【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。否則，會對公共電網(wǎng)帶來危害。 （ e） 除定子外，勵磁繞組及勵磁調(diào)節(jié)裝置需要維護。 （ c） 需要同步合閘裝置。 （ b） 需要勵磁裝置及勵磁調(diào)節(jié)裝置。 （ c） 單 獨運行時可以很方便地調(diào)節(jié)電壓。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 26 同步發(fā)電機的參數(shù) 型號：同步、 4 極、 6 相，帶勵磁裝置 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～ 2022 RPM. 功率因數(shù)： ?cos =～ 防護等級： IP 54 絕緣等級： 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； 測溫： 8PT100（ 6繞組線圈， 2軸承） 同步發(fā)電機的優(yōu)缺點： 優(yōu)點： （ a） 功率因數(shù)可以很容易地通過勵磁調(diào)節(jié)裝置予以調(diào)整，既可以在滯后的功率因數(shù)下運行，也可以在超前的功率因數(shù)下運行。 （ b） 因為采用 交 — 直 — 交 轉(zhuǎn)換方式，同步發(fā)電機的工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨立的，風輪及發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以變化，不必擔心發(fā)生同步發(fā)電機直接并網(wǎng)運行時可能出現(xiàn)的失步問題。 同步發(fā)電機交 /直 /交系統(tǒng)的設(shè)計 設(shè)計框圖 保 護 裝 置功 率 變 化檢 測 器控 制 電 路風 力 機齒 輪 箱同 步 發(fā) 電 機整 流 器 逆 變 器電網(wǎng)檢 測 裝 置控 制 系 統(tǒng) 圖 41 具有最大功率跟蹤的 交 — 直 — 交 風電系統(tǒng)方框圖 圖 41 示出具有最大功率跟蹤的 交 — 直 — 交 風電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運行方框圖，采用系統(tǒng)輸出功率作為控制信號，改變晶閘管的觸發(fā)角，以調(diào)整逆變器的工作特性。由于風能具有不穩(wěn)定性和隨機性，風力發(fā)電機發(fā)出的電能是電壓、頻率隨機變化的交流電，必須采取有效 的電力變換措施后才能夠?qū)L電送入電網(wǎng)。因此，對變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的要求，除了能夠穩(wěn)定可靠地并網(wǎng)運行之外，最重要的一點就是要實現(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 850kW 風力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計 25 4 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計 設(shè)計說明 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的一個重要優(yōu)點是可以使風力機在 很大風速范圍內(nèi)按最佳效率運行。uVN39。這個死區(qū)時間將會給輸出的 PWM 波形帶來一定影響，使其稍稍偏離正弦波。但實際上為了防止上下兩個臂直 通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間。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)動信號始終是互補的。當 crU uu ? 時，給 4V 以導通信號，給 1V 以關(guān)斷信號，則 2u39。當 crU uu ? 時，給上橋臂 1V 以導通信號，給下橋臂 4V 以關(guān)斷信號，則 U 相相對于直流電源假想中點 ‘N 的輸出電壓為 2u39。 U、 V和 W 三相的 PWM 控制通常公用一個三 角載波 cu ，三相的調(diào)制信號 rUu 、 rVu 和 rWu 依次相差 120176。這也是電壓型逆變電路的一個特點?？梢钥闯觯?di 每隔 60176。 Vi 、 Wi 的波形和 Ui 形狀相同，相位依次相差120176。 ?NNu時為橋臂 1 導電的區(qū)間，其中 0U?i 時為 1VD 導通， 0U?i 時為 1V 導通； 039。負載阻抗角 ? 越大， 4VD 導通時間就越長。圖 313（ g） 給出的是阻感負載下 3??? 時 Ui 的波形。 負載參數(shù)已知時，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)負載為三相對稱負載，則有 0??? WNVNUN uuu ， 故可得 ? ?39。39。NNu，則負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)負載中點 N 與直流電源假想中點 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。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂 之間進行的，因此也被稱為縱向換流。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通。導電方式，即每個橋臂的導電角度為 180176。 圖 312 電路的直流側(cè)通常只有一個電容器就可以了，但為了分析方便，畫作串聯(lián)的兩個電容器并標出了假想中點 ‘N 。用三個單向逆變電路可以組成一個三相逆變電路。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載阻抗情況的不同而不同。直流側(cè)電壓基本 無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。 2S 、 3S 斷開， 1S 、 4S 閉合時的情況類似。但是，因為負載中有電感，其電流方向不能立刻改變而仍維持原方向。設(shè) 1t 時刻以前 1S 、 4S 導通， 0u 和 0i 均為正。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 20 4S3S1S2S負 載dU0i 0u1S 2S3S 4SZ 1t 2t0u oi t( a ) ( b ) （ a） （ b） 圖 311 逆變電路及其波形 當負載為電阻時，負載電流 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)電機轉(zhuǎn)速距同步速較大的情況下應(yīng)避免立即投入勵磁，否則將導致自同步過程中出現(xiàn)較大的振蕩電流及力矩。但是它的缺點是合閘后有沖擊電流，電網(wǎng)電壓會出現(xiàn)短時間的下降，電網(wǎng) 電壓的降低程度和電壓恢復時間的長短，同并入的發(fā)電機容量與電網(wǎng)容量的比例有關(guān)，在風力發(fā)電情況下還與風資源特性有關(guān)。由于同步發(fā)電機在投入電網(wǎng)時未加勵磁，因此不存在準同步并網(wǎng)時的對發(fā)電機電壓和相角進行調(diào)節(jié)和校準的整步過程，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)定準同步并網(wǎng)時發(fā)電機與電網(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)方式即為準同步并網(wǎng)方式，在這種并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)瞬間不會產(chǎn)生沖擊電流，不會引起電網(wǎng)電壓的下降，也不會對發(fā)電機定子繞組及其他機械部件造成損害。同步發(fā)電機的并網(wǎng)比較復雜，需要一整套并網(wǎng)措施。 同步發(fā)電機的并網(wǎng)方式 同步發(fā)電機應(yīng)用到風力發(fā)電上有兩種機械聯(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。 電網(wǎng)對單臺發(fā)電機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)電廠中都是把幾臺同步發(fā)電機并聯(lián)起來 接在共同的匯流排上 (見圖 39)，一個地區(qū)總是有好幾個發(fā)電廠并聯(lián)起來組成一個強大的電力系統(tǒng) (電網(wǎng) )。這些缺點可以通過多機并聯(lián)來改善。由于這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。主勵磁機是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機，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)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組。 850kW 風力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計 17 圖 37 靜止整流器勵磁 系統(tǒng) （ 3）旋轉(zhuǎn)整流器勵磁 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)的勵磁繞組，對于大容量的同步發(fā)電機，其勵磁電流達到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴重過熱。副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵 (有時采用永磁發(fā)電機 )。如圖 36 所示?，F(xiàn)說明如下： （ 1）直流勵磁機系統(tǒng) 直流勵磁機通常與同步發(fā)電機同軸，采用并勵或者他勵接法。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 16 圖 35 同步發(fā)電機無功功率的調(diào)節(jié) 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)簡介 [4] 獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。 a） 如果在某一勵磁電流 fI 時， aI? 正好與 U? 平行，此時無功功率為零 ,發(fā)電機輸出的全部是有功功率，發(fā)電機正常勵磁。 如果保持原動機的拖動轉(zhuǎn)矩不變 (即不調(diào)節(jié)原動機的汽門、油門或水門 )，那么發(fā)電機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)電機分擔。 （ b） 無功功率的調(diào)節(jié) 接在電網(wǎng)上運行的負載類型很多，多數(shù)負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)上運行的同步發(fā)電機、變壓器、電抗器等。無功功率隨著有功功率的增加而減少，甚至可能導致無功功率改變符號，這是應(yīng)當避免的。而且電機承擔的有功功率的極限是 maxMP ，當 m?? ??0 時發(fā)電機可以穩(wěn)定運行； m??? 發(fā)電機不能穩(wěn)定運行。因此，保持同步十分重要。 同步發(fā)電機失去同步后，必須立即減小原動機輸入的機械功率，否則將使轉(zhuǎn)子達到極高的轉(zhuǎn)速，以致離心力過大而損壞轉(zhuǎn)子。 當功角處于 0 到 m? 范圍內(nèi)時，隨著 ? 的增大， MP 亦增大，同步發(fā)電機在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運行。電磁轉(zhuǎn)矩與原動機提供的動力轉(zhuǎn)矩相平衡 01 TTT M ?? ，其中 0T 為空載轉(zhuǎn)矩因摩擦、風阻等引起的阻力轉(zhuǎn)矩。對隱極電機來說NNMM PPK ?sin1m a x ?? （ 35） 圖 34 同步發(fā)電機的功角特 性 （ a）隱極電機 （ b）凸極電機 （ 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)電機的電磁功率隨著功角變化的情況。 （ a）凸極電機 ?? 2s i n112s i n20 ???????? ???dqdM XXUmXUEmP (33) 令 0??ddPM 可以求出對應(yīng)于最大電磁功率 maxMP 的功角 m? ,一般來說凸極電機的 m? 在4590 之間。穩(wěn)定運行時， fF? 和 F? 之間無 相對運動， ? 具有固定的值。 可見功角 ? 在時間上表示端電壓和勵磁磁勢之間的相位差，在空間上表現(xiàn)為合成磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁場軸線之間夾角。圖中忽略了定子繞組的漏磁電勢，認為aEEU ??? ?? 0 ， 0E? 對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁勢 fF? ， aE? 對應(yīng)于電樞磁勢 aF? ，所以可近似認為端電壓 U?由合成磁勢 af FFF ??? ?? 所感應(yīng)。功角 ? 對于研究同步電機的功率變化和運行的穩(wěn)定性有重要意義。同步發(fā)電機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，則有 (32) 圖 32 同步發(fā)電機功率流程圖 （ 2）功 角的概念 ? 為內(nèi)功率因數(shù)角， ??? ?? 定義為功角。 1P 為自原動機向發(fā)電機的輸入的機械功率，其中一部分提供軸與軸承間的摩擦、轉(zhuǎn)動部分與空氣的摩擦及通風設(shè)備的損耗，總計為機械損耗 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 。交流電機的感應(yīng)電動勢由電動勢的頻率、電動勢的波形和電動勢的大小 3 個基本要素決定。三相電動勢的大小相等，相位互差 120176。因此，A 相的感應(yīng)電動勢便超前 B 相感應(yīng)電動勢 120176。及 240176。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，導體交替地為N 極和 S 極磁場所切割，因此每根導體中的感應(yīng)電動勢方向是交變的。 定子上有許多槽，槽中安裝導體，其目的是為了在其中