變流電路采用不控整流 +升壓斬波 +SPWM 逆變的結(jié)構(gòu)。主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 2 MW 直驅(qū)式并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電變流電路 主電路的結(jié)構(gòu) 在圖 中，發(fā)電機(jī)使用永磁同步發(fā)電機(jī)，采用三相不控整流對(duì)發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電進(jìn)行整流，為了減小直流脈動(dòng)，在整流的輸出端并聯(lián)電容 1C進(jìn)行穩(wěn)壓。由于存在發(fā)電機(jī)內(nèi)電感以及電流畸變情況，所以在發(fā)電機(jī)的輸出側(cè)并聯(lián)無功補(bǔ)償電容，以提高發(fā)電機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 30 的功率因數(shù)。在中間 直流環(huán)節(jié)，采用三個(gè)升壓斬波電路并聯(lián)的形式，以減少單個(gè) IGBT通過的電流大小?；谕瑯拥脑颍谀孀儹h(huán)節(jié)采用兩個(gè) SPWM 并聯(lián)的形式，以減少每個(gè) IGBT 上通過的電流大小，這種連接方式結(jié)合一定的控制方法還能防止逆變器上環(huán)流問題的產(chǎn)生。此外，在斬波電路后加上直流母線電壓鉗位電路以防止直流母線上的電壓過高而損壞器件的情況發(fā)生。為防止開始運(yùn)行時(shí)電容 2C充電電流過大，加入了電容 2C充電支路，當(dāng)發(fā)電機(jī)不工作時(shí)，這條支路也能保證直 流側(cè)上有電壓的存在，能起到對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔谩? 主電路的工作原理 當(dāng)風(fēng)速不斷變化時(shí)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨之變化，因此同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電的幅值和頻率也是不斷變化的；此時(shí)的交流電再經(jīng)過整流以后變成幅值不穩(wěn)定的直流電。因?yàn)橐o逆變器輸入大小一定并且穩(wěn)定的直流電，經(jīng)過逆變以后才能達(dá)到電網(wǎng)的要求，所以斬波的主要功能是對(duì)整流輸入的直流電進(jìn)行升壓和穩(wěn)壓，最后經(jīng)過 SPWM 逆變器，輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相且電壓隨風(fēng)速不斷變化并且略高于電網(wǎng)電壓的交流電再經(jīng)過濾波電抗器進(jìn)行濾波后并網(wǎng)，而高于電網(wǎng)部分的電壓降在濾波電抗器上。 這樣就完成了經(jīng)過直驅(qū)型并網(wǎng)變流器轉(zhuǎn)化成能并網(wǎng)的交流電的任務(wù)。 整流部分的電路的工作原理 ⑴ 整流電路工作原理 圖 三相橋式不控整流電路 畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 31 在圖 中，當(dāng)其中的一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出的直流電等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，這個(gè)線電壓向負(fù)載供電的同時(shí)也向電容供電。這是有二極管導(dǎo)通時(shí)的情況，當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時(shí)，由于電容能夠存儲(chǔ)能量，即電容依靠自身存儲(chǔ)的能量向負(fù)載供電。此時(shí)電容上的電壓降 ud按指數(shù)規(guī)律下降。假設(shè)二極管在距離線電壓為?角時(shí)開始導(dǎo)通，以二極管的一 對(duì)橋臂 VD1和 VD2導(dǎo)通時(shí)的時(shí)間記為零點(diǎn)。則此時(shí)的線電壓為： ? ?6sin6 2 ?? tUu ab ? （ 31） 而相電壓為： ?????? ??? 6sin2 2 ??? tUu a （ 32） 其中，abu為線電壓、au為相電壓、 2U為有效值、 ?為頻率、?為導(dǎo)通角。 由上述可知當(dāng)0?t?時(shí)，二極管的一對(duì)橋臂 VD6和 VD1開始導(dǎo)通，其直流側(cè)的電壓等于交流側(cè)的線電壓abu。下一次導(dǎo)通的一對(duì)橋臂為 VD1和 VD2，此時(shí)的直流電壓為acu，之后導(dǎo)通的橋臂為 VD3 和 VD2，此時(shí)直流側(cè)得到的電壓為bcu，一次循環(huán)就可以將交流電變化到直流電，完成整流的全部過程。 ⑵ 輸入功率因數(shù) 有功功率ACP與其視在功率 S 之比為輸入的功率因數(shù)，用 PF 表示，即： SPPF AC? （ 33） SS IVS ?? （ 34） 其中，SV為總的輸入電壓；SI為總的輸入電流。假設(shè)輸入的為無畸變的正弦波電壓，即電流諧波在一個(gè)周期內(nèi)的波形為零，所以電流的基波的輸入無功功率為零，全部為有功功率，其值可以表示為： 1cos ???? SSAC IVP （ 35） 其中 1?為位移角，是輸入電壓與電流基波分量之間的夾角。 1cos?為基波功率因數(shù)，即： 1cos??DPF （ 36） 則輸入的功率因數(shù)為： 11111 coscoscos ??? ???????? vIIIVIVPF SSSSSS （ 37） 畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 32 其中SSIIv 1?為基波功率因數(shù)，即： 22 2 12222 1111111THDIIIIIIIvn SsnnsnSSSS??????? ?? ???? （ 38） 由式 38 可知，由于一個(gè)周期之內(nèi)脈波 的次數(shù)越多，其基波數(shù)值因數(shù)越小， THS （ Total Harmonic Distortion）越大，在發(fā)電機(jī)的一側(cè)的補(bǔ)償電容的作用就是補(bǔ)償由發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的無功功率。 升壓斬波電路以及恒壓輸出原理 Boost 電路工作原理、參數(shù)的設(shè)計(jì)以及模塊的并聯(lián)技術(shù) ⑴ Boost 電路工作原理 升壓斬波電路的原理圖如圖 所示。 圖 升壓斬波電路 假設(shè) t=0 時(shí)刻時(shí)， V 處于通電狀態(tài)，則電壓 E 向電感供電，充電電流按直線規(guī)律上升，即： 1112 tILt IILE ???? （ 39） 即： 畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書 33 ? ?ELIt ??1 （ 310） 其中， I1為 V 通態(tài)時(shí)電感 L 上的電流， I2為 V 斷態(tài)時(shí)電感 L 上的電流。 當(dāng) t=t1時(shí)， V 管斷開，假設(shè)電感的電流依然按直線規(guī)律從 I2降到 I1，則有： 20 tILEU ??? （ 311） ?