【正文】 但是晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于電壓，其滯后角隨著觸發(fā)延遲角 ? 。否則，會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)帶來危害。 （ e） 除定子外，勵(lì)磁繞組及勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置需要維護(hù)。 （ c） 需要同步合閘裝置。 （ b） 需要?jiǎng)?lì)磁裝置及勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置。 （ c） 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)可以很方便地調(diào)節(jié)電壓。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 27 同步發(fā)電機(jī)的參數(shù) 型號(hào)：同步、 4 極、 6 相，帶勵(lì)磁裝置 系統(tǒng)：并網(wǎng)型，帶 IGBT 變頻器 功率： 850kW （ n = 1700 RPM.） 電壓： 690～ 730V 電流： 340A～ 390A 頻率： ～ Hz 轉(zhuǎn)速： 1040～ 2021 RPM. 功率因數(shù)： ?cos =～ 防護(hù)等級(jí)： IP 54 絕緣等級(jí)： F/H 環(huán)境溫度： 40℃ ～ 40℃ 冷卻：水冷 水冷系統(tǒng)：軸承壽命： 130000 小時(shí)； 測(cè)溫： 8PT100（ 6繞組線圈， 2軸承） 同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： （ a） 功率因數(shù)可以很容易地通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置予以調(diào)整，既可以在滯后的功率因數(shù)下運(yùn)行，也可以在超前的功率因數(shù)下運(yùn)行。 （ b） 因?yàn)椴捎?交 — 直 — 交 轉(zhuǎn)換方式，同步發(fā)電機(jī)的工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨(dú)立的，風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以變化，不必?fù)?dān)心發(fā)生同步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的失步問題。 同步發(fā)電機(jī)交 /直 /交系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)框圖 保 護(hù) 裝 置功 率 變 化檢 測(cè) 器控 制 電 路風(fēng) 力 機(jī)齒 輪 箱同 步 發(fā) 電 機(jī)整 流 器 逆 變 器電網(wǎng)檢 測(cè) 裝 置控 制 系 統(tǒng) 圖 41 具有最大功率跟蹤的 交 — 直 — 交 風(fēng)電系統(tǒng)方框圖 圖 41 示出具有最大功率跟蹤的 交 — 直 — 交 風(fēng)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方框圖，采用系統(tǒng)輸出功率作為控制信號(hào)，改變晶閘管的觸發(fā)角，以調(diào)整逆變器的工作特性。由于風(fēng)能具有不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能是電壓、頻率隨機(jī)變化的交流電，必須采取有效的電力變換措施后才能夠?qū)L(fēng)電送入電網(wǎng)。因此，對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求，除了能夠穩(wěn)定可靠地并網(wǎng)運(yùn)行之外，最重要的一點(diǎn)就是要實(shí)現(xiàn)最大功率輸出控制。uUV000000d2Ud/3d/2Ud/2 Ud/2urUurVurWucωtωtωtωtωtωt 圖 315 三相橋式 PWM 逆變電路波形 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 26 4 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)說明 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以使風(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行。uVN39。這個(gè)死區(qū)時(shí)間將會(huì)給輸出的 PWM 波形帶來一定影響，使其稍稍偏離正弦波。但實(shí)際上為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時(shí)要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū) 時(shí)間。因此，逆變器的輸出線電壓 PWM 波由 dU? 和 0 三種電平構(gòu)成。 uu ?得出。WNu的 PWM 波形都只有 2dU?兩種電平。UNu、39。N?? U V W??調(diào) 制電 路rUucu rWrVCC2dU2dU圖 314 三相橋式 PWM 型逆變電路 電路的波形如圖 315 所示。u UVu NN 39。 0 0000000u VN 39。 V相和 W 相的控制方式都和 U相相同。 1V 和 4V 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng) crU uu ? 時(shí)，給 4V 以導(dǎo)通信號(hào)，給 1V 以關(guān)斷信號(hào)，則 2u39。當(dāng) crU uu ? 時(shí)，給上橋臂 1V 以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂 4V 以關(guān)斷信號(hào)，則 U相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn) ‘N 的輸出電壓為 2u39。 U、 V和 W 三相的 PWM 控制通常公用一個(gè)三角載波 cu ，三相的調(diào)制信號(hào) rUu 、 rVu 和 rWu 依次相差 120176。這也是電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)。可以看出， di 每隔 60176。 Vi 、 Wi 的波形和 Ui 形狀相同，相位依次相差120176。 ?NNu時(shí)為橋 臂 1 導(dǎo)電的區(qū)間，其中 0U?i 時(shí)為 1VD 導(dǎo)通， 0U?i 時(shí)為 1V 導(dǎo)通； 039。負(fù)載阻抗角 ? 越大， 4VD 導(dǎo)通時(shí)間就越長。圖 313（ g） 給出的是阻感負(fù)載下 3??? 時(shí) Ui 的波形。 負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可以由 UNu 的波形求出 U相電流 Ui 的波形。39。39。39。UNu頻率的 3 倍，幅值為其 1/3，即為 6dU 。 31 WNVNUNNN uuuu ??? (310) 39。39。 （ 39） 設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有 0??? WNVNUN uuu ， 故可得 ? ?39。39。NNu，則負(fù)載各相的相電壓分別為 (38) 把上面各式相加并整理可求得： ? ? ? ?WNVNUNWNVNUNNN uuuuuuu ?????? 3131 39。 設(shè)負(fù)載 中點(diǎn) N 與直流電源假想中點(diǎn) 39。39。39。39。WNu的波形如圖 313 的 （ a） 、 （ b） 、 （ c） 所示。UNu、39。UNu相同，只是相位依次差 120176。VNu、39。UNu的波形是幅值為 2dU 的矩形波。 dUN Uu ??。N?? U V W 圖 312 三相電壓型逆變電路 下面來分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此也被稱為縱向換流。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為 180176。 圖 312 電路的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了分析方便，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出了假想中點(diǎn) ‘N 。用三個(gè)單向逆變電路可以組成一個(gè)三相逆變電路。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。 2S 、 3S 斷開， 1S 、 4S 閉合時(shí)的情況類似。但是，因?yàn)樨?fù)載中有電感，其電流方向不能立刻改變而仍維持原方向。設(shè) 1t 時(shí)刻以前 1S 、 4S 導(dǎo)通， 0u 和 0i 均為正。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 21 4S3S1S2S負(fù) 載dU0i 0u1S 2S3S 4SZ 1t 2t0uoi t( a ) ( b ) （ a） （ b） 圖 311 逆變電路及其波形 當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，負(fù)載電流 0i 和電壓 0u 的波形形狀相同，相位也相同。這樣，就把直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變交流電的頻率。圖中 41 ~SS 是橋式電路的 4 個(gè)臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成。但是在 同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速距同步速較大的情況下應(yīng)避免立即投入勵(lì)磁，否則將導(dǎo)致自同步過程中出現(xiàn)較大的振蕩電流及力矩。但是它的缺點(diǎn)是合閘后有沖擊電流，電網(wǎng)電壓會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的下降，電網(wǎng)電壓的降低程度和電壓恢復(fù)時(shí)間的長短，同并入的發(fā)電機(jī)容量與電網(wǎng)容量的比例有關(guān)，在風(fēng)力發(fā)電情況下還與風(fēng)資源特性有關(guān)。由于同步發(fā)電機(jī)在投入電網(wǎng)時(shí)未加勵(lì)磁，因此不存在準(zhǔn)同步并網(wǎng)時(shí)的對(duì)發(fā)電機(jī)電壓和相角進(jìn)行調(diào)節(jié) 和校準(zhǔn)的整步過程，并且從根本上排除了發(fā)生非同步合閘的可能性。為使沖擊電流不超過允許范圍，國家電網(wǎng)公司規(guī)定準(zhǔn)同步并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓差不超過 5%10%而頻率差不超過 %%。 滿足上述理想并網(wǎng)條件的并網(wǎng)方式即為準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式，在這種并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)瞬間不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，不會(huì)引起電網(wǎng)電壓的下降，也不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組及其他機(jī)械部件造成損害。同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)比較復(fù)雜，需要一整套并網(wǎng)措施。 同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式 同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電上有兩種機(jī)械聯(lián)結(jié)方式，一種是通過變速齒輪箱，做成高速同步發(fā)電機(jī)。 電網(wǎng)對(duì)單臺(tái)發(fā)電機(jī)來說可視為無窮大電網(wǎng)或無窮大匯流排。 （ b） 提高了供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，在用電高峰期和低谷期，可以靈活地決定投入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)量，提高了發(fā)電效率和供電靈活性?，F(xiàn)代發(fā)電廠中都是把幾臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)起來接在共同的匯流排上 (見圖 39)，一個(gè)地區(qū)總是有好幾個(gè)發(fā)電廠并聯(lián)起來組成一個(gè)強(qiáng)大的電力系統(tǒng) (電網(wǎng) )。這些缺點(diǎn)可以通過多機(jī)并聯(lián)來改善。由于這種勵(lì)磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，故又稱為無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。主勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整流器整流后，直接送 到主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 18 圖 37 靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng) （ 3）旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁 靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)過電刷和集電環(huán)才能輸送到旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁繞組，對(duì)于大容量的同步發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁電流達(dá)到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴(yán)重過熱。副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流開始時(shí)由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵(lì) (有時(shí)采用永磁發(fā)電機(jī) )。如圖 36 所示?，F(xiàn)說明如下： （ 1）直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng) 直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，采用并勵(lì)或者他勵(lì)接法。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 17 圖 35 同步發(fā)電機(jī)無功功率的調(diào)節(jié) 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)簡介 [4] 獲得勵(lì)磁電流的方法稱為勵(lì)磁方式。 a） 如果在某一勵(lì)磁電流 fI 時(shí)， aI? 正好與 U? 平行，此時(shí)無功功率為零 ,發(fā)電機(jī) 輸出的全部是有功功率，發(fā)電機(jī)正常勵(lì)磁。 如果保持原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變 (即不調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的汽門、油門或水門 )，那么發(fā)電機(jī)輸出的有功功率亦將保持不變。 電網(wǎng)所供給的全部無功功率一般由并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)分擔(dān)。 （ b） 無功功率的調(diào)節(jié) 接在電網(wǎng)上運(yùn)行的負(fù)載類型很多，多數(shù)負(fù)載除了消耗有功功率外，還要消耗電感性無功功率，如接在電網(wǎng)上運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)、變壓器、電抗器等。無功功率隨著有功功 率的增加而減少，甚至可能導(dǎo)致無功功率改變符號(hào)，這是應(yīng)當(dāng)避免的。而且電機(jī)承擔(dān)的有功功率的極限是 maxMP ，當(dāng) m?? ??0 時(shí)發(fā)電機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行； m??? 發(fā)電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。因此，保持同步十分重要。 同步發(fā)電機(jī)失去同步后，必須立即減小原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率，否則將使轉(zhuǎn)子達(dá)到極高的轉(zhuǎn)速，以致離心力過大而損壞轉(zhuǎn)子。 當(dāng)功角處于 0 到 m? 范圍內(nèi)時(shí)，隨著 ? 的增大， MP 亦增大，同步發(fā)電機(jī)在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運(yùn)行。電磁轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩相平衡 01 TTT M ?? ，其中 0T 為空載轉(zhuǎn)矩因摩擦、風(fēng)阻等引起的阻力轉(zhuǎn)矩。對(duì)隱極電機(jī)來說NNMM PPK ?sin1m a x ?? （ 35） 圖 34 同步發(fā)電機(jī)的功角特性 （ a）隱極電機(jī) （ b）凸極電機(jī) （ 4）有功功率和無功功率 （ a） 有功功率的調(diào)節(jié) 功角特性 ? ??fPM ? 反映了同步發(fā)電機(jī)的電磁功率隨著功角變化的情況。 （ a）凸極電機(jī) ?? 2s i n112s i n20 ???????? ???dqdM XXUmXUEmP (33) 令 0??ddPM 可以求出對(duì)應(yīng)于最大電磁功率 maxMP 的功角 m? ,一般來說凸極電機(jī)的 m? 在4590 之間。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)， fF? 和 F? 之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)， ? 具有固定的值。 可見功角 ? 在時(shí)間上表示端電壓和勵(lì)磁磁勢(shì)之間的相位差，在空間上表現(xiàn)為合成磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線之間夾角。圖中忽略了定子繞組的漏磁電勢(shì)，認(rèn)為aEEU ??? ?? 0 ， 0E? 對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁勢(shì) fF? ， aE? 對(duì)應(yīng)于電樞磁勢(shì) aF? ，所以可近似認(rèn)為端電壓 U?由合成磁勢(shì) af FFF ??? ?? 所感應(yīng)。功角 ? 對(duì)于研究同步電機(jī)的功率變化和運(yùn)行的穩(wěn)定性有重要意義。同步發(fā)電機(jī)的功率平衡方程式為 (31) 定子繞組的電阻一般較小 ，其銅耗可以忽略不計(jì)，則有 (32) 圖 32 同步發(fā)電機(jī)功率流程圖 （ 2）功角的概念 ? 為內(nèi)功率因數(shù)角， ??? ?? 定義為功角。 1P 為自原動(dòng)機(jī)向發(fā)電機(jī)的輸入的機(jī)械功率，其中一部分提供軸與軸承間的摩擦、轉(zhuǎn)動(dòng)部分與空氣的摩擦及通風(fēng)設(shè)備的損耗，總計(jì)為機(jī)械損耗 mp ，另一部分供給定子鐵心中的渦流和磁滯損耗，總計(jì)為鐵心損耗 Fep , MP 為通過電磁感應(yīng)作用轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄗ永@組上的電功率，稱為電磁功率 。交流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由電 動(dòng)勢(shì)的頻率、電動(dòng)勢(shì)的波形和電動(dòng)勢(shì)的大小 3 個(gè)基本要素決定。三相電動(dòng)勢(shì)的大小相等，相位互差 120176。因此，A 相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)便超前 B 相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 120176。及 240176。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)體交替地為N 極和 S 極磁場(chǎng)所切割，因此每根導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向是交變的。定子上有許多槽，槽中安裝導(dǎo)體，其目的是為了在