【導讀】電將成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。其中，風力發(fā)電以其獨特的優(yōu)點，被公認為是技術(shù)。含量高、最有發(fā)展前途的技術(shù)之一。但是風力發(fā)電系統(tǒng)存在著初期投資大、成本較高等。缺點，因而探索高性能、低造價的風力發(fā)電裝置成為目前國內(nèi)外研究的重點。于提高系統(tǒng)發(fā)電效率、降低成本具有及其重要的意義。風能作為一種清潔的可再生能源，主要研究的熱點。風力發(fā)電并網(wǎng)運行的關(guān)鍵是并網(wǎng)逆變裝置的設(shè)計，其性能決定了風能。的利用效率和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。能源所發(fā)出的電力，減小能量損耗，降低系統(tǒng)成本。的差距正在擴大。的綠色能源，對其進行開發(fā)利用已經(jīng)越來越多的引起了人們的重視。不可控整流+BOOST變換器升壓+單相全橋逆變的主電路拓撲結(jié)構(gòu)。同時詳細分析了BOOST升壓電路和單相全橋逆變電路工作原理。控制策略采用電流閉環(huán)控制，使輸出電流實時跟蹤電網(wǎng)電壓。使其能夠達到并網(wǎng)的效果。

　　

【正文】 4A，反向恢復(fù)時間 =200ns。 逆變部分開關(guān)管的選取 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，也稱為絕緣柵雙極晶體管是一種復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件它同時具有MOSFET 的高速開關(guān)及電壓驅(qū)動特性和雙極晶體管的低飽和電壓特性及易實現(xiàn)較大電流的能力，既具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大的優(yōu)點，這使得 IGBT 成為近年來電力電子領(lǐng)域中尤為矚目的電力電子驅(qū)動器件，并且得到越來越廣泛的應(yīng)用。 1）、 IGBT 額定電壓 的選擇該設(shè)計中，直流母線電壓的最大值 350V：在開關(guān) 21 工作的條件下， IGBT 的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，穩(wěn)態(tài)時加在 IGBT 之間的電壓最大為 ，則可選擇耐壓值 。逆變部分最高直流電壓為 350V，則選擇 IGBT 的額定電壓值 2）、 IGBT 額定電流 的選擇根據(jù)系統(tǒng)功率可 知變流器最大輸出電流為= = =15A，則 IGBT 的峰值電流為 =3 =45A，實際選擇為50A。功率開關(guān)管參數(shù)為 50A， 1000V，其型號為 IMBH50D。 輸出側(cè)濾波電感的設(shè)計： 為了輸出與電網(wǎng)電壓同頻率相同標準的正弦波電流，必須在逆變器的輸出端加濾波器來濾除諧波，減小諧波含量。濾波器對電流環(huán)的動態(tài)響應(yīng)、靜態(tài)響應(yīng)與系統(tǒng)功耗有較大的影響。交流側(cè)濾波器的設(shè)計對風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)至關(guān)重要。 風力發(fā)電系統(tǒng)中逆變器輸出常用的濾波器有 L、 LC、 LCL 三種濾波器。 L 型濾波器為一階濾波器，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，但濾波效果較差。并網(wǎng)逆變器中常用 L型濾波器。由于濾波效果差在獨立工作的逆變器中很少單獨采用 L型濾波器。 LC 濾波器為二階濾波器，濾波效果較好， LC 濾波器多用于獨立運行的逆變器。如果該濾波器用于并網(wǎng) 逆變器中，電容濾波后的電流為并網(wǎng)電流。如果將電感電流作為控制量，輸出電流與電感電流之間存在相位差。 LCL 濾波器濾波效果較好。 L 濾波為一階濾波，其電感值必須取的足夠大才能獲得較好的濾波效果，但大的電感值需要較高的成本和較大的體積；而 LC 濾波器器濾波性能受輸出端負載的影響比較大。因此本文采用 LCL 濾波。 圖 濾波器結(jié)構(gòu)示意圖 1）、截止頻率的選取要考慮兩個因素：一個因素是高頻諧波；另一個因素是發(fā)生諧振。設(shè)總電感為 L=L1+L2，則 = 。 22 2)、根據(jù)電流紋波確定電感的大小。 L= () 3)、電容過大會吸收過多的無功功率，其對功率影響要求低于 15%。 () 其主要計算如下 : =20% =20% = () L= = =3mH () =15% = () 的選取理論下 = 時濾波效果是最好的，諧振頻率最低。 取 =， =， C=30μ F； 各部分功能介紹 永磁同步發(fā)電機系統(tǒng) 并網(wǎng)運行是現(xiàn)在風力發(fā)電的主要形式，各種并網(wǎng)方案有其自身的優(yōu)缺點。隨著風力發(fā)電機組容量的增大，在并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊也越來越大。這種沖擊嚴重時不僅引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降，而且可能對發(fā)電機和機械部件（塔架、槳葉及增速器等）造成損壞。如果并網(wǎng)沖擊時間過長，還可能是系統(tǒng)瓦解或威脅掛網(wǎng)機組的正常運行。因此經(jīng)過分析本文選擇直驅(qū)交流永磁同步發(fā)電機比較合理，由風力機直接驅(qū)動低速交流發(fā)電機通過工作速度快，驅(qū)動功率小，導通壓降低的 IGBT 逆變器并網(wǎng)。通過交 直 交轉(zhuǎn)換方式后，使隨著風速變化的交流電變?yōu)闈M足并網(wǎng)要求的交流電， 采用準同期的并網(wǎng)方式將風力發(fā)電機并入電網(wǎng)。 同步發(fā)電機常用的并網(wǎng)方式有： 準同期并網(wǎng)方式 準同期就是準確周期。用準同期法進行并列操作，發(fā)電機組電壓必須相同，頻率相同以及相位一致，這可通過裝在同期盤上的兩塊電壓表、兩塊頻率表和非同期指示燈來監(jiān)視。 自同期并網(wǎng)方式 自同期并列操作是將一臺未加勵磁電流的發(fā)電機組升速到接近與電網(wǎng)頻率，滑差角頻率不超過允許值且機組的加速度小于某一給定值的條件下，首先合上斷路器開關(guān)接著合上勵磁開關(guān)，給轉(zhuǎn)子上加勵磁電流，在發(fā)電機電動勢逐漸增長的過程中由系統(tǒng) 23 將發(fā)電機拉入同步運行。 由風力機直接驅(qū)動低速交流發(fā)電機，通過工作速度快，驅(qū)動功率小，導通壓降低的 IGBT 逆變器并網(wǎng)。這種系統(tǒng)并聯(lián)運行的特點如下： 由于不采用齒輪箱，機組水平軸向的長度大幅減小，電能生產(chǎn)的機械傳動路徑縮短，避免了因齒輪箱旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的損耗，噪音等。 由于發(fā)電機具有大的表面，散熱條件更有力，是發(fā)電機運行時的溫升降低，減小發(fā)電機溫升實得起伏。 目前先進的風力發(fā)電機產(chǎn)品中的典型技術(shù)方案，不外乎變速雙饋異步風力發(fā)電機和無齒輪箱變速永磁同步風力發(fā)電機二種，二者各有優(yōu)劣。變速雙饋異步風力發(fā)電機的變頻器，功率約為機組功率的四分之一至三分之一，機組的總價格較低，但是存在齒輪箱，其維護保養(yǎng)費用遠高于無齒輪箱變速永磁同步風力發(fā)電機。直驅(qū)式風力機具有傳動鏈能量損失小、維護費用低、可靠性好等優(yōu)點。 三相不可控整流電路 為滿足逆變器所需的主流側(cè)母線電壓，將風力發(fā)電機產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)過不可控整流環(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?高壓，升壓后的直流電壓滿足并網(wǎng)逆變器的需要，才可實現(xiàn)并網(wǎng)。該系統(tǒng)采用風力機與永磁同步發(fā)電機直接耦合的連接方式，而風能具有變化性、隨機性和無規(guī)律性的特點，因此發(fā)電機輸出的電能是變化的交流電，不能直接供給交流負載使用，通常需要轉(zhuǎn)為直流電再進行變換，需要通過 DC/DC 變化之后通過逆變裝置，輸出符合要求的交流電。因此為達到系統(tǒng)設(shè)計要求，在風力發(fā)電機輸出交流電之后需要一個整流裝置，將變化的交流電轉(zhuǎn)化為直流電。 整流裝置分為可控整流和不可控整流，可控整流裝置通常用于消除電機電感過大引起的體積大、功耗高等問題，但是可控整 流裝置的使用成本高、控制復(fù)雜，因此該裝置通常用于大中型風力發(fā)電系統(tǒng)中。不可控整流裝置的特點是體積小、成本低，無需控制，通常用于小型風力發(fā)電系統(tǒng)中。因此，考慮到本系統(tǒng)設(shè)計容量小，以及適用性、經(jīng)濟性的設(shè)計要求，本系統(tǒng)采用三相不可控整流裝置。其原理圖如 所示： 24 圖 三相不可控整流電路 如上圖所示為三相橋式不可控整流電路。三相交流電壓 、 依次相差 ；六個線電壓 、 依次相差 。 VD VD VD5 三個二極管的陰極連接在一起，稱為共陰極組， VD VD VD2 三個二極管的陽極連接在一起，稱為共陽極組。在最初的期間， 最正而 最負，所以在共陰極組中 VD1 導通，而在共陽極組中 VD6 導通，此時電流從 a 電經(jīng)過 VD負載、 VD6 到 b 點，負載兩端的電壓是 ，即 VD1和 VD6 導通后把最大的線電壓 加到了負載上。同理，在隨后的五個區(qū)間中，負載兩端的電壓依次為 （ VD1 和 VD2 導通）、 （ VD3 和 VD2 導通）、 （ VD3 和VD4 導通）、 （ VD5 和 VD4 導通）、 （ VD5 和 VD6 導通）。這樣輸出完整的波形，從而實現(xiàn)了連續(xù)工作。 Boost 升壓電路 風力發(fā)電系統(tǒng)中，風速時刻發(fā)生變化，風速的變化會引起風力機輸出機械能的變化，導致發(fā)電機輸出的電能發(fā)生變化，因此使得對風能的利用就變得較為困難。小型風力發(fā)電系統(tǒng)由于設(shè)計容量有限，可利用的風能較少，經(jīng)過整流裝置輸出的直流電的電壓不 能達到并網(wǎng)逆變的要求。因此在整流裝置之后需要一級 DC/DC 變換裝置，將變化的直流電升壓并穩(wěn)定在設(shè)計的電壓等級上，以滿足并網(wǎng)逆變的要求。其主電路結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。 升壓電路常用的是 Boost 型變換電路。該電路的主要作用是實現(xiàn)升壓，將輸入的直流電壓 升壓至輸出側(cè)的 ,給逆變裝置提供穩(wěn)定的母線電壓。該電路結(jié)構(gòu)主要包括功率開關(guān)管 V，二極管 D ，電感 以及電容 。其工作原理可以分兩個狀態(tài)進行分析，即功率開關(guān)管處于導通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時電路工作狀態(tài)的不同。 分析 Boost 電路的工作原理時，首先假設(shè)電路的電感值 L足夠大，電容值 C 足夠大。 Boost 電路之所以能夠使輸出電壓大于輸入電壓實現(xiàn)升壓的目的，其實現(xiàn)的關(guān)鍵有兩個原因：其一是電感儲能之后具有使電容泵升的作用，其二是電容可以將電壓保持住。 在進行理論分析的過程中，假定電容保持輸出電壓 不變，實際上電容值不可能為無窮大，在此期間電容向負載供電時，輸出電壓必然會有所降低，但電容值足夠大時誤差很小可以忽略。由于需要將變化的直流電升壓滿足系統(tǒng)要求，因此，本系統(tǒng)DC/DC 變換電路硬件拓撲結(jié)構(gòu)采用 Boost 型電路結(jié)構(gòu)。 25 圖 Boost 升壓主電路圖 逆變電路的設(shè)計 DC/AC 逆變器是將直流電能變換成交流電能的變流裝置，供交流負載用電或與交流電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。逆變技術(shù)的種類繁多，大致可按照交流輸出能量的去向、功率流動的方向、功率變換的多少、輸入直流電源的性質(zhì)、輸出與輸入的電氣隔離、功率電路的拓撲結(jié)構(gòu)、組成功率電路的器件、占空比的控制方式、控制技術(shù)、輸出交流電壓的電平、輸出交流電壓的波形、輸出交流電的相數(shù)、輸出交流電的頻率以及功率開關(guān)的工作方式等方面進行分類。按照功率電路的拓撲結(jié)構(gòu)可分為推挽式逆變、半橋式逆變、全橋式逆變；根據(jù)其主電路儲能元件的不同，一般可以分為電壓型和電流型兩大類；按 照交流用電負載與輸入直流電源的電氣隔離元件的工作頻率，逆變技術(shù)可分為低頻環(huán)節(jié)和高頻環(huán)節(jié)兩大類。 逆變電路的基本工作原理： 與整流相對應(yīng)，把直流電變成交流電稱為逆變。當交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接在電源上，稱為有源逆變；當交流側(cè)直接和負載相連時，稱為無源逆變。本文講述的就是無源逆變。以單相橋式逆變電路為例說明其最基本的工作原理。圖 37中 S1～S4 是橋式電路的 4個臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成當開關(guān) S S4 閉合，S S3 斷開時，負載電壓 為正；當開關(guān) S1 、 S4 斷開， S S3 閉合時， 為負，其波形 如圖 37 所示。這樣就把直流電變成交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變交流電的頻率。這就是逆變電路最基本的工做原理。 本系統(tǒng)采用單相全橋逆變電路，其主電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。單相正弦逆變電路的主要組成部分是由開關(guān)器件構(gòu)成的逆變橋和 LCL 輸出濾波器。當開關(guān)管 VT2 和 VT3 導通時，輸出電壓為正，其幅值為 ；當開關(guān)管 VT1 和 VT2 導通時，輸出電壓為負，其幅值也為 ，這樣通過對開關(guān)管的控制，逆變電路輸出正負交替的交 26 圖 逆變電路及其波形 流電壓。要防止同一橋臂上的兩個管子同時處于導通狀態(tài)避免短路。電路存在瞬間開關(guān)管都不導通的時刻，此時需要由二極管 D1～ D4 進行續(xù)流。 逆變后的輸出電壓要經(jīng)過濾波器濾波，濾除高頻分量，形成標準的正弦波電壓。與單電感濾波器和 LC 濾波器相比， LCL 濾波器有更好的濾波特性，本文選擇此種方式。 為了保證正常的并網(wǎng)逆變，阻止電網(wǎng)電壓逆向整流運行，直流側(cè)的輸入電壓一定要高于電網(wǎng)電壓的峰值。 并網(wǎng)逆變裝置的工作原理是通過控制功率開關(guān) 管的占空比，將直流電經(jīng)過單相全橋逆變器后，經(jīng)濾波電感輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電輸出到公共電網(wǎng)。逆變器輸出的交流電必須滿足并網(wǎng)要求，并保證正弦波電壓性能穩(wěn)定、質(zhì)量高，以實現(xiàn)單位功率因數(shù)輸出。 并網(wǎng)逆變按照控制方式的不同可以分為：電壓源電壓控制型 、電壓源電流控制型 、電流源電壓控制型和電流源電流型控制。 電流源輸入型逆變系統(tǒng)直流側(cè)需要串聯(lián)一個大電感，其缺點是系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)慢，因此當前并網(wǎng)逆變器多采用電壓源輸入型逆變器。 該系統(tǒng)是小型風力發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計功率較小，故采用中小功率的并網(wǎng)逆變裝置中常用的單相全橋逆變結(jié)構(gòu)。按電路轉(zhuǎn)換過程的不同并網(wǎng)逆變裝置可分為單級式逆變器、兩級式逆變器和多級式逆變器。 單級式并網(wǎng)逆變裝置的輸入端與風力發(fā)電機的整流輸出端直接相連，逆變裝置將輸入側(cè)的直流電經(jīng)過變換輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電流。該拓撲結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，所需成本低，體積小，損耗少和效率高等優(yōu)點。 兩級式并網(wǎng)逆變裝置是在直流輸入側(cè)與逆變橋之間加一級 DC/DC 變換裝置，形成目前并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常用的兩級式拓撲結(jié)構(gòu)，即 DC/DC 級和 DC/AC 級。前級 部分多采用 27 Boost 型變換器，實現(xiàn)對直流輸入的升壓及穩(wěn)壓，使經(jīng)過變換后的直流電壓符合要求。拓撲結(jié)構(gòu)的后級部分實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換。 三級式并網(wǎng)逆變裝置拓撲結(jié)構(gòu)的特點控制簡單；高頻變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)電氣隔離；同時減小了系統(tǒng)的體積和重量。但是該電路結(jié)構(gòu)的缺點是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜且輸出效率不高。因此，在實際中較少應(yīng)用。 綜上分析，單級式逆變拓撲結(jié)構(gòu)存在允許輸入直流電壓范圍小，控制復(fù)雜等缺點； 三級式并網(wǎng)逆變拓撲結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過三級變換，而每一級變換都存在能量損耗，由于級數(shù)較多，使得系統(tǒng)的成本增加，復(fù)雜程度變大，可靠性下降，所以在 經(jīng)過三級以