畢業(yè)論文---永磁風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變器的設計與仿真

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）.</b></p><p>　　題 目永磁風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變器的設計與仿真</p><p>　　系 別 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　永磁風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變器的設計與仿真</p><p><b>　　摘 要&

3、lt;/b></p><p>　　大型風力發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電是高效、大規(guī)模利用風能最經(jīng)濟的方式．已成為當世界風能利用的主要形式。對當前各種類型風力發(fā)電機組并網(wǎng)方案工作過程及優(yōu)缺點進行綜述和分析，指出隨著風電機組容量的增大．并網(wǎng)瞬間的沖擊電流也越來越大．對電網(wǎng)運行穩(wěn)定性的影響也越來越大，因此如何改進現(xiàn)有的各種并網(wǎng)技術、減少對電網(wǎng)的沖擊是迫切需要解決的問題。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的控制技術是關鍵，其負載是無窮大

4、的電網(wǎng)，其電能形式為三相交流電。在本論文中主要對風力發(fā)電并網(wǎng)逆變電路進行了研究。在理論分析的基礎上對PMW逆變電路進行仿真，結果證明理論是正確的。</p><p>　　關鍵詞：風力發(fā)電機并網(wǎng)；PMW逆變器；仿真</p><p>　　The Design and Simulation of Grid-Connected Inverterfor Permanet Magnet Wind Tur

5、bine Generator</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Large wind turbines for power generation is highly efficient, large-scale use of wind energy the most economical way. When the world&

6、#39;s wind energy has become the main form. Various types of wind turbines on the current grid work of the program and the advantages and disadvantages of the process of review and analysis, noting that with the increase

7、 of wind turbine capacity. And the moment of the impact of current is also growing. On the stability of power grid is also growing, so how to improve t</p><p>　　Keywords: Wind Generator; PMW inverter; simula

8、tion</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p>　　第一章 風力發(fā)電的原理2</p><p>　　1.1 風力發(fā)電簡介2</p><p>　　1.2 風力發(fā)電市場的現(xiàn)狀和前景2</p>

9、<p>　　1.3 風力發(fā)電機組的基本結構和工作原理3</p><p>　　1.4 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本結構和工作原理5</p><p>　　1.4.1 恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)6</p><p>　　1.4.2 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)6</p><p>　　第二章 風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行方式分析9</p><p

10、>　　2.1 風力發(fā)電機組類型9</p><p>　　2.1.1 異步風力發(fā)電機9</p><p>　　2.1.2雙饋異步風力發(fā)電機9</p><p>　　2.1.3 直驅式交流永磁同步發(fā)電機9</p><p>　　2.1.4 高壓同步發(fā)電機9</p><p>　　2.2 風力發(fā)電機組并網(wǎng)條件10&l

11、t;/p><p>　　2.3風力發(fā)電機的并網(wǎng)方式分析10</p><p>　　2.3.1 異步發(fā)電機組的并網(wǎng)10</p><p>　　2.3.2 同步發(fā)電機組的并網(wǎng)12</p><p>　　2.3.3風力發(fā)電機的并網(wǎng)方式的選擇13</p><p>　　第三章 風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變電路的研究與設計14</p&g

12、t;<p>　　3.1 風力發(fā)電機變流方案的確定14</p><p>　　3.1.1 風力發(fā)電機變流方案概述14</p><p>　　3.1.2風力發(fā)電機變流方案確定16</p><p>　　3.2 風力并網(wǎng)逆變電路研究17</p><p>　　3.2.1 逆變電路的分類17</p><p>　

13、　3.2.2 電壓型并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)分析17</p><p>　　3.2.4電流型和電壓型逆變電路比較與選擇23</p><p>　　3.3 風力發(fā)電并網(wǎng)逆變電路的設計24</p><p>　　3.3.1 三電平逆變電路24</p><p>　　3.3.2 二極管箝位型的三電平逆變電路25</p><p>　

14、　3.3.3二極管箝位型三電平逆變技術27</p><p>　　3.4 控制脈沖的設計29</p><p>　　第四章 基于MATLAB的SIMULINK仿真初探32</p><p>　　4.1 MATLAB仿真軟件綜述32</p><p>　　4.1.1 MATLAB介紹32</p><p>　　4.1.2

15、 MATLAB仿真工具SIMULINK33</p><p>　　4.1.3 Power System Blocksets的功能、特點及應用33</p><p>　　4.1.4幾種常用的電力電子仿真軟件的特點比較34</p><p>　　4.2 利用MATLAB進行仿真的意義34</p><p>　　4.3系統(tǒng)器件舉例35</p

16、><p>　　4.3.1門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor -GTO）35</p><p>　　4.3.2電力晶體管（Giant Transistor-GTR，直譯為巨型晶體管）36</p><p>　　4.3.3電力場效應晶體管37</p><p>　　4.3.4絕緣柵雙極晶體管38</p>

17、<p>　　4.4系統(tǒng)仿真舉例40</p><p>　　4.4.1半橋逆變電路的仿真41</p><p>　　4.4.2全橋逆變電路的仿真42</p><p>　　4.4.3三相三電平逆變電路的仿真43</p><p><b>　　結論46</b></p><p><b&

18、gt;　　參考文獻47</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　隨著能源與環(huán)境的壓力增加，清潔可再生新能源近年受到普遍重視。在各類綠色能源中，在發(fā)展低碳經(jīng)濟，創(chuàng)新低碳技術，改變生活方式，最大限度減少環(huán)境的溫室氣體排放，徹底擺脫以往大量生產(chǎn)、大量消費和大量廢棄的社會經(jīng)濟運行模式，形成結構優(yōu)化、循環(huán)利用、節(jié)能高效的經(jīng)濟體系，形

19、成健康、節(jié)約、低碳的生活方式和消費模式，最終實現(xiàn)環(huán)境的清潔發(fā)展、高效發(fā)展、低碳發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。建設和發(fā)展低碳經(jīng)濟，可以帶動產(chǎn)業(yè)升級，強化資源利用，控制環(huán)境惡化，緩解生態(tài)壓力，促進人與自然的和諧發(fā)展。</p><p>　　可再生能源經(jīng)濟是發(fā)展低碳經(jīng)濟基本路徑，風能是前景潛力巨大的可再生能源之一，風力發(fā)電技術相對比較成熟，并且最具有大規(guī)模商業(yè)開發(fā)條件、成本相對較低。利用風能發(fā)電日益受到關注并展現(xiàn)出廣闊的成長空間。中

20、國風能豐富，風力發(fā)電裝備制造業(yè)前景光明，但要科學發(fā)展，因應市場，以自主創(chuàng)新增強競爭力。自《中華人民共和國可再生能源法》頒布實施以來，包括太陽能、風能、生物質能等在內的可再生能源利用事業(yè)進入了新的歷史發(fā)展時期。《中華人民共和國可再生能源法》中明確規(guī)定：“國家扶持在電網(wǎng)未覆蓋的地區(qū)建設可再生能源獨立電力系統(tǒng)，為當?shù)厣a(chǎn)和生活提供電力服務?！钡?，這為我國可再生能源利用事業(yè)的進一步發(fā)展指明了方向。</p><p>　　風

21、能作為可再生能源的一種，在中國的儲藏量相當豐富。根據(jù)國家氣象局的資料，中國離地10米高的風能資源總儲量約3226億千瓦，其中可開發(fā)和利用的陸地上風能儲量有253億千瓦，50米高度的風能資源比10米高度多一倍，為5億多千瓦；近海可開發(fā)和利用的風能儲量有75億千瓦。</p><p>　　目前，隨著人們對風力發(fā)電認識的日漸提高和小型風力發(fā)電技術的不斷成熟，其應用領域也越來越廣泛，如：獨立運行的無電地區(qū)電力建設的集中供電

22、系統(tǒng)（村落電站）和戶用系統(tǒng)、電網(wǎng)無法覆蓋地區(qū)的無電村落或用戶的供電、通信基站、高速公路/鐵路監(jiān)控、森林防火等的監(jiān)測站、部隊邊防哨所、航標燈、油田、教學示范等的供電服務。</p><p>　　我國政府為了推動并網(wǎng)風電的商業(yè)化發(fā)展，2003年9月國家發(fā)改委叫確提出我國風電發(fā)展的規(guī)劃目標：2005年全國風電裝機容量達到100萬KW，2010年全國風電裝機容量達到400萬kW，2015年全國風電裝機容量達到1000萬KW

23、，2020年全國風電裝機容量達到2000萬KW，占全國總裝機容量的2％左右。這就意味著在今后5年時問內，每年平均裝機容量需達到近60萬kW，2010～2015年，需達到近120萬KW，2015～2020年，需達到近200萬KW?？梢灶A計，我國即將成為世界風電發(fā)展最令人矚目的國家之一。</p><p>　　第一章 風力發(fā)電的原理</p><p>　　1.1 風力發(fā)電簡介</p>

24、<p>　　現(xiàn)代風力發(fā)電機采用空氣動力學理論，就像飛機的機翼一樣。風并非“推” 東風輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會產(chǎn)生升力，令風輪旋轉并不斷橫切風流。依據(jù)目前的風車技術，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以開始發(fā)電。</p><p>　　風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能變成化學能。然后

25、用有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學能轉變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。</p><p>　　風力發(fā)電機的風輪并不能提取風的所有功率。根據(jù)Betz定律，理論上風電機能夠提取得最大功率， 是風的功率的 59.6% 。大多數(shù)風電機只能提取風的功率的 40% 或者更少。通常人們認為，風力發(fā)電的功率完全由風力發(fā)電機的功率決定，總想選購大一點的風力發(fā)電機，而這是不正確的。目前的風力發(fā)電機只是給電瓶充電，而由電瓶把

26、電能貯存起來，人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關系。功率的大小更主要取決于風量的大小，而不僅是機頭功率的大小。在內地，小的風力發(fā)電機會比大的更合適。因為它更容易被小風量帶動而發(fā)電，持續(xù)不斷的小風，會比一時狂風更能供給較大的能量。當無風時人們還可以正常使用風力帶來的電能，也就是說一臺200W風力發(fā)電機也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用，獲得500W甚至1000W乃至更大的功率出。</p><p>　　1

27、.2 風力發(fā)電市場的現(xiàn)狀和前景</p><p>　　從20世紀70年代開始，聯(lián)網(wǎng)型風力發(fā)電開始商業(yè)化，經(jīng)過80年代和90年代的快速發(fā)展，風力發(fā)電的技術逐漸成熟。由于風力發(fā)電具有環(huán)境保護的獨特優(yōu)勢，隨著發(fā)達國家對二氧化碳減排義務的承諾，風力發(fā)電受到了眾多國家的重視。風力發(fā)電的增長速度驚人，1997年～2000年之間年裝機量平均增長速度達到38％。隨著風力發(fā)電技術日趨成熟，市場規(guī)模不斷擴大，風力發(fā)電的成本效益性能也逐

28、漸改善。在過去的10年中，風電的成本下降了一半。以美國為例，1990年風電的成本為8美分／千瓦時，到2000年時下降到了4美分／千瓦時。</p><p>　　我國風電發(fā)展存在諸多障礙，北京舉辦奧運會，上海申辦世博會，都需要徹底治理環(huán)境，在這一強烈需求下，風力發(fā)電顯示出了巨大的技術價值和市場價值。進入2l世紀，陸地風力發(fā)電機組的主力機型單機容量為2 MW，風輪直徑為60-80 m，近海風力發(fā)電機組的主力機型單機容量

29、多為3 MW以上；大型變速恒頻風力發(fā)電技術已成為主要發(fā)展方向。其中，雙饋型變速恒頻風力機組是目前國際風力發(fā)電市場的主流機型，直驅型風力發(fā)電機組以其固有的優(yōu)勢正日益受到關注(ENERCON公司2006年生產(chǎn)的直驅型風力發(fā)電機組在德國市場銷售量第一)。事實上，從定槳距恒速恒頻機組發(fā)展到變槳距變速恒頻機組，可謂基本實現(xiàn)了風力發(fā)電機組從能夠向電網(wǎng)提供電力到理想地向電網(wǎng)提供電力的最終目標。</p><p>　　2001年以

30、來，全球每年風電裝機容量增長速度為20％～30％，風力發(fā)電已成為世界上增長速度最快的清潔能源。到2008年底，全球風電裝機容量已達1．20億kW，前3位的國家分別是美國、德國、西班牙。</p><p>　　我國的風電發(fā)展主要集中在2003年以后。近年來，顯示出前所未有的發(fā)展勢頭。到2008年底，風電機組總裝機容雖達1215.3萬kW，位列全球第4。隨著我國風電裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，我國的華銳風電、金風科技兩家企業(yè)

31、進入2008年全球大型風電機組制造商前10名。目前，國內風電制造技術發(fā)展呈現(xiàn)的主要特點為：兆瓦級風電機組已成為主流機型；變槳距、變速恒頻技術得到廣泛采用；雙饋異步發(fā)電技術仍占主流；直驅型風電機組發(fā)展迅速。</p><p>　　綜觀世界風力發(fā)電近幾年迅猛發(fā)展的軌跡，呈現(xiàn)出如下發(fā)展趨勢及發(fā)展動態(tài)：</p><p>　　1)大型化；2)定槳距、定速恒頻向變槳距、變速恒頻方向發(fā)展；3)海上專用風電

32、機組研究及近海風電大規(guī)模開發(fā)；4)多級增速齒輪箱傳動向直驅型(無齒輪箱，風輪直接驅動多級發(fā)電機)、半直驅型(風輪經(jīng)單級增速齒輪箱驅動多級發(fā)電機)方向發(fā)展；5)應用全功率變流的并網(wǎng)技術；6)低電壓穿越技術；7)實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)功率優(yōu)化、穩(wěn)定可靠運行的智能控制技術；8)槳葉的空氣動力特性、新材料新工藝應用及控制策略研究；9)風電場遠程監(jiān)控系統(tǒng)及無線網(wǎng)絡技術應用。</p><p>　　1.3 風力發(fā)電機組的基本結構和工

33、作原理</p><p>　　典型的風力發(fā)電機組主要由風輪(包括葉片、輪轂)、(增速)齒輪箱、發(fā)電機、對風裝置(偏航系統(tǒng))、塔架等構成如圖1－1所示。其工作原理為：風以一定的速度和攻角流過槳葉，使風輪獲得旋轉力矩而轉動，風輪通過主軸聯(lián)接齒輪箱，經(jīng)齒輪箱增速后帶動發(fā)電機發(fā)電。</p><p>　　圖1－1 風力發(fā)電機組結構示意圖(上風向、水平軸式)</p><p>　　

34、由于風力發(fā)電機組頻繁起停，風輪轉動慣量又很大(大型風力發(fā)電機組的單個葉片重達數(shù)噸)，故風輪的轉速設計值較低，通常為20一30 r／min(機組容量越大，轉速越低)；另一方面，為了限制發(fā)電機的體積和重量，其極對數(shù)較少，故在風輪與發(fā)電機間通常設置增速齒輪箱，將風輪輸入的較低轉速增速到1 000～1 500 r／min以滿足發(fā)電機所需。</p><p>　　風力機按風輪主軸的方向分為水平軸、垂直軸兩大類；對水平軸風力機

35、，需要風輪保持迎風狀態(tài)，根據(jù)風輪是在塔架前還是在塔架后迎風旋轉分為上風向和下風向兩類。現(xiàn)代風力發(fā)電機組大多數(shù)采用上風向(風輪在塔架前面迎著風向旋轉)、水平軸式(風輪的旋轉平面與風向垂直、旋轉軸與地面平行)、3葉片，且在大型機組中采用變槳距風輪，即槳葉與輪轂不象傳統(tǒng)的定槳距失速型那樣采用剛性聯(lián)接，而是通過可轉動的推力軸承或回轉支撐聯(lián)接，以使葉片攻角可隨風速變化進行調整從而對風輪進行調速(限速)。</p><p>　

36、　偏航系統(tǒng)是上風向水平軸式風力機風輪始終保持迎風狀態(tài)及提供安全運行所需鎖緊力矩的特有伺服系統(tǒng)，其通過驅動機艙圍繞塔架的垂直軸轉動以使風輪主軸保持與穩(wěn)定的風向一致；另外，當因偏航動作導致機艙內引出電纜扭絞時，偏航系統(tǒng)應能自動解除扭絞。</p><p>　　風力發(fā)電機組中的發(fā)電機一般為異步發(fā)電機(包括籠型、繞線型)或同步發(fā)電機(包括永磁、電勵磁)，采用何種形式的發(fā)電機主要取決于風力發(fā)電系統(tǒng)的形式。根據(jù)風力機的基礎理論

37、，風力機從自然風中捕獲風能所獲得的機械功率為</p><p>　　式中：——機械功率，W；</p><p>　　——空氣密度，kg／；</p><p>　　——距離風機一定距離的上游風速，m／s；</p><p>　　——風輪的掃風面積，；</p><p><b>　　——風能利用系數(shù)。</b>&

38、lt;/p><p>　　風能利用系數(shù)是體現(xiàn)風輪氣動特性優(yōu)劣的主要參數(shù)，其是葉尖速比和槳葉槳距角的非線性函數(shù)，而葉尖速比為風輪葉片葉尖的線速度與風速之比，即</p><p>　　式中：——風輪的轉速，r／rain；</p><p>　　——風輪的角速度，rad／s；</p><p>　　——風輪的半徑，m；</p><p>

39、　　——上游風速，m／s。</p><p>　　圖1－2和圖1－3分別為基于某定槳距風力機四參數(shù)模型、某變槳距風力機七參數(shù)模型的一線.</p><p>　　圖1－2表明，當槳距角保持不變時，風能利用系數(shù)只在對應最佳葉尖速比叫點處獲得最大值。顯然，在不同的風速下，若通過調節(jié)風輪的轉速使其葉尖速比＝，則可維持風力機在最大風能利用率下運行，這正是變速風力發(fā)電機組轉速控制的基本目標。</p&

40、gt;<p>　　圖1－3表明，同一葉尖速比下，不同的槳距角對應不同的風能利用系數(shù)，因此，通過改變槳距角可控制風力發(fā)電機組的功率。事實上，與功率輸出完全依靠槳葉氣動性能的定槳距風電機組相比，槳距角可控制的變槳距風電機組具有如下優(yōu)勢：在額定功率點以上輸出功率平穩(wěn)；在額定點風能利用系數(shù)較高；可保證在高風速段輸出額定功率；優(yōu)良的起動、制動性能。</p><p>　　圖1－2 定槳距風力機一曲線</p

41、><p>　　圖1－3 變槳距風力機一曲線</p><p>　　1.4 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本結構和工作原理</p><p>　　風力發(fā)電系統(tǒng)從形式上有離網(wǎng)型、并網(wǎng)型。離網(wǎng)型的單機容量小(約為0．1～5 kW，一般不超過10 kW)，主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲能裝置獨立運行；并網(wǎng)型的單機容量大(可達MW級)，且由多臺風電機組構成風力發(fā)電機群(風電場)集中向電網(wǎng)輸送電

42、能。另外，中型風力發(fā)電機組(幾十kW到幾百kW)可并網(wǎng)運行，也可與其它能源發(fā)電方式相結合(如風電一水電互補、風電一柴油機組發(fā)電聯(lián)合)形成微電網(wǎng)。并網(wǎng)型風力發(fā)電的頻率應保持恒等于電網(wǎng)頻率，按其發(fā)電機運行方式可分為恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)兩大類。</p><p>　　1.4.1 恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中主要采用三相同步發(fā)電機(運行于由電

43、機極對數(shù)和頻率所決定的同步轉速)、鼠籠式異步發(fā)電機(SCIG)。且在定槳距并網(wǎng)型風電機組中，一般采用SCIG，通過定槳距失速控制的風輪使其在略高于同步轉速的轉速(一般在(1～1．05)n)之間穩(wěn)定發(fā)電運行。如圖1－4所示采用SCIG的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖，由于SCIG在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時，需從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率以建立轉速為的旋轉磁場，這加重了電網(wǎng)無功功率的負擔、導致電網(wǎng)功率因數(shù)下降，為此在SCIG機組與電網(wǎng)之間設置合

44、適容量的并聯(lián)電容器組以補償無功。在整個運行風速范圍內(3 m／s <<25 m／s),氣流的速度是不斷變化的，為了提高中低風速運行時的效率，定槳距風力發(fā)電機普遍采用三相(籠型)異步雙速發(fā)電機，分別設計成4極和6極，其典型代表是NEGMICON 750 kW機組。</p><p>　　圖1－4 采用SCIG的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)具有電機結

45、構簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點，其主要缺點為：運行范圍窄；不能充分利用風能(其風能利用系數(shù)不可能保持在最大值)；風速躍升時會導致主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件承受很大的機械應力。</p><p>　　1.4.2 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　為了克服恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的缺點，20世紀90年代中期，基于變槳距技術的各種變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)開始進入市場，其主要特點為：低于額定風速時，

46、調節(jié)發(fā)電機轉矩使轉速跟隨風速變化，使風輪的葉尖速比保持在最佳值，維持風電機組在最大風能利用率下運行；高于額定風速時，調節(jié)槳距以限制風力機吸收的功率不超過最大值；恒頻電能的獲得是通過發(fā)電機與電力電子變換裝置相結合實現(xiàn)的。目前，變速恒頻風電機組主要采用繞線轉子雙饋異步發(fā)電機，低速同步發(fā)電機直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)亦受到廣泛重視。</p><p>　　（1）基于繞線轉子雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)</p>

47、<p>　　繞線轉子雙饋異步發(fā)電機(DFIG)的轉子側通過集電環(huán)和電刷加入交流勵磁，既可輸入電能也可輸出電能。圖5為基于繞線轉子雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖，其中，DFIG的轉子繞組通過可逆變換器與電網(wǎng)相連，通過控制轉子勵磁電流的頻率實現(xiàn)寬范圍變速恒頻發(fā)電運行，其工作原理為：轉子通入三相低頻勵磁電流形成低速旋轉磁場，該磁場的旋轉速度與轉子機械轉速相疊加，等于定子的同步轉速，即</p><

48、;p><b>　　=</b></p><p>　　從而在DFIG定子繞組中感應出相應于同步轉速的工頻電壓。當發(fā)電機轉速隨風速變化而變化時(一般的變化范圍為的30％，可雙向調節(jié))，調節(jié)轉子勵磁電流的頻率即可調節(jié)以補償?shù)淖兓?，保持輸出電能頻率恒定。</p><p>　　圖1－5所示變速恒頻方案由于是在轉子電路中實現(xiàn)的而流過轉子電路的功率是由DFIG轉速運行范圍所決定

49、的轉差功率，一般只為額定功率的1／4—1／3，故顯著降低了變換器的容量、成本。此外，調節(jié)轉子勵磁電流的有功、無功分量，可獨立調節(jié)發(fā)電機的有功、無功功率，以調節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)、補償電網(wǎng)的無功需求。事實上，由于DFIG轉子采用了可調節(jié)頻率、幅值、相位的交流勵磁，發(fā)電機和電力系統(tǒng)構成了“柔性連接”。德國Dewind公司生產(chǎn)的D6型機組(其額定功率為1 250 kW，起動、額定、切出風速分別為2．5 m／s，13 m／s，28 m／s)是采用這

50、種變速恒頻方案的典型產(chǎn)品。</p><p>　　圖1－5基于DFIG的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　?。?）基于低速同步發(fā)電機的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)中，風輪與永磁式(或電勵磁式)同步發(fā)電機直接連接，省去了常用的升速齒輪箱。圖6為永磁直驅型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖，風能通過風機和永磁同步發(fā)電機(PMSG)轉換為PM

51、SG定子繞組中頻率、幅值變化的交流電，輸入到全功率變換器中(其通常采用可控PWM整流或不控整流后接DC／AC變換)，先經(jīng)整流為直流，然后經(jīng)三相逆變器變換為三相工頻交流電輸出。該系統(tǒng)通過定子側的全功率變換器對系統(tǒng)的有功、無功功率進行控制，并控制發(fā)電機的電磁轉矩以調節(jié)風輪轉速，實現(xiàn)最大功率跟蹤。與基于DFIG的風力發(fā)電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可在較寬的轉速范圍內并網(wǎng)，但其全功率變換器的容量較大。與帶齒輪箱的風力發(fā)電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)提高了效率與可靠性

52、、降低了運行噪聲，但發(fā)電機轉速低，為獲得一定的功率，發(fā)電機應具備較大的電磁轉矩，故其體積大、成本高。</p><p>　　圖6永磁直驅型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　第二章 風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行方式分析</p><p>　　隨著風力發(fā)電機組容量的增大．并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊越來越大。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

53、架、槳葉及增速器等)造成損壞。如果并網(wǎng)沖擊時間過長，還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機組的正常運行。因此風力發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)時，對風電的電壓幅值、相位和相序與電網(wǎng)電壓都有嚴格要求，并且還需要對并網(wǎng)逆變技術進行研究。</p><p>　　2.1 風力發(fā)電機組類型</p><p>　　分析風力發(fā)電機組的并網(wǎng)方式，首先要考慮風電場所選風力發(fā)電機的類型。不同的風力發(fā)電機組其工作原理不相同，因此并網(wǎng)反

54、方式也有所差異。目前國內風電場選用的機型主要有4種，每種機型各有不同。</p><p>　　2.1.1 異步風力發(fā)電機</p><p>　　在國內已運行的風電場大部分機組是風力發(fā)電機。主要特點是結構簡單，運行可靠，價格較便宜，此種發(fā)電機為定速恒頻機組。運行中轉速基本不變，風力發(fā)電機組運行在風能轉換最佳狀態(tài)下的幾率比較小，因而，發(fā)電能力比新型機組低。同時，運行中需要從電力系統(tǒng)中吸收無功功率。

55、為滿足電網(wǎng)對風電場功率因數(shù)的要求，采用在機端并聯(lián)補償電容器，其補償策略是異步發(fā)電機配有若干組固定容量電容器。</p><p>　　由于風速大小隨機變化，驅動異步發(fā)電機的風力機不可能經(jīng)常在額定風速下運轉，為了充分利用低風速時的風能，增加全年發(fā)電量，近年廣泛應用雙速異步發(fā)電機。此種電機可以改變極對數(shù)，有大﹑小電機2種運行方式，采用4極或6極電機，運行速度為1500r/min或1000r/min。</p>

56、<p>　　2.1.2雙饋異步風力發(fā)電機</p><p>　　在現(xiàn)代兆瓦級以上的大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組選用雙饋異步風力發(fā)電機，實現(xiàn)風力機葉片槳距調節(jié)及變速運行，此種機型稱為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。由于風力機變速運行，其運行速度能在一個較寬的范圍內調節(jié)到風力機的最優(yōu)化效率數(shù)值，使風機風能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化，獲得較高的系統(tǒng)效率；可以實現(xiàn)發(fā)電機較平滑的電功率輸出，達到優(yōu)化系統(tǒng)內的電網(wǎng)質量，減少發(fā)電機溫度變化，發(fā)電

57、機本身不需要另外附加無功補償設備，可實現(xiàn)功率因素一定范圍內的調節(jié)，例如功率因素從0.95領先到0.95滯后范圍內，因而具有調節(jié)無功功率出力的能力，實現(xiàn)幾個相同的獨立運行機組的并聯(lián)運行。</p><p>　　2.1.3 直驅式交流永磁同步發(fā)電機</p><p>　　大型風電機組實際運行經(jīng)驗中，齒輪箱是故障率較高部件。采用無齒輪箱結構則避免了這種故障的出現(xiàn)，可以大大提高風電機組的可靠性，降低風

58、電機組載荷，提高風力機組壽命。目前我國部分風電場使用直接驅動永磁式同步發(fā)電機，運行時全部功率經(jīng)A-D-A變換，接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行。與其他機型比較，需考慮諧波治理問題。</p><p>　　2.1.4 高壓同步發(fā)電機</p><p>　　此類發(fā)電機是將同步發(fā)電機的輸出端電壓提高到10－20KV，甚至高達40KV以上，可以不用變壓器而直接與電網(wǎng)連接。由于不用增加齒輪箱，以低速運轉，減少了齒輪

59、箱運行時的能量損耗，同時由于省去了一臺升壓變壓器，免除了變壓器運行的損耗，效率可提高5％左右。但由于使用大量的永磁材料，對用詞材料的性能穩(wěn)定性要求高。</p><p>　　2.2 風力發(fā)電機組并網(wǎng)條件</p><p>　　風力發(fā)電機的并網(wǎng)直接影響到風力發(fā)電機能否向輸電電網(wǎng)輸送電能以及機組是否受到并網(wǎng)時沖擊電流的影響，為了使發(fā)電機能并網(wǎng)發(fā)電．必須滿足以下條件：</p><

60、p>　?。?）發(fā)電機發(fā)出電源的相序與電網(wǎng)匯流排相序相同。否則，不但發(fā)電機不能進入同步，而且會產(chǎn)生很大的拍振電流．使發(fā)電機繞組承受過大的電動力，使線圈變形絕緣短路。</p><p>　?。?）發(fā)電機的電壓有效值與電網(wǎng)匯流排的電壓有效值相等或接近相等(電壓差<10％)．否則，而由于電位差而產(chǎn)生內部無功環(huán)流．生成很大的電磁沖出力。</p><p>　?。?）發(fā)電機的頻率應與電力系統(tǒng)電

61、源的頻率基本相同等(頻率差不能超過0.5一lHz)．否則會因為拍振電流和拍振電壓的有功分量在發(fā)電機軸上產(chǎn)生力矩．使發(fā)電機產(chǎn)生機械振動．造成機組損壞。</p><p>　?。?）發(fā)電機的電壓相位與電力系統(tǒng)電源的電壓相位相等(相位差<10)，否則將產(chǎn)生有功和無功電流沖擊，使發(fā)電機燒毀。</p><p>　　（5）波形相同，發(fā)電機和電網(wǎng)同樣是正弦波波形。</p><p&

62、gt;　　2.3風力發(fā)電機的并網(wǎng)方式分析</p><p>　　隨著風電裝機容量的增大，尤其在大量新型風力發(fā)電機組開始投入運行后，風力發(fā)電已經(jīng)在電網(wǎng)中占有了一定的比重，它的運行狀況直接關系到整個電網(wǎng)的安全性和可靠性。為了更加安全、充分的利用風力資源，迫切需要深入研究大規(guī)模風電場并網(wǎng)運行的相關技術問題。</p><p>　　2.3.1 異步發(fā)電機組的并網(wǎng)</p><p>

63、;　　目前國內及國外與電網(wǎng)并聯(lián)運行的風力發(fā)電機組中，多采用異步發(fā)電機．但異步發(fā)電機在并網(wǎng)瞬間會出現(xiàn)較大的沖擊電流(約為異步發(fā)電機額定電流的4～7倍)，并使電網(wǎng)電壓瞬時下降。隨著風力發(fā)電機組單機容量的不斷增大，這種沖擊電流對發(fā)電機自身部件的安壘及對電網(wǎng)的影響也愈加嚴重。過大的沖擊電流，有可能使發(fā)電機與電網(wǎng)連接的主回路中的自動開關斷開，而電網(wǎng)電壓的較大幅度下降，則可能會使電壓保護回路動作，從而導致異步發(fā)電機根本不能并網(wǎng)。</p>

64、<p>　　風力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機并網(wǎng)方式有以下幾種：</p><p><b>　?。?）直接并網(wǎng)</b></p><p>　　選種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同，當風力驅動的異步發(fā)電機轉速接近同步轉速時即可自動并入電網(wǎng)；自動井網(wǎng)的信號由測速裝置給出。而后者通過自動空氣開關臺閘完成并網(wǎng)過程。顯見選種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機的準同步并

65、網(wǎng)簡單。但如上所述．直接并網(wǎng)時會出現(xiàn)較大的沖擊電流及電網(wǎng)電壓的下降，固此這種并網(wǎng)方法只適用于異步發(fā)電機容量在百千瓦級以下或電網(wǎng)容量較大的情況下。中國最早引進的55KW風力發(fā)電機組及自行研制的50KW風力發(fā)電機組都是采用這種方法并網(wǎng)的。</p><p><b>　?。?）降壓并網(wǎng)</b></p><p>　　這種并網(wǎng)方法是在異步電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器，或者接入自

66、耦變壓器，以達到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。因為電阻、電抗器等元件要消耗功率．在發(fā)電機并入電網(wǎng)以后，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)時，必須將其迅速切除，這種并網(wǎng)方法適用于百千瓦級以上，容量較大的機組，顯見選種并網(wǎng)方法的經(jīng)濟性較差，中國引進的200KW異步風力發(fā)電機組，就是采用這種并網(wǎng)方式，并網(wǎng)時發(fā)電機每相繞組與電網(wǎng)之間皆串接有大功率電阻。</p><p>　?。?）準同期并網(wǎng)方式</p>&

67、lt;p>　　與同步發(fā)電機準同步并網(wǎng)方式相同，在轉速接近同步轉速時，先用電容勵磁，建立額定電壓，然后對已勵磁建立的發(fā)電機電壓和頻率進行調節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當發(fā)電機的電壓、頻率、相位與系統(tǒng)一致時，將發(fā)電機投入電網(wǎng)運行。采用這種方式，若按傳統(tǒng)的步驟經(jīng)整步到同步并網(wǎng)，則仍須要高精度的調速器和整步、同期設備，不僅要增加機組的造價，而且從整步到達準同步并網(wǎng)所花費的時間很長，這是我們所不希望的。該并網(wǎng)方式合閘瞬間盡管沖擊電流很小，但必

68、須控制在最大允許的轉矩范圍內運行，以免造成網(wǎng)上飛車。由于它對系統(tǒng)電壓影響極小，所以適合于電網(wǎng)容量比風力發(fā)電機組大不了幾倍的地方使用。</p><p>　?。?）通過可控的晶閘管軟并網(wǎng)</p><p>　　這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機定于與電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙向晶閘管連接起來．三相均有晶閘管控制。接入雙向晶閘管的目的是將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內。其并網(wǎng)過程如下：當風力發(fā)

69、電機組接收到由控制系統(tǒng)內微處理機發(fā)出的啟動命令后，先檢查發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序是否一致，若相序正確，則發(fā)出風力發(fā)電機組開始啟動的命令。當發(fā)電機轉速接近同步轉速時(約為99％～100％同步轉速)，雙向晶閘管的控制角同時由到逐漸同步打開；與此同時，雙向晶閘管的導通角則同時由到逐漸增大，異步發(fā)電機即通過晶閘管平穩(wěn)地并入電網(wǎng)，隨著發(fā)電機轉速繼續(xù)升高，電機的滑差率近新趨于零，當滑差率為零時，并網(wǎng)自動開關動作，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機的輸出電

70、流將不再經(jīng)雙向晶閘管．而是通過已閉合的自動開關直接流入電網(wǎng)。在發(fā)電機并網(wǎng)后，應立即在發(fā)電機端并入補償電容，將發(fā)電機的功率因數(shù)()提高到0.95以上。</p><p>　　這種軟井網(wǎng)方法的特點是通過控制晶閘管的導通角，將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的沖擊電流值限制在規(guī)定的范圍內(一般為1 5倍額定電流以下，從而得到一個平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程。通過晶閘管軟并網(wǎng)方法將風力驅動的異步發(fā)電機并入電網(wǎng)是目前國內外中型及大型風力發(fā)電機組中普遍采

71、用的，中國引進和自行開發(fā)研制生產(chǎn)的250KW 300KW 600KW的并網(wǎng)型異步風力發(fā)電機組，都是采用這種并網(wǎng)技術。</p><p>　　風力發(fā)電系統(tǒng)中常見的幾種異步發(fā)電機的并網(wǎng)</p><p>　?。?）雙速異步發(fā)電機的并網(wǎng)</p><p>　　目前在與電網(wǎng)運行的風力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風能的隨機性，風速的大小經(jīng)常變化，為滿足風速的變化，充分利用低速時的風能，增加全年

72、的發(fā)電量，近年來廣泛采用雙速異步發(fā)電機。其并網(wǎng)方法是當風速傳感器測量的風速達到啟動風速，(一般為3.0～4 .0m／s)以上，并連續(xù)維持達5—10min時，控制系統(tǒng)計算機發(fā)出啟動信號，風力機開始啟動．此時發(fā)電機被切換到小容量低速繞組。根據(jù)預定的啟動電流．當轉速接近同步轉速時，通過晶閘管接入電網(wǎng)，異步發(fā)電機進入低功率發(fā)電狀志。若風速傳感器測量的1min平均風速遠超過啟動風速，則風力機啟動后，發(fā)電機被切換到大容量高速繞組，當發(fā)電機轉速接近同

73、步轉速時，根據(jù)預定的啟動電流．通過晶閘管接入電網(wǎng)，異步發(fā)電機進入高功率發(fā)電狀志。</p><p>　?。?）雙饋異步發(fā)電機的并網(wǎng)</p><p>　　應用具有繞線轉子的雙饋異步發(fā)電機與電力電子技術的IGBT變頻器及PWM控制技術結合起來，實現(xiàn)變速運行的風力發(fā)電機組發(fā)出恒頻恒壓的電能，并與電網(wǎng)連接。其并網(wǎng)方法為雙饋發(fā)電機定子三相繞組直接與電網(wǎng)相聯(lián)．轉干繞組經(jīng)交—交循環(huán)變流器聯(lián)入電網(wǎng)。這種系統(tǒng)

74、并網(wǎng)運行的特點如下：</p><p>　　1）風力機啟動后帶動發(fā)電機至接近同步轉速時，由循環(huán)變流器控制進行電壓匹配，同步和相位控制，以便迅速地并入電網(wǎng)，并網(wǎng)時基本上無電流沖擊。對于無初始起動轉矩的風力發(fā)電機組“如達里厄型風力發(fā)電機組)．風力發(fā)電機組在靜止狀．可由雙饋電機運行于電動機工況形勢下的啟動實現(xiàn)。</p><p>　　2）風力發(fā)電機的轉速可隨風負載的變化及時做出相應口調整，使風力發(fā)電

75、機組以最佳葉尖速比運行，產(chǎn)生最大的電能輸出。</p><p>　　3）雙饋發(fā)電機里勵磁可調量有3個：勵磁電流的頻率，幅值和相位。調節(jié)勵磁電流的頻率，保證發(fā)電機在變速運行的情況下發(fā)出恒定頻率的電力；通過改變勵磁電流的幅值和相位，可達到調節(jié)輸出有功功率和無功功率的目的。當轉子電流相位改變時。由轉子電流產(chǎn)生的轉子磁場在電機氣隙空間的位置有一個位移，從而改變了雙饋電機定子電動勢與電網(wǎng)電壓向量的相對位置．也即改變了電機的功

76、率角，所以．調節(jié)勵磁不僅可以調節(jié)無功功率．也可以調節(jié)有功功率。</p><p>　　2.3.2 同步發(fā)電機組的并網(wǎng)</p><p>　　同步發(fā)電機在運行的時，由于它既能輸出有功功率，又能提供無功功率，周波穩(wěn)定，電能質量高，已被電力系統(tǒng)廣泛應用。然而，把它移植到風力發(fā)電機組上使用卻不甚理想，這是由于風速時大時小，隨機變化，作用在轉子上的轉矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時其調速性能很難達到同步發(fā)電機所要求的

77、精度，并網(wǎng)后若不進行有效地控制，常會發(fā)生無功振蕩與失步等問題，在重載下尤為嚴重，這就是相當長的時間內，國內外風力發(fā)電機組很少采用同步發(fā)電機的原因。但近年來隨著電力電子技術的發(fā)展，通常在同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間采用變頻裝置，從技術上解決了這些問題，采用同步發(fā)電機的方案又引起了人們的重視。</p><p>　　同步發(fā)電機常用的并網(wǎng)方式有：</p><p>　?。?）準同期并網(wǎng)方式</p>

78、;<p>　　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、兩塊頻率表以及同期表和非同期指示燈來監(jiān)視。</p><p>　?。?）自同期并網(wǎng)方式</p><p>　　自同期并列操作是將一臺未加勵磁電流的發(fā)電機組升速到接近于電網(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

79、路器開關接著合上勵磁開關，給轉子上加勵磁電流，在發(fā)電機電動勢逐漸增長的過程中由系統(tǒng)將發(fā)電機拉入同步運行。</p><p>　　風力發(fā)電系統(tǒng)中常見的幾種同步發(fā)電機的并網(wǎng)：</p><p>　　（1）同步發(fā)電機的并網(wǎng)</p><p>　　同步發(fā)電機的并網(wǎng)由風力機驅動同步發(fā)電機經(jīng)變頻裝置與電網(wǎng)并聯(lián)．這種系統(tǒng)并聯(lián)運行的特點如下：</p><p>　　

80、1）由于采用頻率變換裝置進行輸出控制，因此并網(wǎng)時沒有電流沖擊，對系統(tǒng)幾乎沒有影響。</p><p>　　2）為采用交一直一交轉換方式，同步發(fā)電機組工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨立的．風輪及其發(fā)電機的轉速可以變化，不必擔心發(fā)生同步發(fā)電機直接井網(wǎng)運行可能出現(xiàn)的失步問題。</p><p>　　3）由于頻率變換裝置采用靜態(tài)自勵式逆變，雖然可以調節(jié)無功功率，但是有高頻電流流向器電網(wǎng)。</p>

81、<p>　　4）在風電系統(tǒng)中使用阻抗匹配和功率跟蹤反饋來調節(jié)輸出負荷，可使風力發(fā)電機組按最佳效率運行，向電網(wǎng)輸送更多的電能。</p><p>　?。?）直驅交流永磁同步發(fā)電機組的并網(wǎng)</p><p>　　由風力機直接驅動低速交流發(fā)電機，通過工作速度快．驅動功率小、導通壓降低的IGBT逆變器井網(wǎng)。這種系統(tǒng)并聯(lián)運行的特點如下：</p><p>　　1）由于

82、不采用齒輪箱，機組水平軸向的長度大夫減小，電能生產(chǎn)的機械傳動路徑縮短，避免了因齒輪箱旋轉而產(chǎn)生的損耗，噪音等。</p><p>　　2）由于發(fā)電機具有大的表面，散熱條件更有利，使發(fā)電機運行時的溫升減低．減小發(fā)電機溫升的起伏。</p><p>　　2.3.3風力發(fā)電機的并網(wǎng)方式的選擇</p><p>　　并網(wǎng)運行是目前風力發(fā)電的主要形式．各種并網(wǎng)方案有其自身的優(yōu)缺點。

83、隨著風力發(fā)電機組容量的增大．存并網(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，還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機組的正常運行。因此根據(jù)本設計所給資料和以上情況分析可得選擇直驅交流永磁低速同步發(fā)電機比較合理，由風力機直接驅動低速交流發(fā)電機通過工作速度快，驅動功率小，導通壓降的IGBT逆變器并網(wǎng)。通過交－直－交轉換方式后，使隨風速變

84、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)方式降風力發(fā)電機并入電網(wǎng)。</p><p>　　圖2－1 直驅并網(wǎng)結構圖</p><p>　　第三章 風力發(fā)電機并網(wǎng)逆變電路的研究與設計</p><p>　　本章從各方面研究了風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電路結構。對于本論文來說，逆變器的負載是無窮大的電網(wǎng)，其電能形勢為三相交流電。</p><p>　

85、　3.1 風力發(fā)電機變流方案的確定</p><p>　　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將風電送入電網(wǎng)。為了改進風力發(fā)電機發(fā)電系統(tǒng)的運行性能，近年來發(fā)展了基于交-直-交變流器的變速風力發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　交-直-交變速風力發(fā)電系統(tǒng)，整流器和逆變器分別采用PWM整流器及基于全控型器件的PWM逆變器。

86、為了解決在低風速時整流以后的電壓幅值過低、頻率變化太快、直流紋波較大、電壓尖刺等問題，在整流器與逆變器之間加入了直流環(huán)節(jié)部分，該環(huán)節(jié)具有升壓和穩(wěn)壓功能。逆變器將直流轉換成適合并網(wǎng)的交流后再通過變壓器或直接并入電網(wǎng)。</p><p>　　這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時沒有電流沖擊；可調解無功功率。永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)是這種類型中最有優(yōu)勢的一種，可以做到風力機與發(fā)電機的直接耦合，省去變速箱，由此可以提高可靠性，減小系統(tǒng)噪聲，降低維護

87、成本。</p><p>　　3.1.1 風力發(fā)電機變流方案概述</p><p>　?。?）不可控整流＋Boost＋逆變方案</p><p>　　最典型的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)的主電路拓撲一般為：風力機與永磁同步發(fā)電機直接連接，將風能轉化為頻率變化,幅值變化的交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過Boost電路升壓后，再經(jīng)過三項逆變器變換為三相恒幅交流電連接到電網(wǎng)。通過中間

88、電力電子變化環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)有功功率和無功功率進行控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤，最大效率利用風能。主電路拓撲如圖3－1所示。</p><p>　　圖3－1 直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲</p><p>　　圖3－1中的DC-DC變流器為Boost電路。Boost主電路邊一般由不可控整流電路，電感，開關管和濾波電容組成。其輸入側有儲能電感，可以減小輸入電流紋波，防止電網(wǎng)對主電路的高頻瞬態(tài)沖擊，對整流器呈現(xiàn)電

89、流源負載特性；其輸出側有濾波電容，可以減小輸入電流紋波，對負載呈現(xiàn)電壓源特性。利用Boost電路在斬波的同時，還實現(xiàn)功率因數(shù)校正的目標，包括如下兩個方面：a控制電感電流，使輸入電流正弦化，保證其功率因數(shù)接近1，并使輸入電流基波跟隨輸入電壓相位。b當風速變化時，不可控整流得到的電壓也在變化，而通過DC-DC變流器的調節(jié)可以保持直流側電壓的穩(wěn)定，使輸出電壓保持恒定。這是目前常用的一種拓撲，在小功率和兆瓦級直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)中均有應用。國外風

90、力發(fā)電公司ENERCON的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)E82（2MW），國內合肥陽光電源有限公司的小型并網(wǎng)風力機變流器WG100K3（100kW）都使用這種拓撲。</p><p>　?。?）雙PWM背靠背方案</p><p>　　圖3－2是雙PWM背靠背變流器拓撲的結構圖，發(fā)電機定子通過背靠背變流器和電網(wǎng)連接。發(fā)電機側PWM變流器通過調節(jié)定子側的d軸和q軸電流，控制發(fā)電機的電磁轉矩和定子的無功功率（

91、無功功率設定值為0），使發(fā)電機運行在變速恒頻狀態(tài)，額定風速以下具有最大風能捕獲功能；網(wǎng)側PWM變流器通過調節(jié)網(wǎng)側的d軸和q軸電流，保持直流側電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制，控制流向電網(wǎng)的無功功率，通常運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。此外網(wǎng)側變流器還要保證變流器輸出的THD盡可能小，以提高注入電網(wǎng)的電能質量。</p><p>　　圖3-2 背靠背雙PWM變流器結構</p><p>　　

92、背靠背雙PWM變流器結構是目前直驅風力發(fā)電系統(tǒng)中較常見的一種拓撲，國內外對其研究較多，主要集中在變流器建模，控制算法以及如何提高其故障穿越能力等方面。國內九洲電氣股份有限公司的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)用兆瓦級功率變流器WindinvertTM-A（最大2MW）和合肥陽光電源有限公司的全功率風力發(fā)電機組用變流器如WG2000FP(2MW)即使用這種結構。這種拓撲的通用性較強，雙PWM變流器的主電路完全一致，控制電路和控制算法也非常相似；兩側變流

93、器都使用基于DSP的數(shù)字化控制，采用矢量控制，控制方法靈活，具有四象限運行功能，可以實現(xiàn)對發(fā)電機調速和輸送到電網(wǎng)電能的優(yōu)良控制。</p><p>　　和圖3－3電路的比較可以發(fā)現(xiàn)，圖3－1的Boost電路是三級變換，雙PWM變流器是兩級變換，因而效率更高，但是全控型器件數(shù)量更多，同時發(fā)電機側變流器矢量控制通常需要檢測發(fā)電機轉速等信息，控制電路較復雜，因而具有相對較高的成本；圖3－3所示電路采用不可控整流＋Boos

94、t電路構成整流器，控制簡單，實現(xiàn)相對容易，可靠性高，方便實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機（PMSG）的無速度傳感器控制，從而節(jié)約成本。綜合性能，成本等因素，這兩種拓撲各有優(yōu)缺點，目前使用都比較多。</p><p>　　雙PWM背靠背方案在雙饋型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中應用也十分廣泛，在雙饋發(fā)電機的轉子中施加轉差頻率的電流（或電壓）進行勵磁，調節(jié)勵磁電壓的幅值、頻率和相位，便實現(xiàn)定子恒頻恒壓輸出。其轉子由背靠背雙PWM變流器進行勵

95、磁，轉子側變流器向轉子繞組饋入所需的勵磁電流，完成定子磁鏈定向矢量控制任務，實現(xiàn)最大風能捕獲和定子輸出無功功率的調節(jié)。當發(fā)電機亞同步速運行時，往轉子中饋入能量，作逆變器運行；當發(fā)電機超同步速運行時，從轉子中吸收能量，作整流器運行，并通過網(wǎng)側變流器將能量回饋到電網(wǎng)；當發(fā)電機以同步速運行時，向轉子饋入直流勵磁電流，實際作斬波器運行。網(wǎng)側變流器運行模式與此類似，配合轉子側變流器的運行，實現(xiàn)能量雙向流動。此外，網(wǎng)側變流器還可以控制直流母線電壓恒

96、定以及調節(jié)網(wǎng)側的功率因數(shù)，使整個風力發(fā)電系統(tǒng)的無功功率調節(jié)更加靈活。</p><p>　　圖3-3 雙饋感應式風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　3.1.2風力發(fā)電機變流方案確定</p><p>　　本設計中所選的風力發(fā)電系統(tǒng)為：直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)。直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)風輪與永磁同步發(fā)電機直接連接，無需升速齒輪箱。首先將風能轉化為頻率變化﹑幅值變化的交流電，經(jīng)過整流之

97、后變?yōu)橹绷鳎缓蠼?jīng)過三相逆變器換為三相幅交流電連接到電網(wǎng)。通過中間電力電子變化環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)有功功率和無功功率進行控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤﹑最大效率利用風能。</p><p>　　圖3－4是一種基于背靠背雙PWM變流器的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲，這種系統(tǒng)的主要特點為：發(fā)電機輸出電壓經(jīng)過PWM整流器變換為穩(wěn)定的直流電壓，然后通過PWM逆變器并入電網(wǎng)。逆變器輸入側電壓由逆變器控制，系統(tǒng)有功功率﹑無功功率由PWM整流器控制。

98、利用PWM整流器對發(fā)電機定子電流進行控制，可以更好地利用永磁同步發(fā)電機的特性，控制性能好，控制復雜，諧波含量低，成本高。</p><p>　　圖3－4 背靠背雙PWM變流器的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　3.2 風力并網(wǎng)逆變電路研究</p><p>　　3.2.1 逆變電路的分類</p><p>　　DC／AC變換電路稱為逆變電路

99、，逆變器廣泛應用，類型很多，概括起來可分為如下類型：</p><p>　?。?）根據(jù)輸入直流電源特點分類</p><p>　　1）電壓型：電壓型逆變器的輸入端并接大電容，輸入直流電源為理想電壓源，逆變器將直流電壓變換成交流電壓。</p><p>　　2）電流型：電流型逆變器的輸入端串接大電感，輸入直流電源為理想電流源，逆變器將輸入的直流電源變換為交流電流輸出。<

100、;/p><p>　?。?） 根據(jù)電路就結構特點分類</p><p><b>　　1）半橋式逆變電路</b></p><p><b>　　2）全橋式逆變電路</b></p><p><b>　　3）推挽式逆變電路</b></p><p>　　4）其他形式：如單

101、管晶體管你變電路。</p><p>　?。?）根據(jù)換流方式分類</p><p>　　1）負載換流型逆變電路</p><p>　　2) 脈沖換流型逆變電路</p><p>　　3) 自換流型逆變電路</p><p>　?。?）根據(jù)負載特點分類</p><p>　　1）非諧振式逆變電路</p&

102、gt;<p><b>　　2）諧振式逆變電路</b></p><p>　　由于風力發(fā)電的逆變電路很顯然屬于有源逆變電路，本文所討論的也都是這種逆變電路。在本文的研究中，逆變器的電路都是利用全控型器件組成，這是因為全控型器件有功率密度高，性能好，小型輕量等優(yōu)點，在不同容量范圍內有逐步代替SCR的趨勢。根據(jù)直流側濾波形式，逆變電路可以分為電壓型和電流型。根據(jù)這種分類討論的，在本章中

103、對于電壓型和電流型逆變電路的工作特點做一個總體的比較和分析。</p><p>　　3.2.2 電壓型并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)分析</p><p>　　電壓源型PWM逆變方案是當前主要應用的逆變方案，該方案的拓撲如圖3－5所示，采用的結構為三相全橋，開關器件為全控型開關器件，如IGBT、MOSFET等。圖3－5中，a相橋臂的上管和下管編號為3和4；c相橋臂的上管和下管編號為5和6。按照一定規(guī)律控制6

104、個開關管的狀態(tài)，既可以實現(xiàn)逆變。調制方法常用的有SPWM和SVPWM等。</p><p>　　電壓源型PWM逆變方案系統(tǒng)分析如下：</p><p>　　從圖3－6可以看出三相橋式電路是單相半橋的擴展，在拓撲結構上是完全相似的，其中各相輸入電感相等，即</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　電

105、網(wǎng)各相電壓為正弦波，即</p><p><b>　　( 3-2 )</b></p><p>　　圖中0點為電網(wǎng)中點。</p><p>　　圖3－5 PWM逆變器拓撲圖</p><p>　　圖3－6 電壓型三相橋式逆變電路</p><p>　　三相并網(wǎng)電路的等效電路模型如圖3-7所示，0電位是電網(wǎng)

106、的中點，0’為直流側濾波電容的中點，、為電感、回路電阻。</p><p>　　電網(wǎng)電壓如式3-7，無諧波含量。設逆變器輸出電流基波為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　考慮到回路電阻，則三相并網(wǎng)逆變器交流側的方程為：</p><p><b>　?。?-4）</b>&

107、lt;/p><p>　　圖3－7相電壓型并網(wǎng)逆變器等效電路圖</p><p>　　圖3-8 三相電壓型并網(wǎng)逆變器的矢量圖</p><p>　　電網(wǎng)電壓如式3-7，無諧波含量。設逆變器輸出電流基波為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　考慮到回路電阻，則三相并網(wǎng)逆變器交

108、流側的方程為：</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　從上式可以看出，對于逆變器的功率的控制是通過調節(jié)逆變器輸出電壓、和以改變輸出電流、和來實現(xiàn)的。從穩(wěn)態(tài)矢量圖中也可以知道，具體是通過調節(jié)逆變器的輸出電壓的幅值和相位來達到控制的目的。</p><p>　　再看逆變部分，一般考慮SPWM調制的三相電路。三相橋式電路的