【正文】 表 41逆變器的交流端的輸出電壓與直流電壓的關(guān)系開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸出電壓輸出線電壓SaSbScuaubucuabubcuca0000000000011/31/32/301。忽略電感內(nèi)的寄生電阻，可得濾波電感在基波正弦信號(hào)下的的等效阻抗為: (411) PWM逆變器的數(shù)學(xué)分析定義開(kāi)關(guān)函數(shù)： （49） （410） （411）因此，逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)可以產(chǎn)生8種狀態(tài)。本文采用三角載波SPWM控制，因此直流母線電壓。也就是說(shuō)當(dāng)電網(wǎng)電壓知道后就可以確定直流母線電壓。換言之，一旦PWM控制方式確定后，在一定的直流電壓條件下，為定值。為了調(diào)節(jié)輸出電壓幅度，只需要調(diào)節(jié)調(diào)制波的幅度，即調(diào)節(jié)調(diào)制比。載波比N和調(diào)制比分別定義為： （46） （47）式中為三角波頻率；為輸出基波頻率；為調(diào)制正選波幅值；為載波信號(hào)峰值。由于輸入端施加的是直流電壓源，功率開(kāi)關(guān)器件始終保持正向偏執(zhí)。 PWM逆變器的數(shù)學(xué)模型一般PWM逆變器的直流側(cè)由一相穩(wěn)定的直流電源供電，交流側(cè)可以是交流負(fù)載，也可以接交流電壓源，典型的三相電壓型PWM逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖46所示。從圖45和式(42)和式(43)中可得式（44)： (44)電流環(huán)的特征方程為: (45)通過(guò)分析可知特征方程無(wú)正實(shí)部的特征根所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的，電流環(huán)對(duì)所有取值均能保持穩(wěn)定，同時(shí)根據(jù)特征方程可知調(diào)節(jié)器確定著電流環(huán)的響應(yīng)速度，但是如果太大，誤差信號(hào)可能超過(guò)載波設(shè)定的限幅值（三角波幅值），影響了變流器的開(kāi)關(guān)頻率。 變流器增益。圖45中的和可以通過(guò)式(42)與(43)確定。圖45 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖針對(duì)圖45所示的電流環(huán)閉環(huán)控制，由于風(fēng)力發(fā)電用變流器系統(tǒng)要求電流環(huán)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通常電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用比例控制器，且電流控制回路增益與電流調(diào)制方式的選擇相關(guān)。對(duì)于典型并網(wǎng)變流器，其橋臂輸出電壓由電流采樣信號(hào)與電流指令之間的誤差、內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器和電網(wǎng)電壓共同決定，其橋臂輸出電壓的基波分量可由下式表示。當(dāng)并網(wǎng)變流器在一定工作狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)(以正單位功率因數(shù)、額定電流、電動(dòng)狀態(tài)為例)，如果只考慮交流側(cè)電流，電網(wǎng)電壓和變流器輸出電壓的基波分量，變流器的交流側(cè)可以簡(jiǎn)化為圖44(a)所示的等效電路，交流側(cè)電壓電流的矢量關(guān)系如圖44(b)所示。其中PWM調(diào)制單元首先將和變換到坐標(biāo)軸，然后送入PWM發(fā)生器。網(wǎng)側(cè)變流器通過(guò)電流環(huán)的作用，可以調(diào)節(jié)變流器的輸出電流，由于電網(wǎng)電壓恒定從而可以達(dá)到控制輸出功率的作用。 直接電流控制原理本次850KW系統(tǒng)機(jī)側(cè)采用不控整流，因此，系統(tǒng)的重點(diǎn)就在于網(wǎng)側(cè)變流器的控制。本此設(shè)計(jì)由于發(fā)電機(jī)輸出電壓幅值穩(wěn)定因此不需要采用電壓外環(huán)，所以只使用電流環(huán)結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)這一目的，并網(wǎng)變流器控制系統(tǒng)一般采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，即直流電壓外環(huán)和網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)。同時(shí)考慮到風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)變流器所采用的開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高，因此通常采用電感濾波。此外，結(jié)合其控制過(guò)程可知，這種控制方法是基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的，其動(dòng)態(tài)特性較差，要計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)電壓的平均值才能得到電網(wǎng)相電壓的大小，因此對(duì)電網(wǎng)故障，對(duì)電網(wǎng)諧波引起的電壓波動(dòng)等都響應(yīng)較慢。電壓源逆變器的間接電流控制方法和直接電流控制方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。（2）直接電流控制在這種控制方法中，通過(guò)運(yùn)算求出交流輸出電流指令值，再引入交流電流反饋，通過(guò)對(duì)交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值，因此這種控制方法稱為直接電流控制。（1）間接電流控制型間接電流控制也稱為相位和幅值控制。 三相電壓型PWM并網(wǎng)變流器設(shè)計(jì)和控制原理 并網(wǎng)變流器電流控制方法電流控制并網(wǎng)型電壓源逆變器是對(duì)逆變器輸出的三相電流大小進(jìn)行控制的一類電壓源逆變器，其工作原理就是控制與逆變器連接的濾波電感上的電流大小，使其跟蹤指令電流的變化，而電網(wǎng)電壓又是恒定的，從而使逆變器經(jīng)濾波后的輸出功率能夠隨著指令電流的變化而成正比的變化。⑤過(guò)熱保護(hù)。④過(guò)流和短路保護(hù)。③過(guò)載保護(hù)。②輸出過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)。保護(hù)電路主要有：①輸入過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)。在逆變系統(tǒng)中，控制電路和逆變主電路具有同樣的重要性。對(duì)于開(kāi)環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路，而對(duì)于閉環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量還要反饋到控制電路。（2）輸出電路輸出電路一般都包括輸出濾波電路。 逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖41中逆變部分僅是變流器的主電路，要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的逆變系統(tǒng)除了主電路之外還要包括輸入電路、輸出電路、控制、保護(hù)電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖42所示。該交流電經(jīng)ACDC變換后變?yōu)殡妷悍捣€(wěn)定直流電，再經(jīng)過(guò)PWM逆變器，變?yōu)榱伺c電網(wǎng)相位和頻率相同，輸出電壓隨風(fēng)速不斷變化且略高于電網(wǎng)電壓的三相交流電，最后經(jīng)過(guò)濾波電抗器并網(wǎng)，輸出電壓高于電網(wǎng)的部分降在濾波電抗器上。通過(guò)分析，只需對(duì)一組進(jìn)行分析即可，分析時(shí)可以將發(fā)電機(jī)以及電網(wǎng)看做交流電源，其中網(wǎng)側(cè)電源頻率為50HZ。 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑒于不控整流設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、效率高、控制方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)以及PWM變換電路具有能量可以雙向流動(dòng)，功率因數(shù)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，因此系統(tǒng)主電路采用不控整流和PWM逆變電路的組合。（2）變流器控制策略的研究有前面章節(jié)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各種變流電路的分析可知，風(fēng)力發(fā)電可以采取多種變流電路，不同的變流電路其控制策略是不同的。 850千瓦風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)的需求分析本文所設(shè)計(jì)的850千瓦風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）將發(fā)電機(jī)輸出的電壓、幅值、頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為恒壓、恒頻的電能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻運(yùn)行；（2）接受機(jī)組主控制器的指令，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能捕獲；（3）調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無(wú)功功率，提高發(fā)電機(jī)輸出的功率因數(shù)；（4）在機(jī)組正常工作的時(shí)候，控制逆變器的輸出，保證輸出波形質(zhì)量；（5）監(jiān)控發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)和變流器的工作狀態(tài)，確保變流器的安全、可靠運(yùn)行。圖37可編程無(wú)刷勵(lì)磁調(diào)節(jié)框圖 小結(jié)本章首先概述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的原理和功能；其次，介紹了各種勵(lì)磁方式的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)缺點(diǎn)；最后，通過(guò)對(duì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的要求分析以及該系統(tǒng)的具體情況選擇了此系統(tǒng)的勵(lì)磁控制方案。PLC具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制策略,具有完備的限制和保護(hù)功能等,從而在同步發(fā)電機(jī)組中得到日益廣泛的應(yīng)用。電子型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器框圖如下圖所示。基本控制由調(diào)差、測(cè)量比較、綜合放大和移相觸發(fā)單元組成，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和無(wú)功功率分配等基本的調(diào)節(jié)功能。為了提高同步發(fā)電機(jī)的可靠性和安全性, 可以采用無(wú)刷勵(lì)磁技術(shù)。近年來(lái)，幾乎所有的先進(jìn)理論，如線性最優(yōu)、非線性最優(yōu)、魯棒控制、人工智能等,都被 引入到勵(lì)磁控制的研究中。②具有足夠的勵(lì)磁頂置電壓和電壓上升速度。⑥勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能長(zhǎng)期可靠工作。④勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能迅速反應(yīng)系統(tǒng)故障、具備強(qiáng)行勵(lì)磁等控制功能，以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運(yùn)行條件。5﹪。②勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能合理分配機(jī)組的無(wú)功功率，為此，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)差率可以在下列范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整；半導(dǎo)體型的為177。這點(diǎn)，已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)的實(shí)踐所證明。但是，通過(guò)引入附加勵(lì)磁控制（即采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS）, 完全可以克服這一缺點(diǎn)。（3）響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)性能好，有利于提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性。自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)原理接線如圖35 所示，這種自并勵(lì)方式制造簡(jiǎn)單，布置方便，由于沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部分，其工作可靠、維護(hù)方便；由于沒(méi)有勵(lì)磁機(jī)的磁滯，其響應(yīng)速度快。它主要由勵(lì)磁變壓器、自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、可控整流裝置和起勵(lì)裝置組成（圖35）。靜止勵(lì)磁系統(tǒng)又稱為自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，有時(shí)也簡(jiǎn)稱為機(jī)端變勵(lì)磁系統(tǒng)或靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。這種勵(lì)磁方式的主要問(wèn)題是，其旋轉(zhuǎn)部分——發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組和整流器不便于監(jiān)測(cè)和保護(hù)；為提高勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性而采取的轉(zhuǎn)子電壓反饋無(wú)法按常規(guī)方式實(shí)現(xiàn)；快速滅磁也難以實(shí)現(xiàn)。交流勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)都不需要配滑環(huán)、炭刷，所以這種勵(lì)磁系統(tǒng)又稱為無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是靜止的，交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組也是靜止的。這種勵(lì)磁方式一般簡(jiǎn)稱為交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)。由于旋轉(zhuǎn)整流盤(pán)和裝在其上的整流二極管處在高速旋轉(zhuǎn)中，它們應(yīng)能承受強(qiáng)大的離心力。圖中主勵(lì)磁機(jī)是頻率為150Hz 的交流勵(lì)磁機(jī)，它的勵(lì)磁繞組是靜止的而電樞是旋轉(zhuǎn)的。這種勵(lì)磁系統(tǒng)多用于10萬(wàn)千瓦左右的大容量同步發(fā)電機(jī)。 它勵(lì)式半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)原理接線圖它勵(lì)式半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)容量可以做得很大，勵(lì)磁機(jī)是交流發(fā)電機(jī)沒(méi)有換向問(wèn)題而且不受電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響。自動(dòng)調(diào)勵(lì)的裝置也是根據(jù)發(fā)電機(jī)的電壓和電流來(lái)改變可控硅的控制角，以改變勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓。兩臺(tái)交流勵(lì)磁機(jī)都和同步發(fā)電機(jī)同軸，主勵(lì)磁機(jī)為100HZ中頻三相交流發(fā)電機(jī)，它的輸出電壓經(jīng)過(guò)硅整流裝置向同步發(fā)電機(jī)供給勵(lì)磁電流。(2)由于機(jī)械整流復(fù)雜而不可靠，維護(hù)也較麻煩。(3)當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)，在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電流可以形成閉環(huán)回路，不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子過(guò)電壓。直流勵(lì)磁機(jī)方式的主要優(yōu)點(diǎn)：(1)因?yàn)閯?lì)磁機(jī)與主機(jī)同軸，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)，由于主機(jī)慣性大，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)速不受影響，能夠照常勵(lì)磁。直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)又可分為自勵(lì)式和它勵(lì)式。其中直流發(fā)電機(jī)稱為直流勵(lì)磁機(jī)。 TA——電流互感器；TV——電壓互感器；GS ——同步發(fā)電機(jī)；FLQ——同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線圈；L——直流勵(lì)磁機(jī)；LLQ——直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁線圈；Rc——可調(diào)電阻。直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式的原理接線如圖32 所示：圖32由于勵(lì)磁功率取自交流電網(wǎng)本身，故又成為自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。(3)靜止勵(lì)磁方式：用接于發(fā)電機(jī)出口或廠用母線上的變壓器作為交流勵(lì)磁電源，經(jīng)整流后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。其勵(lì)磁功率同樣獨(dú)立于交流電網(wǎng)，因此也稱他勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。一般該勵(lì)磁機(jī)與同步發(fā)電機(jī)同軸，一起有原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，因而勵(lì)磁功率獨(dú)立于交流電網(wǎng)，不受電力系統(tǒng)非正常運(yùn)行狀況的影響。勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的改善，都有顯著的作用，而且也是改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定的措施中，最為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而有效的措施。（4）提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性電力系統(tǒng)穩(wěn)定可分為功角（機(jī)電）穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定等。大容量發(fā)電機(jī)應(yīng)負(fù)擔(dān)較多無(wú)功負(fù)荷，而容量較小的則負(fù)提供較少的無(wú)功負(fù)荷。此時(shí)改變的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流并不是通常所說(shuō)的“調(diào)壓”，而是只是改變了送入系統(tǒng)的無(wú)功功率。（2）無(wú)功功率的調(diào)節(jié)　　發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為是與無(wú)限大容量電源的母線運(yùn)行，要改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，感應(yīng)電勢(shì)和定子電流也跟著變化，此時(shí)發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流也跟著變化。圖31 同步發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化向量圖圖中——為功率因數(shù)角；——為發(fā)電機(jī)的功率角。發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁電流的有關(guān)特性如下：（1）電壓的調(diào)節(jié)維持發(fā)電機(jī)的端電壓等于給定值是電力系統(tǒng)調(diào)壓的主要手段之一，在負(fù)荷變化的情況下，要保證發(fā)電機(jī)的端電壓為給定值則必須調(diào)節(jié)勵(lì)磁。圖31 勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖同步發(fā)電機(jī)尤其是大型同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要的影響。 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性與它的空載電動(dòng)勢(shì)值的大小有關(guān)，而的值是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的函數(shù)，改變勵(lì)磁電流就可以影響同步發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性。勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要組成部份，它對(duì)電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)本身的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大的影響。其中勵(lì)磁功率單元是指向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供直流勵(lì)磁電流的勵(lì)磁電源部分，而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則是根據(jù)控制要求的輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元輸出的裝置。尤其是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定極限降低的趨勢(shì)，也促使勵(lì)磁技術(shù)不斷發(fā)展。勵(lì)磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流；而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出。3 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)概述供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的電源及其附屬設(shè)備統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。 小結(jié)本章通過(guò)介紹同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型、工作原理等知識(shí)，做了發(fā)電機(jī)的空載實(shí)驗(yàn)。)。 gtext(39。n=1350r/pm39。)。gtext(39。P(KW)39。)。)xlabel(39。)grid ontitle(39。,x3,y3,39。,x2,y2,39。plot(x1,y1,39。x3=[ ]。x2=[ 2 ]。x1=[ ]?？驁D如下：圖25 負(fù)載試驗(yàn)框圖 實(shí)驗(yàn)時(shí)首先確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后測(cè)量勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流以及向電網(wǎng)輸送的功率和電流，然后繪制負(fù)載特性曲線。圖24 空載特性曲線經(jīng)比較與理論圖形一致，證明實(shí)驗(yàn)無(wú)誤。U0(V)39。)。 grid on xlabel(39。n=1200r/pm39。)。 gtext(39。n=750r/pm39。發(fā)電機(jī)空載特性曲線39。)。,x1,y3,39。,x1,y2,39。 plot(x1,y1,39。 y2=[160 223 256 268 283 292 298 304 306 312 312 313]。 x1=[ ]。 圖23 同步發(fā)電機(jī)的空載特性曲線 空載特性的測(cè)定首先確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速（）然后加勵(lì)磁電壓，并且逐漸增加勵(lì)磁電壓幅值，同時(shí)記錄勵(lì)磁電流和同步發(fā)電機(jī)輸出電壓。所有諧波磁通均被歸屬為漏磁通。基波主磁通之外的所有諧波成分和勵(lì)磁磁場(chǎng)