繼續(xù)教育電氣心得體會(huì)

1、2014年繼續(xù)教育電氣工程專業(yè)可再生能源系統(tǒng)中的電能變換 與控制技術(shù)學(xué)習(xí)心得一.引言能源是人類經(jīng)濟(jì)及文化活動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。在20世紀(jì)的一次能源結(jié)構(gòu)中，主要是石油、天然氣和煤炭等化石能源。經(jīng)過(guò)人類數(shù)千年，特別是近百年的消費(fèi)，這些化石 能源己近枯竭。開發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能源結(jié)構(gòu)是 人類必須采取的措施，使以資源有限、污染嚴(yán)重的石化能源為主的能源結(jié)構(gòu)將逐步轉(zhuǎn) 變?yōu)橐再Y源無(wú)限、清潔干凈的可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、燃料電池等可再生能源作?新興的綠色能源，以其永不枯竭、無(wú)污染、不受地域資源限制等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的 推廣應(yīng)用。可再生能

2、源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大，使其逐步從補(bǔ)充型能源向替代 型能源過(guò)渡。光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。圖1-1是一個(gè)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由太陽(yáng)能、光伏陣列、雙向直流變換器、蓄電池 或超級(jí)電容和并網(wǎng)逆變器構(gòu)成。光伏陣列除保證負(fù)載的正常供電外，將多余電能通過(guò) 雙向直流變換器儲(chǔ)存到蓄電池或超級(jí)電容中；當(dāng)光伏陣列不足以提供負(fù)載所需的電能 時(shí)，雙向直流變換器反向工作向負(fù)載提供電能。太陽(yáng)能.無(wú)伏后列一逆變器蓄電浦成雙向立渣超堤電容變換器圖1-1太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電按照風(fēng)輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否恒定分為定轉(zhuǎn)速運(yùn)行與可變速運(yùn)行兩種方式。GB

3、風(fēng)機(jī)同步電機(jī)電網(wǎng)按照發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)區(qū)分，有異步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、永磁式發(fā)電機(jī)、無(wú)刷雙饋發(fā)電 機(jī)和開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等機(jī)型。風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行、與其它 發(fā)電方式互補(bǔ)運(yùn)行等。勵(lì)磁 r變換器圖1-2 一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖燃料電池發(fā)電系統(tǒng)燃料電池是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能的 電化學(xué)裝置。燃料電池發(fā)電最大的優(yōu)勢(shì)是高效、潔凈，無(wú)污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、 積木性強(qiáng)、不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，其效率可達(dá)40%-65%燃料電池被 稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力裝置圖1-3燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖混合能源發(fā)電系統(tǒng)利

4、用風(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源天然的互補(bǔ)性而構(gòu)成的風(fēng)力/太陽(yáng)能混合發(fā)電系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)因風(fēng)能、太陽(yáng)能資源間歇性不穩(wěn)定所帶來(lái)的可靠性低的缺陷，在一定程度上提供穩(wěn)定可靠電能。太陽(yáng)能光伏制氫儲(chǔ)能燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。圖1-4太陽(yáng)能光伏制氫儲(chǔ)能燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖二.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的整流技術(shù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能饋送到電網(wǎng)上或者單獨(dú)向負(fù)載供電，期間能流轉(zhuǎn)換的本質(zhì)是機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，所涉及的變流（電能變換）技術(shù)主要有整流技術(shù)、 斬波技術(shù)和逆變技術(shù)。不可控整流方案在直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于發(fā)電機(jī)出口電壓的幅值和頻率總在變化，需要先通過(guò)整流電路將該交流信號(hào)變換成直流電，然后再經(jīng)

5、過(guò)逆變器變換為恒頻恒壓的交流電連接到電網(wǎng)。但是在整流過(guò)程中，由于電力電子器件的作用使得發(fā)電機(jī)側(cè)功率因數(shù)變低并且電流諧波增大，給發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行帶來(lái)了不利影響。然而，由于該種方 案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低廉。該系統(tǒng)前端采用不可控整流橋整流為直流，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的變壓變頻的交流 電轉(zhuǎn)化為直流電，最后經(jīng)過(guò)變流器環(huán)節(jié)將電流送人電網(wǎng)。該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，控制 簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合于中小功率場(chǎng)合。多脈波不可控整流方案圖2-1不可控整流器與逆變器的直驅(qū)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不可控整流方案的缺點(diǎn)在于交流側(cè)諧波含量大，降低了系統(tǒng)的效率，給系統(tǒng)帶來(lái) 了不良影響。多脈波不可控整流技術(shù)可以顯著降低交流側(cè)的電流諧波，降低直

6、流側(cè)的 電壓脈動(dòng)，已經(jīng)在電源、變頻器等多種場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。三相單管整流方案不可控整流橋會(huì)向發(fā)電機(jī)注人大量的5次、7次、11次低頻諧波，電流的畸變率很大，約為大量的諧波電流會(huì)在發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生大量損耗，使發(fā)電機(jī)溫度上升，縮短發(fā)電機(jī)壽命，系統(tǒng)效率降低 八因此，如果能使發(fā)電機(jī)輸出電 流正弦化，減少電流諧波，就能減少發(fā)電機(jī)損耗，增加系統(tǒng)效率。三相單管整流方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、并聯(lián)無(wú)需均流等特點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，因而受到廣泛關(guān)注。(1)三相單管整流電路拓?fù)鋱D采用三相單管整流技術(shù)的直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，風(fēng)力機(jī)與低速永磁同步發(fā)電機(jī)直接連接，在發(fā)電機(jī)的輸出端采用三相單管整流電路進(jìn)行升壓

7、、穩(wěn)壓后逆變并網(wǎng)與傳統(tǒng)的直驅(qū)系統(tǒng)相比，三相單管整流電路將升壓電感放在了整流橋前端，在實(shí)現(xiàn)整 流的同時(shí)，還具有升壓、穩(wěn)壓功能，同時(shí)還能對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓電流進(jìn)行功率因數(shù)校 正。這種結(jié)構(gòu)增加了兩個(gè)電感以及一個(gè)輸入低通濾波器，但是減少了一個(gè)電容器，在 系統(tǒng)成本沒有增加太多的情況下實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓電流的功率因數(shù)校正，提高 了發(fā)電機(jī)有功功率輸出能力，減小了電流諧波含量，進(jìn)而降低了發(fā)電機(jī)損耗，提高了 系統(tǒng)效率。圖2-6帶三相單管Boost PFC的直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(2)三相單管整流電路工況分析三相單管整流電路的主電路如圖2-7所示，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)功率因數(shù)校正，電路工作 在斷續(xù)電流模式(DMC圖2-7三相單管

8、Boost PFC主電路(3)三相單管整流電路控制策略三相單管整流電路控制簡(jiǎn)單，可靠性高，其控制方法如圖2-9所示?？刂葡到y(tǒng)只采用一個(gè)電壓外環(huán)，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正及穩(wěn)定輸出電壓的目的。輸出電壓與參考電壓的差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后，通過(guò)限幅環(huán)節(jié)保證系統(tǒng)工作在DCM再通過(guò)PWM合定功率管開關(guān)信號(hào)，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，可靠性高。圖2-9三相單管整流電路的控制器原理圖三相單管整流器的開關(guān)頻率固定、元件數(shù)量少、成本低、控制簡(jiǎn)單、可靠性高,應(yīng)用于直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，可以對(duì)發(fā)電機(jī)輸出進(jìn)行功率因數(shù)校正，提高發(fā)電機(jī)有功功率輸出能力，減小電流諧波含量，降低發(fā)電機(jī)損耗，提高了系統(tǒng)效率，具有一定 的應(yīng)用前景。PW譴流方案采用PW

9、灌流方案可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直流電壓輸出，且輸人側(cè)的電流波形良好，功率因數(shù)可調(diào)，具備寶貴的四象限運(yùn)行能力。然而其結(jié)構(gòu)和控制方法較為復(fù)雜，成本較高。但是隨著電力電子技術(shù)特別是開關(guān)器件制造技術(shù)的發(fā)展，PW慳流器的成本問題已經(jīng)有所緩和，應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為了未來(lái)變流技術(shù)的一種趨勢(shì)。PW慳流器的基本拓?fù)淙鐖D2-13所示，對(duì)于三相整流場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，主拓?fù)洳糠旨礊?三相全橋電路，開關(guān)管采用IGBT、MOSFE等全控型器件。三相輸人側(cè)串聯(lián)三組輸入端 電感，直流輸出側(cè)并聯(lián)電容。圖2-13三相PW庵流器的開關(guān)等效電三.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的斬波技術(shù)斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)的是直流到直流的變換，直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中， 采用不可控

10、整流方案的場(chǎng)合很多，此時(shí)發(fā)電機(jī)（通常采用永磁發(fā)電機(jī)）發(fā) 出的三相電通過(guò)三相不可控整流橋整流后，再進(jìn)行逆變?nèi)缓蟛⒕W(wǎng)發(fā)電。但 由于同步發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速時(shí)輸出電壓較低，無(wú)法將能量回饋至電網(wǎng)，因此 實(shí)用的電路往往在直流側(cè)加人一個(gè)Boost升壓電路，在低速時(shí)，由升壓電路先將整流器輸出的直流電壓提升。采用此電路可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在 非常寬的調(diào)速范圍。Boost電路是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主要用到的斬波技術(shù)， 其具有輸人電流連續(xù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)。Boost斬波器Boost斬波器是常用的DC/DC升壓斬波器，其拓?fù)淙鐖D 3-1所示。圖3-1中，5nt表示輸入電壓，Uo表示輸出電壓，Ro為負(fù)載。采用 不同的

11、占空比控制開關(guān) S,便可以控制輸出電壓。圖3-1 Boost電路拓?fù)銪oost斬波器PFC控制結(jié)合風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)合，鑒于功率因數(shù)校正目的，有必要利用Boost電路完成PFC的功能。目前在Boost技術(shù)中常用的兩種 PFCS調(diào)整器控制方法 是固定頻率（FF） PWMf過(guò)渡模式（TM PWM固定開通時(shí)間，變頻）技術(shù)。 前者利用平均電流模式控制，控制技術(shù)及控制芯片較為復(fù)雜，需要較多的 外圍元件，Boost電感工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）Fo后者利用簡(jiǎn)單的峰 值電流控制，只需要很少的外圍原件，Boosl電感工作在介于連續(xù)和斷續(xù)模式的臨界情況下。對(duì)于給定的功率輸出，TM方式比FF-CCM&式的峰值電流更大，

12、因此TM方式多用于小功率場(chǎng)合，而 FF-CC昉式用于大功率場(chǎng) 合。固定關(guān)斷時(shí)間集合了 FF和TM兩者的優(yōu)點(diǎn)?？刂品椒ê?TM PFC一樣 簡(jiǎn)單，也是利用峰值電流控制，只箝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TM控制器核心周圍增加幾個(gè)無(wú)源組件，易于實(shí)現(xiàn)。不需要斜率補(bǔ)償，電流回路無(wú)條件穩(wěn)定。升 壓電感器無(wú)需輔助繞組。EMI （電磁干擾）濾波器濾波簡(jiǎn)易，高頻電流紋 波與FfCCMPFC勺相同。效率高，傳導(dǎo)功耗與 FF-CCM PFC勺相同；與電容 和二極管反向恢復(fù)相關(guān)的功耗低于FF-CCMS向恢復(fù)不像在FF-CC時(shí)那樣關(guān)鍵。四.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的逆變技術(shù)基于晶閘管的逆變方案如圖4-1所示，系統(tǒng)中整流部分采用三相不可控整流，逆

13、變器的開關(guān) 管采用晶閘管，并在網(wǎng)側(cè)并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。與自關(guān)斷型開關(guān)管（如IGBT）相比，晶閘管技術(shù)成熟，成本低，功率等級(jí)高，可靠性高 在過(guò)去的幾十年中，相控強(qiáng)迫換相變流器用于高壓直流輸電系統(tǒng)和變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。晶閘管逆變器成本低，輸人電網(wǎng)電流的諧波含量高，為了消除輸入電 網(wǎng)的諧波電流，可以加入補(bǔ)償系統(tǒng)。補(bǔ)償系統(tǒng)的控制比較復(fù)雜，但是容量 比較大，這會(huì)增加系統(tǒng)成本。為了更好地消除諧波，可以采用多脈波晶閘 管等方法，但是會(huì)使系統(tǒng)成本有所增加。風(fēng)力機(jī) 永祺同步 不可控賴流爵晶雨管發(fā)電機(jī)說(shuō)費(fèi)器料健系統(tǒng)圖4-1不可控整流后接晶閘管逆變器和無(wú)功功率補(bǔ)償型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電壓源型PWME變方案電壓源型PW隨變

14、方案是當(dāng)前主要應(yīng)用的逆變方案，該方案的拓?fù)淙鐖D4-2所示，采用的結(jié)構(gòu)為三相全橋，開關(guān)器件為全控型開關(guān)器件，如IGBT、MOSFETfo電流源型逆變方案圖4-9是不可控整流+電流源型逆變器的結(jié)構(gòu)圖，圖 4-9a由晶閘管構(gòu) 成逆變器，晶閘管具有成本低、功率等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，在早期的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中使用較多；但是晶閘管變流器工作時(shí)需要吸收無(wú)功功率，并且會(huì)在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生很大的諧波電流，必須增加補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)，這將增加系統(tǒng)的成本和控制的復(fù)雜性。圖 4-9b由全控型器件構(gòu)成逆變器，和圖4-9a比較，能夠?qū)崿F(xiàn)自換流，使輸出諧波大大減小， 可以省去補(bǔ)償系統(tǒng)邳由魚向哲構(gòu)成送交嘉圖4-9不可控整

15、流+電流源型逆變器結(jié)構(gòu)圖4-10是不可控整流+電壓源型逆變器的結(jié)構(gòu)圖。由不可控整流得到的直 流側(cè)電壓隨輸入而變化，通過(guò)全控型器件構(gòu)成電壓源型逆變器（VSI）,可以通過(guò)改變調(diào)制比來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電壓頻率和幅值恒定；這種拓?fù)淇梢赃M(jìn)一 步提高開關(guān)頻率，減小諧波污染，靈活調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功 功率，從而調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)（PMS取轉(zhuǎn)速，使其具有最大風(fēng)能捕獲 的功能；缺點(diǎn)是不能直接調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，不可控整 流會(huì)造成定子電流諧波含量較大，會(huì)增大發(fā)電機(jī)損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且當(dāng) 風(fēng)速變化范圍較大時(shí)，VSI的電壓調(diào)節(jié)作用有限。以力機(jī)圖4-10不控整流+電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)與VSI相比較，電流源型逆變器（CSI）容易實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，由于直流側(cè)存在大電感，抗電流沖擊能力強(qiáng)，系統(tǒng)的可靠性更高，但是CSI容易受電網(wǎng)電壓變化的影響，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，并且諧波問題較大，功率因 數(shù)低。因此，綜合成本、效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等因素，電壓源型逆變器具有更 大的優(yōu)勢(shì)，目前在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中使用較多?？傊ㄟ^(guò)本次2014年度專業(yè)技術(shù)人員繼續(xù)教育知識(shí)更新培訓(xùn)的學(xué) 習(xí)，體會(huì)到可再生能源系