畢業(yè)論文--小型家用風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)逆變器設(shè)計（含外文翻譯）

1、<p>　　小型家用風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)逆變器設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　化石燃料發(fā)電在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等氣體，污染大氣，促使地球變暖，產(chǎn)生酸雨等，造成全球范圍的環(huán)境污染。風(fēng)能則不然，它本身不含任何污染物，是一種清潔原，料，在風(fēng)電生產(chǎn)過程中也不產(chǎn)生任何污染物，而且風(fēng)力資源的分布又遍及世界各地

2、，是一種可再生能源，風(fēng)力發(fā)電也逐漸成為了時下的朝陽產(chǎn)業(yè)。本論文詳細(xì)闡明了小型家用風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)器逆變設(shè)計方案，對風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和電能的變換及逆變電路做了深入的研究。</p><p>　　本文提出的解決方案為，風(fēng)力發(fā)電機組帶動單相交流發(fā)電機，然后通過AC-DC-AC變換為用戶需要的標(biāo)準(zhǔn)交流電，并且考慮到風(fēng)力的不穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中并入蓄電池組，通過控制電路的監(jiān)控實現(xiàn)系統(tǒng)的控制，保證系統(tǒng)在風(fēng)能充足時可蓄能，在風(fēng)能不充足時

3、亦可為負(fù)載供電。系統(tǒng)的運行狀況采用繼電控制電路監(jiān)控和切換。</p><p>　　本文的內(nèi)容就是在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的背景下，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點研究其并網(wǎng)逆變器。直驅(qū)型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組是以變速恒頻的形式發(fā)電的，實現(xiàn)變速恒頻的方案有很多，而永磁同步發(fā)電機在交直交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最有優(yōu)勢，所以采用了交直交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流技術(shù)種類多，方案靈活，本文通過綜合比較選用了不可控整流器、Boost電路、電壓型

4、PWM逆變器結(jié)構(gòu)的并網(wǎng)方案。并網(wǎng)逆變器種類繁多，層出不窮，不同的應(yīng)用場合，對逆變器的性能要求也不相同。并網(wǎng)逆變器在控制策略上采用瞬時電流跟蹤控制技術(shù)，把電網(wǎng)電流波形作為指令信號，把逆變器實際輸出的電流波形作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定全控型器件的通斷。</p><p>　　最后，基于DSP控制技術(shù)，把TMS320F2812芯片作為逆變器控制系統(tǒng)的核心，通過該芯片中的PWM電路和比較單元產(chǎn)生PWM波形來控

5、制逆變電路中全控型器件的通斷，采用鎖相環(huán)(PLL)控制技術(shù)來保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬、軟件的設(shè)計。</p><p>　　關(guān)鍵詞：風(fēng)電發(fā)電；并網(wǎng)逆變器；控制技術(shù)；DSP技術(shù)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Fossil fuels in power generation in t

6、he combustion process produces a large amount of gases such as carbon dioxide,nitrogen oxides,sulfur oxides,polluting the atmosphere,global warming,acid rain,caused environmental pollution on a global scale. Wind energy

7、is not,it itself does not contain any contaminants,is a clean raw material in wind power production process does not produce any pollutants and wind distribution of resources throughout the world,is a renewable,wind powe

8、r is gradually becoming</p><p>　　This paper presents the solution for the wind turbine driven single-phase AC generator,then transform standard AC power needed for the user through the ac-dc-ac,and taking in

9、to account the instability of the wind,incorporated into the battery pack in the system,through the control circuit monitoring system control to ensure that the system can be in the wind sufficient energy storage,can als

10、o be in the wind is not sufficient to supply the load. The system operational status of the relay control </p><p>　　The content of this article is in the context of wind power technology,according to the cha

11、racteristics of its wind power system grid-connected inverters. Direct-drive permanent-magnet synchronous wind turbine generator is in the form of variable speed constant frequency generation,implementation of variable-s

12、peed constant-frequency plan has a lot,in AC-DC permanent magnet synchronous generator in wind power systems have the most advantage,so using a vertical wind turbine power generation system</p><p>　　Finally,

13、based on DSP control technology to TMS320F2812 core chip as the inverter control system,full-controlled devices in the inverter circuit to control off the PWM circuit in the chip and compare unit to generate PWM waveform

14、,using phase-locked loop control technology to ensure that the grid current and grid voltage is the same frequency and phase,the control system hardware and software design.</p><p>　　Key words: wind power ge

15、nerators; rectified; power inverter</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要……………………….………………………………………………………I</p><p>　　ABSTRACT……………………………………………………………………….II</p><p>

16、　　目錄……………………………………………………………………………III</p><p>　　第1章 緒論………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 風(fēng)力發(fā)電概述………………………………………………………………1</p><p>　　1.1.1 風(fēng)力發(fā)電動向與現(xiàn)狀……………………………………………………1</p>

17、;<p>　　1.1.2 風(fēng)力發(fā)電機的生產(chǎn)及運行情況…………………………………………3</p><p>　　1.1.3 我國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及展望………………………………………………3</p><p>　　1.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的分類………………………………………………………4</p><p>　　1.3 論文主要內(nèi)容……………………………………………………

18、…………4</p><p>　　第2章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)……………………………………………………………6</p><p>　　2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成部分……………………………………………………6</p><p>　　2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機組的類型……………………………………………………6</p><p>　　2.1.2 風(fēng)中蘊含的能量……………

19、……………………………………………6</p><p>　　2.1.3 風(fēng)力機的功率……………………………………………………………6</p><p>　　2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行…………………………………………………7</p><p>　　2.2.1 不同類型風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)…………………………………………7</p><p>　　2.2

20、.2 直驅(qū)型與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)比較……………………………8</p><p>　　2.3 交-直-交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)……………………………………………………9</p><p>　　2.4 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響……………………………………………9</p><p>　　第3章 逆變器的基本概念及原理………………………………………………10</p>

21、<p>　　3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理…………………………………………10</p><p>　　3.2 整流器的概念及原理………………………………………………………10</p><p>　　3.3 直流升壓變換電路…………………………………………………………10</p><p>　　3.3.1 直流升壓變換電路的原理………………………………………

22、………10</p><p>　　3.4 逆變電路的原理……………………….……………………….…………11</p><p>　　3.5 逆變器的控制技術(shù)………………………………………………………11</p><p>　　3.5.1 逆變器控制技術(shù)的發(fā)展…………………………………………………11</p><p>　　3.5.2 跟蹤控制法………

23、………………………………………………………14</p><p>　　3.5.3 本文采用的控制方法……………………………………………………16</p><p>　　3.5.4 鎖相環(huán)技術(shù)………………………………………………………………17</p><p>　　3.6 小結(jié)…………………………………………………………………………18</p><p&

24、gt;　　第4章 基于DSP的控制系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計…………………………………19</p><p>　　4.1 DSP技術(shù)及DSP芯片………………………………………………………19</p><p>　　4.1.1 DSP技術(shù)的發(fā)展和特點…………………………………………………19</p><p>　　4.1.2 DSP芯片的特點……………………………………………………

25、……19</p><p>　　4.2 逆變器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計………………………………………………20</p><p>　　4.2.1 DSP硬件電路……………………………………………………………21</p><p>　　4.3 逆變器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計………………………………………………23</p><p>　　4.3.1 CCS軟件介紹…

26、…………………………………………………………23</p><p>　　4.3.2 SPWM控制算法……………………………………………………………23</p><p>　　4.3.3 PWM波形的實現(xiàn)編程……………………………………………………25</p><p>　　4.3.4 DSP控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程……………………………………………27</p>

27、<p>　　4.4 小結(jié)…………………………………………………………………………27</p><p>　　第5章 結(jié)論………………………………………………………………………28</p><p>　　致 謝……………………………………………………………………………29</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………30&

28、lt;/p><p>　　附錄A 英文參考文獻(xiàn)……………………………………………………………32</p><p>　　附錄A 英文參考文獻(xiàn)……………………………………………………………35</p><p>　　附錄C 主要源程序………………………………………………………………37</p><p><b>　　第1章 緒論</b>

29、;</p><p>　　1.1 風(fēng)力發(fā)電概述</p><p>　　近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)對能源需求持續(xù)增加，全球油價維持高位，天然氣價格不斷攀升，化石燃料使用帶來的環(huán)境問題日益突出。從20世紀(jì)70年代以來，各國政府和國際組織都相繼投入大量的資金用于新能源的開發(fā)，尋求一條經(jīng)濟(jì)的、可持續(xù)發(fā)展的道路。在各類新能源中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對成熟、最具大規(guī)模商業(yè)開發(fā)條件、成本相對較低，具有

30、巨大的優(yōu)越性，受到各國的普遍重視，目前已經(jīng)發(fā)展成為一個成熟的產(chǎn)業(yè)。</p><p>　　化石燃料發(fā)電在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等氣體，污染大氣，促使地球變暖，產(chǎn)生酸雨等，造成全球范圍的環(huán)境污染。風(fēng)能則不然，它本身不含任何污染物，是一種清潔原料，在風(fēng)電生產(chǎn)過程中也不產(chǎn)生任何污染物,而且風(fēng)力資源的分布又遍及世界各地，是一種可再生能源。80年代，以美國加州和丹麥為代表，一些國家和地區(qū)相繼建起了

31、風(fēng)力發(fā)電場。進(jìn)入90年代，風(fēng)力發(fā)電機組開始大型化起來，數(shù)百千瓦規(guī)模的便成了主流。目前，由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟以及環(huán)保方面越來越嚴(yán)格的要求，不少國家和地區(qū)已在巧妙地運用風(fēng)力資源，風(fēng)電業(yè)方面的投資也越來越多，節(jié)能潔凈型的風(fēng)力發(fā)電方式已受到人們的積極關(guān)注。</p><p>　　風(fēng)能資源作為一種非常清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電逐漸在世界范圍內(nèi)得到重視，引發(fā)了世界各國的研究熱潮，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因此也逐漸成熟起來，在未來有望

32、成為可大規(guī)模投入發(fā)電的可再生能源技術(shù)，風(fēng)電將成為替代化石燃料發(fā)電的清潔能源。我國的風(fēng)能總儲量大,無論陸地還是近海都有大量可用于發(fā)電的風(fēng)能資源，在政府對風(fēng)能開發(fā)的關(guān)注和一系列政策的推動下，中國的風(fēng)力發(fā)電的裝機容量每年都在增加。</p><p>　　無論是雙饋式變流器還是直驅(qū)式變流器，最終風(fēng)機轉(zhuǎn)化的能量都要并入電網(wǎng)，隨著風(fēng)電裝機容量的提高，大量的風(fēng)能并入電網(wǎng)，必然對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此對并網(wǎng)逆變器的要求越來越

33、高，對并網(wǎng)逆變器的研究也有廣闊的前景。</p><p>　　1.1.1風(fēng)力發(fā)電動向與現(xiàn)狀</p><p>　　在電力新能源中，風(fēng)電是發(fā)展速度最快的。近十年風(fēng)力發(fā)電增長迅猛，全球風(fēng)電的年平均增長率一直保持在29％左右。全截止到2007年底，全球風(fēng)電裝機總?cè)萘恳殉^94000Mw，當(dāng)年新增裝機容量20076Mw，累計裝機容量從2006年的74141Mw增至94123Mw，是1997年的12倍。

34、2008年全球范圍內(nèi)新增風(fēng)電裝機容量2705萬kW，使得全球風(fēng)電裝機容量達(dá)到1.20億kW，較2007年增長28.8％。</p><p>　　從增量看，美國為全球第一，2007年新增裝機容量為5244Mw，占全球新增裝機的26.1％，之后是西班牙(3522Mw)、中國(3449MW)、印度(1730Mw)、德國(1667Mw)和法國(888Mw)。法國和中國等新興風(fēng)電市場正在發(fā)展裝大。在2007年歐洲的裝機容量仍

35、然是全球裝機容量最大的地區(qū)，裝機容量占全球裝機容量的61％，2007年歐洲風(fēng)電增長19％，發(fā)電量大約為12㈣，提供了歐洲3.8％的電力。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他地區(qū)，主要是因為該地區(qū)其他資源比較貧乏，風(fēng)力發(fā)電開發(fā)的比較早，技術(shù)比較成熟，并且沒有污染；其次是北美地區(qū)，在2007年的裝機容量為19406Mw，在這個地區(qū)主要是美國和加拿大風(fēng)電的發(fā)展，近些年美國的風(fēng)電發(fā)展比較快，2007年風(fēng)電新增裝機容量5244Mw，同比增長了1倍多，占全球發(fā)電裝機新增

36、容量的30％左右。排名第三的是亞洲，2007年新增裝機5436Mw，累計裝機總量達(dá)到16000Mw，增長率為53％。在亞洲主要的風(fēng)電利用地區(qū)是中國、印度和日本；其他地區(qū)風(fēng)電的發(fā)展雖然也比較快，但是風(fēng)電的技術(shù)水平相對比較落后，風(fēng)能的利用水平比較低，依次是太平洋地區(qū)、南美和加勒比海地區(qū)、非</p><p>　　中國幅員遼闊，陸疆總長2萬多公里，海岸線1.8萬多公里，風(fēng)能資源豐富。根據(jù)資料統(tǒng)計，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)的陸地風(fēng)能資源

37、大約為253Gw，可利用的海洋風(fēng)能資源經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量大約為750Gw。沿著東南沿海和附近的島嶼以及內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、青藏高原等地區(qū)都蘊藏著豐富的風(fēng)能資源。據(jù)統(tǒng)計中國風(fēng)能的技術(shù)開發(fā)量可達(dá)3億千瓦~6億千瓦，而且中國風(fēng)能資碌分布集中有利于大規(guī)橫的開發(fā)和利用。據(jù)考察中國的風(fēng)能資源主要集中在兩個帶狀地區(qū)。一條是“三北(東北、華北、西北)地區(qū)豐富帶”即西北、華北和東北的草原和戈壁地帶。另條是“沿海及其島嶼地豐富帶”即東部和東南沿海及島嶼地帶。這些

38、地區(qū)一般都映少煤炭普常規(guī)能源并且在時間上冬春季風(fēng)大、降雨量少，夏季風(fēng)小、降雨量大銜風(fēng)電正好能夠彌補火電的缺陷并與水電的枯水期和豐水期有較好的互補性。年平均風(fēng)速6m/s以上的內(nèi)陸地區(qū)約占全國總面積的l％，僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位。但是我國風(fēng)電作為一個產(chǎn)業(yè)來說發(fā)展比較緩慢，近幾年才有了較快的發(fā)展，初步具備了規(guī)模開發(fā)和建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電廠的能力。與世界先進(jìn)水平相比，我國風(fēng)電發(fā)展還有一定的差距。</p><p>　

39、　1997年末，全世界約有7816MW的風(fēng)力發(fā)電得到利用。其中歐洲的風(fēng)力發(fā)電為4774MW，美洲1680MW，亞洲1107MW，其他地區(qū)250MW以上。到2002年世界計劃總裝機容量達(dá)到20281MW。在歐洲，有5個國家計劃到2002年風(fēng)電量達(dá)到本國總電量的10%左右。該地區(qū)風(fēng)力發(fā)電發(fā)達(dá)的國家是丹麥、德國與荷蘭。丹麥已建成的風(fēng)電裝機容量為1116MW，到2030年計劃風(fēng)電量達(dá)到本國總電量的40%。德國1994年完成了250MW計劃，風(fēng)力

40、發(fā)電增長迅速。1998年風(fēng)電設(shè)施1010套并網(wǎng)發(fā)電，總功率793.46MW，累計裝機已達(dá)3000MW，1998年風(fēng)電產(chǎn)量45億kWh，比1997年增長50%，風(fēng)電占全國電力生產(chǎn)量的1%,今后十年，計劃風(fēng)電可在電力總量中占到3.5%~30%，到2002年的計劃裝機容量為4181MW。荷蘭已建成風(fēng)電329MW。英國從環(huán)境上考慮，也在擬訂引進(jìn)大型風(fēng)力發(fā)電機計劃，已建成328MW的風(fēng)力發(fā)電場，到2002年計劃達(dá)到978MW的總裝機容量。由于歐洲

41、土地少，為提高土地的利用率，各國正在從事大功率(500kW以上)的風(fēng)力發(fā)電機的研制與引進(jìn)工作。在美洲，美國的風(fēng)力發(fā)電規(guī)模較</p><p>　　一些亞洲國家也在大力開發(fā)風(fēng)電。據(jù)印度非常規(guī)能源部對印度25個邦的調(diào)查，印度的風(fēng)力資源估計為2萬MW。印度的風(fēng)電業(yè)發(fā)展較快，80年代后期開始建大型風(fēng)電場。到1995年，總裝機容量已達(dá)601MW，1996年風(fēng)力泵3158臺，風(fēng)電場功率733MW，1997年末達(dá)到940MW，計

42、劃到2002年總裝機容量達(dá)到1940MW。日本建成的風(fēng)力發(fā)電場規(guī)模不大，1997年末為29MW。1999年投資45億日元，在北海道苫前町安裝20臺1000kW風(fēng)輪機，建成日本最大的風(fēng)電場。計劃未來幾年里投資額將達(dá)到1000億日元。</p><p>　　我國風(fēng)能資源豐富，可利用風(fēng)能資源理論儲藏量大約為320萬MW，近10%可開發(fā)利用，主要分布在沿海和內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等一線大風(fēng)帶上。70年代開始進(jìn)行并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電，

43、80年代引進(jìn)丹麥風(fēng)電機，在山東榮城、新疆達(dá)坂城、內(nèi)蒙古朱日和建風(fēng)電場，到1997年總裝機容量146MW。1998年在國家優(yōu)惠政策和國家計委“乘風(fēng)計劃”推動下，年底總裝機容量實際達(dá)到204MW。</p><p>　　1.1.2 風(fēng)力發(fā)電機的生產(chǎn)及運行情況</p><p>　　風(fēng)能是一種能量密度較低、穩(wěn)定性較差的能源。適合進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)能密度一般為0.2~0.5KW/。因此，風(fēng)力發(fā)電裝置的安

44、放地點應(yīng)在風(fēng)能密度高，能充分利用不同風(fēng)速風(fēng)能的風(fēng)帶區(qū)。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的提高和發(fā)展規(guī)模的需要，其功率也在向大型化方向發(fā)展，而且風(fēng)力機的生產(chǎn)量也在增加。據(jù)稱，歐盟的風(fēng)力機市場規(guī)模已達(dá)到80億~100億美元，成了歐洲新興的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。我國已推廣1KW以下微型風(fēng)力機15萬臺,居世界首位。1987~1998年間，日本三菱公司先后向美國夏威夷、加利福尼亞、懷俄明州出口MWT-250型、MWT-450型等風(fēng)力發(fā)電機近900臺。其中MWT-250型80

45、0余臺。該公司1993年還向英國威爾茲地區(qū)出口了MWT-250型(300kW)機103臺，1995年末向德國溫拉公司出口MWT-450型(450kW)1臺。日本國民經(jīng)濟(jì)開發(fā)公司(NEDO)1996年11月委托該公司開發(fā)研制500kW風(fēng)力機，設(shè)備總?cè)萘繛?375kW。三菱公司生產(chǎn)的風(fēng)力機除出口外，從1982年開始，還先后向日本國內(nèi)的瀨戶、靜岡、室蘭、小長井、巖手縣等地區(qū)提供了50余臺風(fēng)力機。風(fēng)電設(shè)備的容量系數(shù)大都在30%左右，最好的大約已

46、達(dá)</p><p>　　1.1.3 我國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及展望 </p><p>　　我國是一個風(fēng)力資源豐富的國家，全國約有2/3的地帶為多風(fēng)帶。風(fēng)能總儲量為32.26億干瓦，實際可開發(fā)的風(fēng)能儲量為2.53億千瓦，為可再生能源和新能源利用技術(shù)提供了強大的資源條件。兩大風(fēng)能地帶—西北、華北、東北和東南沿海為風(fēng)能資源豐富區(qū)，跨全國21個省、市、自治區(qū)。到1999年底已開發(fā)微小戶用型風(fēng)力發(fā)電機16萬

47、臺，并網(wǎng)型風(fēng)電場24座，總裝機容量26萬千瓦，其中絕大多數(shù)機組是從丹麥、德國、美國、比利時、瑞典引進(jìn)的，最大單機容量為600kw。毫無疑問，中國風(fēng)能等可再生能源的利用受到一系列因素的限制，其中包括資金和技術(shù)資源供應(yīng)的不足、政策的不相配套等。和常規(guī)資源相比，它會缺乏競爭力。但從可持續(xù)發(fā)展的目的出發(fā)，從中央到地方的各級政府已對這些資源的開發(fā)給予了關(guān)注。</p><p>　　風(fēng)能是我國目前最有開發(fā)利用前景的一種新能源。

48、中國目前風(fēng)電裝機容量雖遠(yuǎn)少于上述國家，但近幾年來風(fēng)電發(fā)展迅速，預(yù)計到2007年新增風(fēng)電裝機容量累計達(dá)470萬千瓦以上。提高單機容量和實現(xiàn)風(fēng)電機組國產(chǎn)化，成為我國風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵。單機功率的提高，可以降低風(fēng)電發(fā)電成本。選擇國際上技術(shù)比較成熟的800～1000Kw級的風(fēng)電機組，加快其國產(chǎn)化進(jìn)程，是我國風(fēng)電機組制造業(yè)盡快走上成熟的有效途徑。</p><p>　　鑒于上述情況，研究開發(fā)出適合我國國情，性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠、價

49、格合理的M1V級風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，將對我國的能源、節(jié)能事業(yè)起到有力的促進(jìn)作用。特別是對我們這樣一個能源貧乏，利用率低的圓家，更具有重要的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的社會意義。國家科技部根據(jù)我國對后續(xù)能源的需求和現(xiàn)有的工作基礎(chǔ)，將后續(xù)能源作為能源領(lǐng)域主題之一列入國家863計劃。在“十五”期間，將集中力量突破關(guān)鍵技術(shù)，獲得一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新性研究成果，為后續(xù)能源中的若干重點項目實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化提供強大的技術(shù)支撐。姍級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)就列入其中。<

50、;/p><p>　　我國資源與環(huán)境狀況決定了21世紀(jì)中國能源資源的利用將走向風(fēng)能時代。資源是人類社會賴以生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是可持續(xù)發(fā)展的客觀條件?？沙掷m(xù)發(fā)展實質(zhì)上是以實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用來保證人口、經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的相互協(xié)調(diào)與發(fā)展的。中國作為能源電力資源開發(fā)大國，要把握世界經(jīng)濟(jì)大調(diào)整、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)重組的大改革給予，走高科技、低污染的能源，電力產(chǎn)業(yè)跨越式的發(fā)展之路，必然選擇風(fēng)能可再生能源和新能源。</p>

51、<p>　　1.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的分類</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電包含了由風(fēng)能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程，發(fā)電機及其控制系統(tǒng)承擔(dān)了后一種能量轉(zhuǎn)換任務(wù)。它不僅直接影響這個轉(zhuǎn)換過程的性能、效率和供電質(zhì)量，而且也影響到前一個轉(zhuǎn)換過程的運行方式、效率和裝置結(jié)構(gòu)。因此，研制和選用適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換用的運行可靠、效率高、控制及供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電工作的一個重要組成部分。在考慮發(fā)電機系統(tǒng)的

52、方案時，應(yīng)結(jié)合它們的運行方式重點解決以下問題：</p><p>　?。?）高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。 （2）高效率地實現(xiàn)上述兩種能量轉(zhuǎn)換，以降低每度電的成本。</p><p>　?。?）穩(wěn)定可靠地同電網(wǎng)、柴油發(fā)電機及其它發(fā)電裝置或儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行，為用戶提供穩(wěn)定的電能。風(fēng)力發(fā)電機組可以分為兩大類，恒速恒頻和變速恒頻。風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時

53、，要求風(fēng)電的頻率保持恒定，為電網(wǎng)頻率。恒速恒頻是指在風(fēng)力發(fā)電中，控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變，從而得到頻率恒定的電能；變速恒頻是指發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，通過其它方法來得到恒頻電能。</p><p>　　目前運用較多的還是恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。恒速恒頻運行的一個弊端是，當(dāng)風(fēng)速躍升時，巨大的風(fēng)能將通過風(fēng)力機葉片傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力，上述過程的重復(fù)出現(xiàn)將會引起這些部件的疲勞損壞。因此，在

54、設(shè)計時不得不加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致機組重量加大，制造成本增加。而且恒速恒頻系統(tǒng)的風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速不能夠隨著風(fēng)速的變化而變化，無法達(dá)到最優(yōu)的風(fēng)能利用系數(shù)。</p><p>　　變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其主要優(yōu)點在于風(fēng)輪以變速運行，可以在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風(fēng)力機的運行效率，從風(fēng)中獲取的能量可以比恒速風(fēng)力機高得多。此外，這種風(fēng)力機在結(jié)構(gòu)

55、上和實用中還有很多的優(yōu)越性。利用電力電子學(xué)是實現(xiàn)變速運行最佳化的最好方法之一，雖然與恒速恒頻系統(tǒng)相比可能使風(fēng)電轉(zhuǎn)換裝置的電氣部分變得較為復(fù)雜和昂貴，但電氣部分的成本在中、大型風(fēng)力發(fā)電機組中所占比例不大，因而發(fā)展中、大型變速恒頻風(fēng)電機組受到很多國家的重視。</p><p>　　變速恒頻允許風(fēng)輪機根據(jù)風(fēng)速的變化而以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點：</p><

56、;p>　　減少機械應(yīng)力：陣風(fēng)能量可以被風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)動慣量吸收。這種具有“彈性”的吸收方式減少了力矩的脈沖幅值。較簡單的槳矩控制：通過調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，可以使得對槳矩的控制時間常數(shù)延長，降低了槳矩控制的復(fù)雜性和峰值功率的要求。</p><p>　　提高了系統(tǒng)的風(fēng)能利用率：轉(zhuǎn)速可以在較大范圍內(nèi)變化，通過對最佳葉尖速比的跟蹤，使風(fēng)力發(fā)電機組在可發(fā)電風(fēng)速下均可獲得最佳的功率輸出。</p><p

57、>　　風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)從機組的定槳矩恒速運行發(fā)展到變速運行，已經(jīng)基本實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機組從能夠向電網(wǎng)提供電力到理想的向電網(wǎng)提供電力的目的。本文討論的就是采用變速恒頻技術(shù)的交-直-交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)逆變器的控制。</p><p>　　1.3 論文主要內(nèi)容</p><p>　　本文從小型家里風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器的控制出發(fā)，針對應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的PWM整流器需滿足的兩個要求，闡述了小

58、慣性電流跟蹤控制的原理和實現(xiàn)方法。</p><p>　　論文在第一章簡要介紹了風(fēng)力發(fā)電的概況和風(fēng)力發(fā)電動向與現(xiàn)狀.并且對我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。在此基礎(chǔ)上，論文對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了簡要介紹，并對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的分類進(jìn)行介紹。</p><p>　　論文第二章首先介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成部分，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行，不同類型風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行進(jìn)行介紹。還

59、有直驅(qū)型與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)比較，交-直-交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。</p><p>　　論文第三章闡述了逆變器的基本概念及原理，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，整流器的概念及原理，逆變器控制技術(shù)的發(fā)展，介紹了跟蹤控制法的基本工作原理，和本文采用的控制方法，最后還講到了鎖相環(huán)技術(shù)。</p><p>　　在第四章中，論文闡述了基于DSP的控制系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計主要部分設(shè)

60、計。包括了DSP技術(shù)及DSP芯片、逆變器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、逆變器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，其中又包括了DSP技術(shù)的發(fā)展和特點和DSP芯片的特點及硬件電路，最后用PWM波形的實現(xiàn)編程。</p><p>　　第2章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成部分</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電的原理就是先利用風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，再通過發(fā)電機組將機械能轉(zhuǎn)化

61、為電能。典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風(fēng)、風(fēng)力機、傳動裝置和發(fā)電機等部分，其中風(fēng)力機是可以把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為其他能量的機械裝置，它主要包括風(fēng)輪、機艙、傳動裝置、塔架及對風(fēng)裝置。發(fā)電機是可以將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的機械裝置。兩者通過傳動裝置連接實現(xiàn)將風(fēng)能以電能的形式輸出。</p><p>　　2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機組的類型</p><p>　　根據(jù)風(fēng)力機不同的結(jié)構(gòu)、不同的特征以及和不同發(fā)電機的組合

62、，風(fēng)力發(fā)電機組有以下幾種分類：</p><p>　?。?）按風(fēng)力機額定功率的大小分為：①50~1000W的為微型風(fēng)力機；②1~10KW的為小型風(fēng)力機；③10~100KW的為中型風(fēng)力機；④100KW~1000KW的為大型風(fēng)力機，⑤1000KW以上的為兆瓦級風(fēng)力機；</p><p>　?。?）按葉片數(shù)量分為：單葉片，兩葉片，三葉片和多葉片；</p><p>　　（3）按

63、葉片是否可調(diào)節(jié)分為：定槳距風(fēng)力機和變槳距風(fēng)力機；</p><p>　?。?）按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速是否恒定分為：恒速風(fēng)力發(fā)電機組和變速風(fēng)力發(fā)電機組；</p><p>　?。?）按槳葉受力方式分為：升力型風(fēng)力機和阻力型風(fēng)力機；</p><p>　?。?）按機械傳動方式分為：有齒輪箱型風(fēng)力發(fā)電機組和無齒輪箱直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組；</p><p>　?。?）按風(fēng)

64、力機主軸與地面的相對位置分為：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組與水平軸風(fēng)力發(fā)電機組；</p><p>　　（8）按風(fēng)輪設(shè)置位置分為：上風(fēng)向風(fēng)力機和下風(fēng)向風(fēng)力機；</p><p>　　（9）按風(fēng)力發(fā)電機組的供電方式分為：獨立運行風(fēng)力機和并網(wǎng)運行風(fēng)力機。</p><p>　　2.1.2 風(fēng)中蘊含的能量</p><p>　　風(fēng)電機組將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為機械能并進(jìn)而轉(zhuǎn)

65、化為電能。從動能到機械能的轉(zhuǎn)化是通過葉片來實現(xiàn)的，而從機械能到電能則是通過發(fā)電機實現(xiàn)的。</p><p>　　動能： （2-1）</p><p>　　空氣密度隨著空氣壓力的增大而增大，隨著溫度的升高而減?。豪淇諝獗葻峥諝饷芏却螅釟馇蛏站褪抢玫倪@個原理）。在普通大氣壓力和20°C溫度

66、的條件下每立方米空氣的質(zhì)量是1.204kg；在-10°C的溫度下，每立方米空氣重1.342kg，比常溫下重了11%。也就是說，同樣的風(fēng)速同樣的風(fēng)電機，-10°C冷風(fēng)比20°C熱風(fēng)能夠多產(chǎn)生11%的電能。所以建議將風(fēng)力發(fā)電機安裝在通風(fēng)背光處。</p><p>　　2.1.3 風(fēng)力機的功率</p><p>　　風(fēng)的動能和風(fēng)速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可

67、用于風(fēng)輪功率的計算。風(fēng)力與速度平方成正比，所以風(fēng)的功率與風(fēng)度的三次方成正比。如果風(fēng)速增加一倍，風(fēng)的功率便會增加8倍。</p><p>　　風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率如下：</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　式中：P為輸出功率

68、，為風(fēng)輪機的功率系數(shù)，ρ為空氣密度，R為風(fēng)輪半徑，v為風(fēng)速。</p><p>　　眾所周知，如果接近風(fēng)力機的空氣全部動能都被風(fēng)力機全部吸收，那么風(fēng)輪后的空氣就不動了，然而空氣當(dāng)然不能完全停止，所以風(fēng)力機的效率總是小于1。</p><p>　　風(fēng)電機葉片無法將風(fēng)能量的100%轉(zhuǎn)化為機械能。風(fēng)電機的轉(zhuǎn)化效率是有極限的。</p><p>　　德國物理學(xué)家阿爾伯特貝茨(18

69、85-1968)在1920年計算了風(fēng)電機轉(zhuǎn)化效率的最大可能值，并在1926年公開發(fā)表。</p><p>　　理論風(fēng)能利用系數(shù)（Betz極限）</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行</p><p>　　2.2.1 不同類型風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)</p>

70、<p>　　（1） 同步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)</p><p>　　同步風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n=60f/P，其中P為發(fā)電機的極對數(shù)，f為交流電的頻率。同步風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)方式有準(zhǔn)同步并網(wǎng)和自同步并網(wǎng)，準(zhǔn)同步并網(wǎng)要求嚴(yán)格同步發(fā)電機和電網(wǎng)之間一定要符合以下要求：</p><p>　　a. 電壓相位要一致；</p><p>　　b. 電壓相等，且電壓波形相同；<

71、/p><p>　　c. 電壓相角要一致；</p><p><b>　　d. 頻率相同。</b></p><p>　　這種并網(wǎng)方式一般很難做到，實際并網(wǎng)時相位和頻率總會有一些偏差。自同步并網(wǎng)方式的步驟為：在同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)沒有加勵磁的情況下，勵磁繞組經(jīng)限流電阻發(fā)生短路時，同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在風(fēng)力機的拖動下將升高到接近同步轉(zhuǎn)速，此時將同步發(fā)電機投入電網(wǎng)

72、，然后再馬上投入勵磁，轉(zhuǎn)子和定子之間的電磁力將會自動把發(fā)電機牽入電網(wǎng)同步運行。同步發(fā)電機并網(wǎng)的優(yōu)點是：同步發(fā)電機可以自勵磁，不需要外加勵磁，可以改善功率因數(shù)，有利于提高電網(wǎng)的供電能力。缺點是：成本較高，容易產(chǎn)生較大的沖擊電流，并網(wǎng)控制較復(fù)雜。</p><p>　?。?） 異步風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)</p><p>　　異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于或高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速也就是同步轉(zhuǎn)速，因此同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子

73、轉(zhuǎn)速的差與同步轉(zhuǎn)速飛的比值稱為轉(zhuǎn)差率S，即。異步風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)合閘時對轉(zhuǎn)速要求不是非常嚴(yán)格，并網(wǎng)比較簡單，主要靠滑差率來調(diào)節(jié)負(fù)荷，異步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)運行時一方面向電網(wǎng)輸出有功功率另一方面又吸收電網(wǎng)的無功功率。異步發(fā)電機可以直接并入電網(wǎng)、降壓并入電網(wǎng)或通過晶閘管調(diào)壓裝置并入電網(wǎng)。使用異步發(fā)電機并網(wǎng)的優(yōu)點有：發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、并網(wǎng)方便、成本較低、并網(wǎng)容易控制。缺點是：需要從電網(wǎng)吸收無功功率以提供自身的勵磁，還需要進(jìn)行無功補償。無論采用同步發(fā)

74、電機還是異步發(fā)電機都屬于早期的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組，對風(fēng)能的利用效率低，風(fēng)速低時不能輸出電能，因此這種風(fēng)力發(fā)電機組逐漸被變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組替代。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組不但能自動調(diào)節(jié)有功和無功功率，而且在低風(fēng)速時還能自動跟蹤最大功率；高風(fēng)速時還可緩沖風(fēng)力機受到的機械沖擊。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組主要分為：雙饋型感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組和直接驅(qū)動型同步風(fēng)力發(fā)電機組。</p><p>　　（3） 雙饋型感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)<

75、;/p><p>　　雙饋型感應(yīng)發(fā)電機并網(wǎng)時，定子繞組與電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子繞組需經(jīng)循環(huán)變流器接入電網(wǎng)，功率能夠雙向流動。風(fēng)力機變速運行時發(fā)電機也是變速運行，因此為了實現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，將采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)來控制山雙饋感應(yīng)發(fā)電機和把自關(guān)斷器件作為功率開關(guān)管的變換器組成的變流系統(tǒng)。采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機，要實現(xiàn)恒頻控制，就要根據(jù)風(fēng)速的變化和發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化不斷調(diào)整轉(zhuǎn)子電流的頻率。雙饋感應(yīng)發(fā)電機并網(wǎng)的優(yōu)越性是：與電網(wǎng)連

76、接簡單，可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)；對電網(wǎng)基本無沖擊電流，風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可隨負(fù)荷的變化做出相應(yīng)的調(diào)整，使風(fēng)力發(fā)電機運行在最佳葉尖速度比狀態(tài)，輸出最大的電能；還可以調(diào)節(jié)有功和無功功率。</p><p>　　（4） 直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)</p><p>　　直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機組采用永磁同步發(fā)電機為風(fēng)力發(fā)電機，用風(fēng)力機直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機，省去了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中連接風(fēng)力機和發(fā)電機的升速齒輪

77、箱。齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中容易出現(xiàn)故障的元件，因此直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)減少了傳動系統(tǒng)和齒輪箱故障；減少了噪聲；減少了風(fēng)力發(fā)電機組的維護(hù)成本，提高了風(fēng)力發(fā)電機組的整體效率；還可以實現(xiàn)對有功和無功功率的靈活控制。因此，基于這些優(yōu)點本課題就選用了這種風(fēng)力發(fā)電機組。這種風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)過程是：直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機，不需要傳統(tǒng)裝置齒輪箱。首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率和幅值都變化的交流電，經(jīng)過整流升壓環(huán)節(jié)后變換為穩(wěn)定的直流電，然

78、后經(jīng)過逆變器變換為頻率恒定、幅值恒定的交流電接入電網(wǎng)。還可以通過對變流系統(tǒng)的控制，來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功。直驅(qū)型同步發(fā)電機并網(wǎng)存在的主要問題就是：發(fā)電機轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大、體積重量較大、全功率變流成本高。</p><p>　　2.2.2 直驅(qū)型與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)比較</p><p>　　現(xiàn)在，國內(nèi)技術(shù)比較先進(jìn)、有良好的發(fā)展前景的風(fēng)力發(fā)電機組中是直驅(qū)型與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組，這兩種機型是現(xiàn)

79、在和未來的兩人主流機型，基本代表了風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展趨勢。傳動和發(fā)電結(jié)構(gòu)是這兩種機型最大的不同之處。直驅(qū)型具備較強的低電壓穿越和電容補償能力，諧波含量低，對電網(wǎng)沖擊小，維護(hù)成本低，噪聲低，通過電磁感應(yīng)原理發(fā)電；在低風(fēng)速下也能輸出較大的功率，提高了效率，技術(shù)較先進(jìn)，但是采用全功率逆變增加了逆變的成本，直驅(qū)型體積大，運輸難度大。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流技術(shù)種類繁多，靈活簡單代表了風(fēng)力發(fā)電的嶄新發(fā)展方向。雙饋型能連續(xù)變速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高，部

80、分功率變換，變流器成本相對較低；并網(wǎng)簡單，無沖擊電流。綜合比較，雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)具有較高的性價比，特別適合于變速恒頻方式風(fēng)力發(fā)電。是現(xiàn)在和未來數(shù)年內(nèi)風(fēng)電市場上的主流產(chǎn)品，直驅(qū)型風(fēng)電機組及其變流技術(shù)發(fā)展迅速，隨著新技術(shù)的發(fā)展發(fā)電機的體積和重量將來都可以大幅度減小。另外，直驅(qū)型風(fēng)電機組更能適應(yīng)低風(fēng)速，我國低風(fēng)速的三類風(fēng)區(qū)約占全部風(fēng)能資源的50%，因此，我國的風(fēng)電場更適合使用這種類型的風(fēng)電機組，它的應(yīng)用在我國具有更加重要的實際意義。<

81、/p><p>　　2.3 交-直-交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電力電子變流電路的結(jié)構(gòu)有很多種，不同的電路結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整個系統(tǒng)的控制方法也會不同。目前有很多方案可以實現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電，選用什么形式的發(fā)電機是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的形式來決定的，由于永磁同步發(fā)電機在交-直-交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最具有優(yōu)勢，所以本課題采用交-直-交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。本課題采用交-直-交并網(wǎng)方案，永磁直驅(qū)

82、型風(fēng)力發(fā)電機后接三相不可控整流器，為了克服風(fēng)速低時PWM逆變器的輸入電壓低，逆變器運行特性差的缺點，整流器后接直流升壓電路，將電壓提高并穩(wěn)定在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，然后連接PWM逆變器，最后接入公用電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)示意圖可用圖2.1來表示。</p><p>　　圖2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)示意圖</p><p>　　該方案提高了逆變器的輸入電壓，降低了諧波含量，實現(xiàn)了風(fēng)電并網(wǎng)。</p&

83、gt;<p>　　2.4 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機組一般采用與常規(guī)同步發(fā)電機不同的感應(yīng)發(fā)電機，其靜態(tài)特性及電網(wǎng)發(fā)生故障時的暫態(tài)特性也和常規(guī)的同步發(fā)電機不同。無論風(fēng)電場裝機容量的大小，風(fēng)力發(fā)電機組采用了什么樣的控制技術(shù)風(fēng)電場都會不同程度的影響其接入電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。風(fēng)電并入穿透功率較大的電網(wǎng)后除了會影響電壓穩(wěn)定以外，由于改變了該電網(wǎng)原來的潮流分布、線路上的傳輸功率和整

84、個系統(tǒng)的慣量，因此風(fēng)電并入后也會影響電網(wǎng)電壓、頻率的穩(wěn)定性和暫態(tài)的穩(wěn)定性并使之發(fā)生變化。歐洲的風(fēng)電相對成熟，對風(fēng)電的并網(wǎng)己有了較具體的標(biāo)準(zhǔn)。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)越來越規(guī)范和清晰，應(yīng)提高風(fēng)力發(fā)電輸出使其嚴(yán)格按照風(fēng)電并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范并入電網(wǎng)，減少對電網(wǎng)的影響。</p><p>　　第3章 逆變器的基本概念及原理</p><p>　　3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理<

85、;/p><p>　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由葉輪、發(fā)電機及齒輪箱、整流器、直流環(huán)節(jié)、逆變器等組成成。系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖所示：</p><p>　　圖3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3.1中，風(fēng)機的作用是捕捉風(fēng)能，并將之轉(zhuǎn)化為機械能；發(fā)電機則將機械能轉(zhuǎn)化為電能；整流器將發(fā)電機的交流電轉(zhuǎn)化為直流電；逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位的交流電，然后通

86、過變壓器饋入電網(wǎng)。</p><p>　　3.2 整流器的概念及原理</p><p>　　通常，我們把交流電能變換成直流電能的過程稱之為整流，把完成整流功能的電路稱之為整流電路，把實現(xiàn)整流過程的裝置稱之為整流設(shè)備或整流器。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的整流器是將發(fā)電機產(chǎn)生的交變電流整理成直流電流，然后經(jīng)過濾波，提供給逆變器和者蓄電池.整流器利用二極管的單向?qū)ㄌ匦浴?lt;/p><p>

87、;　　整流器的類型有很多，按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種；按照電路結(jié)構(gòu)可以分為橋式電路和零式電路；按照交流輸入的相數(shù)可以分為單相電路和多相電路；按照變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或者雙向可以分為單拍和雙拍電路。由于本論文的重點是逆變部分，這里不做贅述。</p><p>　　3.3 直流升壓變換電路</p><p>　　3.3.1 直流升壓變換電路的原理</p><

88、;p>　　直流輸出電壓的平均值高于直流輸入電壓的變換電路叫升壓變換電路又叫Boost電路，Boost電路是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主要用到的斬波技術(shù),其具有輸入電流連續(xù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點。在低風(fēng)速時,風(fēng)力發(fā)電機輸出的電壓較低,經(jīng)整流器輸出的電壓也會較低,較低的電壓會影響逆變器的運行特性,因此中間需增加升壓變換電路以提高逆變器的輸入電壓,滿足逆變器運行的要求。升壓變換電路的原理可用圖來說明。</p><p>

89、　　圖3.2 直流升壓變換電路圖</p><p>　　3.4逆變電路的原理</p><p>　　逆變電路就是將一直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電的電力電子電路。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器的性能應(yīng)該滿足：輸出的相電壓、相電流應(yīng)與電網(wǎng)電壓同頻同相，盡量達(dá)到單位功率因數(shù)，減少向電網(wǎng)注入諧波，性能穩(wěn)定可靠，抗電磁干擾能力強，電磁兼容性好等要求。本文選用的逆變電路見下圖。</p><

90、;p>　　圖3.3 三相橋式逆變電路</p><p>　　逆變電路中為工開關(guān)器件，為續(xù)流二極管，每個橋臂都由一個IGBT開關(guān)器件與一個反并聯(lián)二極管組成，其后可接L，C構(gòu)成濾波器濾去逆變器輸出的高次諧波，以盡量避免給電網(wǎng)注入諧波。該逆變電路的基本工作方式有導(dǎo)電型和導(dǎo)電型，在導(dǎo)電方式中，在一個開關(guān)周期中，六個開關(guān)管導(dǎo)通的順序依次為，各相差，在任意時刻都有三個開關(guān)管導(dǎo)通，導(dǎo)通的組合順序為、、、、、。</p&

91、gt;<p>　　3.5 逆變器的控制技術(shù)</p><p>　　3.5.1 逆變器控制技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　逆變器的控制技術(shù)從實現(xiàn)手段上分為模擬控制技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù),模擬控制技術(shù)有PWM控制、單周期控制、滯環(huán)電流控制、三角波電流控制、變結(jié)構(gòu)控制等。數(shù)字控制技術(shù)有PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、無差拍控制等。在逆變器中應(yīng)用最多的是PWM控制技術(shù)。PWM控制技術(shù)就

92、是通過控制電力半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷產(chǎn)生一定形狀的電壓脈沖序列,經(jīng)過低通濾波器后實現(xiàn)電能變換,并有效地控制和消除諧波的一種技術(shù)。目前最常用的PWM控制技術(shù)有正弦脈沖調(diào)制技術(shù)和空間矢量調(diào)制技術(shù),也稱為SPWM技術(shù)和SVPWM技術(shù)。</p><p>　　SPWM技術(shù)的基本思路是：通過控制逆變電路電子開關(guān)器件的開通和關(guān)斷從而得到一系列等幅不等寬的矩形脈沖,然后用這些矩形脈沖來等效正弦波。下面用圖3.4來說明怎樣用等幅不

93、等寬的脈沖序列來代替正弦半波的將圖3.4(a)中的正弦正半波電壓等分成N份，每一份的寬度都為二/N但其幅值不相等，如果把正弦曲線等寬不等幅的每一等份所包圍的區(qū)域面積都用一個與它等面積的矩形脈沖來等效，如圖中區(qū)域S，與區(qū)域S：的面積相等，并且矩形脈沖的中點與的中點重合，于是就得到了圖3.4(b)所示的一系列正半周脈沖，用相同的方法來等效正弦波的另外負(fù)半波。于是最終就得到了按正弦規(guī)律變化和正弦波等效的PWM波形。產(chǎn)生這種波形的最早、最成熟的

94、傳統(tǒng)方法是計算法，計算法過程比較繁瑣，而且如果需要輸出的正弦波頻率、相位或幅值變化時，計算結(jié)果都會發(fā)生變化。一般常采用的是調(diào)制法，用正弦波作為調(diào)制波,等腰三角波作為載波,當(dāng)正弦波與三角載波相交時,在交點時刻產(chǎn)生控制信號,按正弦波變化規(guī)律控制半導(dǎo)體器件的開通與關(guān)斷,于是就可以得到一系列幅值相等而且脈沖寬度正比與對應(yīng)區(qū)間正弦波函數(shù)值的矩形脈沖序列。</p><p>　　圖3.4用PWM波形代替正弦半波</p&g

95、t;<p>　　SPWM調(diào)制又分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制，其調(diào)制方式分別用圖3.5和3.6來表示。</p><p>　　圖3.5單極性PWM控制方式</p><p>　　圖3.6雙極性PWM控制方式</p><p>　　SPWM調(diào)制方法原理簡單，算法成熟，通用性強，控制和調(diào)節(jié)性能好，開關(guān)頻率固定，輸出的電壓只含有固定頻率的高次諧波分量，而且濾波設(shè)計簡單

96、，是目前應(yīng)用最廣泛的逆變控制技術(shù)。</p><p>　　空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM,Space Vector Pulse Width Modulation)技術(shù)是由德國學(xué)者H.w.vmlderBroek等人提出的。它是建立在交流異步電機磁場理論基礎(chǔ)上的一種調(diào)制策略。其主要思想是脫離了傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制，通過逆變器空間電壓矢量的不斷切換來獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場，在開關(guān)頻率大約為(1~3KHz)的范圍時，能更好的控制交

97、流電動機提高其性能?，F(xiàn)在的SVPWM技術(shù)不僅僅使用在電機應(yīng)用的場合，其使用范圍己經(jīng)更為廣泛，其應(yīng)用在三相逆變電路中時，在逆變器不同的開關(guān)模式下產(chǎn)生實際的磁鏈?zhǔn)噶浚缓笕ケ平鶞?zhǔn)磁鏈圓。逆變器的開關(guān)狀態(tài)由它們的比較結(jié)果決定，然后形成PWM波形。在三相橋式電壓源型逆變電路中由同一橋臂的開關(guān)器件“先通后斷”的導(dǎo)通原則可知，在開關(guān)模式下六個開關(guān)管共有八種開關(guān)狀態(tài)(000~111)，其中“l(fā)”代表上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷，“0”代表下橋臂導(dǎo)通，上橋

98、臂關(guān)斷。有效的狀態(tài)只有六個，狀態(tài)000和111不輸出電壓為零矢量，其它狀態(tài)形成的空間電壓矢量如圖3.7，空間電壓矢量的幅值和旋轉(zhuǎn)角度表示該時刻對應(yīng)的逆變橋輸出PWM波的基波幅值大小和頻率大小。假設(shè)逆變</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　空間電壓矢量的相位表示不同的PWM脈沖開關(guān)時刻。利用八種空間矢量的組去擬合一個磁鏈圓。將一個圓等分為

99、六份，每一份稱為一個扇區(qū)I~VI，當(dāng)任意一個空間矢量落在某一扇區(qū)時，這個矢量就可以用這個扇區(qū)內(nèi)的非零矢量和兩個零矢量的合成矢量來表示。如果這個矢量勻速在S復(fù)平面上旋轉(zhuǎn)，就能得到三相對稱的正弦矢量。由于受實際情況的限制，只有當(dāng)PWM開關(guān)頻率足夠高時，其運動軌跡才越迫近圓。空間電壓矢量的合成過程用下圖3.7來說明。</p><p>　　圖3.7電壓空間矢量六邊形</p><p>　　圖中在I區(qū)

100、，由及合成,根據(jù)平行四邊形合成法則,</p><p><b>　　（3.2）</b></p><p>　　式中、矢量。、在一個開關(guān)周期中的持續(xù)時間；的一個開關(guān)周期。</p><p>　　零矢量、的持續(xù)時間為、時,則。</p><p>　　SVPWM控制有以下優(yōu)點：</p><p>　?。?）與常規(guī)

101、的SPWM控制相比，在三相電壓型逆變電路中直流電壓利用率提高約15.4%。</p><p>　?。?）與常規(guī)的SPWM控制相比，SVPWM控制的動態(tài)跟蹤性能更好。</p><p>　　（3）與常規(guī)的SPWM控制相比，在相同的波形質(zhì)量條件下，SVPWM控制的開關(guān)頻率較低，平均降低了30%左右，從而在很大程度上降低了功率開關(guān)管的開關(guān)損耗。</p><p>　　3.5.2

102、 跟蹤控制法</p><p>　　這里介紹產(chǎn)生PWM枷波形的另一種方法一跟蹤控制法。這種方法是把預(yù)期想得到的波形當(dāng)作指令信號，把實際輸出的波形當(dāng)作反饋信號，把它們的瞬時值進(jìn)行比較，然后用其比較的結(jié)果來控制逆變電路各開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使實際的輸出電壓或電流波形能動態(tài)跟隨指令信號變化，這種方法不同于調(diào)制法。跟蹤控制有電流跟蹤控制和電壓跟蹤控制，與電壓反饋相比，電流反饋具有自身的優(yōu)越性，由于客觀的需要和電壓反饋本身的

103、局限性，使電流反饋控制得到廣泛的應(yīng)用。下面簡要介紹兩種實際中常用的跟蹤控制方法。</p><p>　?。?）滯環(huán)比較方式的電流跟蹤控制</p><p>　　基本原理：指令電流和實際輸出的電流i的差值為，把作為滯環(huán)比較器的輸入，用滯環(huán)比較器的輸出去控制開關(guān)器件，的開關(guān)狀態(tài)(，為單相半橋式逆變電路中的開關(guān)器件)，i增大或減小取決于，導(dǎo)通或?qū)ǎ瑴h(huán)比較器的環(huán)寬為2△I時，i則在其控制下，呈鋸齒

104、狀地跟隨廣，跟隨范圍在i*-△I和i*+△I之間。滯環(huán)比較方式下的電流跟蹤控制結(jié)構(gòu)圖如下圖3.8。</p><p>　　圖3.8 滯環(huán)比較方式下的電流跟蹤控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　采用滯環(huán)電流跟蹤控制的特點有：</p><p>　?、?具有較高的穩(wěn)定性；</p><p>　?、?具有較快的瞬態(tài)響應(yīng)，魯棒性好；</p>&l