新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)全套課件

新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)1

第2章電源變換和控制技術(shù)基礎(chǔ)知識22.1電力電子器件及應用2.2AC-DC變換電路2.3DC-DC變換電路2.4DC-AC變換電路2.5AC-AC變換電路2.6多級復合形式的變換電路2.7半導體功率器件的驅(qū)動與保護電路

本章主要內(nèi)容3

◆電力電子器件的概念和特征◆電力電子器件的分類

◆不可控器件——電力二極管

◆半控型器件——晶閘管

◆電力場效應晶體管——電力MOSFET

◆絕緣柵雙極型晶體管——IGBT2.1電力電子器件及應用42.1.1電力電子器件的概念和特征◆電力技術(shù)（電力設備、電力網(wǎng)絡）◆電子技術(shù)（電子器件、電子電路）◆控制技術(shù)（連續(xù)、離散）51974年美國學者W.Newell用于表征電力電子技術(shù)的倒三角62.1.2電力電子器件的分類

◆電力電子及其特性◆電力電子器件的分類

◆幾種典型的電力電子器件

7電力電子及其特性電力電子器件被廣泛用于處理電能的主電路中，是實現(xiàn)電能的傳輸、變換或控制的電子器件。電力電子器件所具有的主要特征為：①電力電子器件處理的電功率的大小是其主要的特征參數(shù)。②電力電子器件往往工作在開關(guān)狀態(tài)；③在實際應用中因此需要驅(qū)動電路對控制信號進行放大。8電力電子器件的分類1、按可控性分類（1）不控型器件：不能用控制信號控制其導通和關(guān)斷的電力電子器件。如：功率二極管（PowerDiode）。9（2）半控型器件：可以通過控制極（門極）控制器件導通，但不能控制其關(guān)斷的電力電子器件。晶閘管(Thyristor)及其大部分派生器件(除GTO及MCT—MOSFET控制晶閘管等復合器件外)，器件的關(guān)斷一般依靠其在電路中承受反向電壓或減小通態(tài)電流使其恢復阻斷。10（3）全控型器件件：既可以通通過器件的控控制極（門極極）控制其導導通，又可控控制其關(guān)斷的的器件。主要要有：功率晶晶體管（GTR）、絕緣柵雙雙極型晶體管管(IGBT)、門極可關(guān)斷斷晶閘管（GTO）和電力場效效應晶體管(P-MOS)等。112、按驅(qū)動信號號類型分類(1)電流驅(qū)動型：：通過對控制制極注入或抽抽出電流，實實現(xiàn)其開通或或關(guān)斷的電力力電子器件稱稱為電流驅(qū)動動型器件，如如Thyrister，GTR，GTO等。(2)電壓驅(qū)動型：：通過對控制制極和另一主主電極之間施施加控制電壓壓信號，實現(xiàn)現(xiàn)其開通或關(guān)關(guān)斷的電力電電子器件稱為為電壓驅(qū)動型型器件，如P－MOSFET，IGBT等。12幾種典型的電力電電子器件不可控器件――電力二極管半控型器件――晶閘管電力場效應晶晶體管――電力MOSFET絕緣柵雙極型型晶體管――IGBT131、不可控器件件――電力二極管（1）電力二極管管的基本特性性：電力二極極管（PowerDiode）承受的反向向電壓耐力與與陽極通流能能力均比普通通二極管大得得多，但它的的工作原理和和伏安（V－A）特性與普通通二極管基本本相同，都具具有正向?qū)щ婋娦院头聪蜃枳钄嘈?。電力力二極管的電電路符號和靜靜態(tài)特性（即即伏安特性））如下圖所示示。圖2-1電力二極管電電路符號及伏伏安（V－A）特性14（2）電力二極管管的主要參數(shù)數(shù)正向平均電流流IF(AV)：電力二極管管在連續(xù)運行行條件時，器器件在額定結(jié)結(jié)溫和規(guī)定的的散熱條件下下，允許流過過的最大工頻頻正弦半波電電流的平均值值。反向重復峰值值電壓URRM：指對電力二二極管所能重重復施加的反反向最高峰值值電壓，通常常是雪崩擊穿穿電壓URBO的2/3。15正向通態(tài)壓降降UF：在額定結(jié)溫溫下，電力二二極管在導通通狀態(tài)流過某某一穩(wěn)態(tài)正向向電流（IF）所對應的正正向壓降。正正向壓降越低低，表明其導導通損耗越小小。反向恢復電流流IRP及反向恢復時時間trr：反向恢復時時間trr通常定義為從從電流下降為為零至反向電電流衰減至反反向恢復電流流峰值25％的時間。反反向恢復電流流IRP及恢復時間trr與正向?qū)〞r時的正向電流流IF及電流下降率率diF/dt密切相關(guān)。反向恢復過程程：受二極管PN結(jié)中空間電荷荷區(qū)存儲電荷荷的影響，向向正向?qū)ǖ牡亩O管施加加反向電壓時時，二極管不不能立即轉(zhuǎn)為為截止狀態(tài)，，只有存儲電電荷完全復合合后，二極管管才呈現(xiàn)高阻阻狀態(tài)。162、半控型器件件――晶閘管圖2-2晶閘管電路符符號及伏安（（V－A）特性優(yōu)點：晶閘管可以承承受的電壓、、電流在功率率半導體中均均為最高，具具有價格便宜宜、工作可靠靠的優(yōu)點，盡盡管其開關(guān)頻頻率較低，但但在大功率、、低頻電力電電子裝置中仍仍占主導地位位。17（1）基本特性：：電流觸發(fā)特性性：當晶閘管A－K極間承受正向向電壓時，如如果G－K極間流過正向向觸發(fā)電流，，就會使晶閘閘管導通。單向?qū)щ娞匦孕裕寒敵惺芊聪蛳螂妷簳r，此此時無論門極極有無觸發(fā)電電流，晶閘管管都不會導通通。半控型特性：晶閘管一旦旦導通，門極極就失去作用用；此時，不不論門極電流流是否存在、、觸發(fā)電流極極性如何，晶晶閘管都維持持導通。要使使導通的晶閘閘管恢復關(guān)斷斷，可對其A－K極間施加反向向電壓或使其其流過的電流流小于維持電電流（IH）。18（2）主要參數(shù)額定電壓UT：晶閘管在額額定結(jié)溫、門門極開路時，，允許重復施施加的正、反反向斷態(tài)重復復峰值電壓UDRM和URRM中較小的一個個電壓值稱為為晶閘管的額額定電壓UT。正、反向斷態(tài)態(tài)重復峰值電電壓UDRM、URRM：晶閘管門極開開路(Ig=0)、器件在額定定結(jié)溫時，允允許重復加在在器件上的正正、反向峰值值電壓。一般般分別取正、、反向斷態(tài)不不重復峰值電電壓（UDSM、URSM）的90%。正向斷態(tài)不不重復峰值電電壓應小于轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折電壓（Ubo）。通態(tài)平均電流流IT(AV)：在環(huán)境溫度為為40℃和規(guī)定的散熱熱條件下、穩(wěn)穩(wěn)定結(jié)溫不超超過額定結(jié)溫溫時，晶閘管管允許流過的的最大工頻正正弦半波電流流的平均值。。這也是額定定電流的參數(shù)數(shù)。維持電流IH：維持晶閘管導導通所必需的的最小電流，，一般為幾十十到幾百mA。193、電力場效應應晶體管――電力MOSFET（1）基本特性圖2-3電力MOSFET結(jié)構(gòu)圖和電路路圖形符號20a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性圖2-4電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和和輸出特性21（2）主要參數(shù)漏極電壓UDS漏極直流電流流額定值ID和漏極脈沖電電流峰值IDM漏源通態(tài)電阻阻RDS(on)：在柵源間施施加一定電壓壓（10～15V），漏源間的的導通電阻。。柵源電壓UGS：柵源之間的的絕緣層很薄薄，當|UGS|>20V時將導致絕緣緣層擊穿。極間電容：MOSFET的3個電極之間分分別存在極間間電容CGS、CGD、CDS。一般生產(chǎn)廠廠商提供的是是漏源極短路路時的輸入電電容Ciss、共源極輸出出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電電容Crss。Ciss=CGS+CGD（2-1）Crss=CGD（2-2）Coss=CDS+CGD（2-3）224、絕緣柵雙極型型晶體管――IGBT（1）基本特性：圖2-5IGBT電路符號圖形靜態(tài)特性與P-MOSFET類似；UGE=0時IC=0，IGBT處于阻斷狀態(tài)（（斷態(tài)）；UGE足夠大（一般為為5~15V），IGBT進入導通狀態(tài)（（通態(tài)），當UCE大于一定值（一一般2V左右）時IC>0。優(yōu)點：驅(qū)動功率率小、開關(guān)速度度高通流能力強強、耐壓等級高高23（2）主要參數(shù)最大集射極間電電壓BUCES：該參數(shù)決定了了器件的最高工工作電壓，這是是由內(nèi)部PNP晶體管所能承受受的擊穿電壓確確定的。最大集電極電流流ICM：包括在一定殼殼溫下的額定直直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。最大集電極功耗耗PCM：在正常工作溫溫度下允許的最最大耗散功率。。集射極間飽和壓壓降UCE(sat)：對柵極與發(fā)射射極（G－E）間施加一定正正向電壓，在一一定的結(jié)溫及集集電極電流條件件下，集射極（（C－E）間的飽和通態(tài)態(tài)壓降。此壓降降在集電極電流流較小時，呈負負溫度系數(shù)，在在電流較大時，，為正溫度系數(shù)數(shù)，這一特性使使IGBT并聯(lián)運行較為容容易。24現(xiàn)代電力電子的的應用◆電力電子變換與與控制技術(shù)（以以四大變換展開開）◆諧波抑制與功率率因素校正技術(shù)術(shù)◆電力電子技術(shù)的的典型應用案列列25電力電子變換與與控制系統(tǒng)1.主要由AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC四大基本變換及及其組合構(gòu)成的的主電路拓撲。。2.現(xiàn)代電力電子裝裝置的控制系統(tǒng)統(tǒng)由微電子器件件（硬件）、控控制策略（軟件件）和檢測、保保護、驅(qū)動等組組成。26四大基本變化電電路AC-DC變換電路DC-DC變換電路DC-AC變換電路AC-AC變換電路272.2AC——DC變換電路交流――直流變換器（AC―DCConverter）的功能是將交交流電變換成直直流電，又稱為為整流器。28a、二極管整流電電路――不控整流名稱輸出電壓型輸出電流型單相半波單相全波表2-1常用二極管整流流器的主要形式式29單相橋式三相半波三相橋式續(xù)表2-130b、晶閘管整流電電路――相控整流名稱輸出電壓型輸出電流型單相半波單相全波單相橋式半控表2-2常用晶閘管整流流器的主要形式式31單相橋式全控三相半波三相橋式半控三相橋式全控續(xù)表2-232c、PWM整流電路――斬波整流圖2-6單相半橋整流器器圖2-7單相全橋整流器器33圖2-8三相電壓型PWM整流器圖2-9三相電流型PWM整流器342.3DC/DC變換電路直流――直流變換器（DC－DCConverter）的功能是將一一種直流電變換換為另一種固定定或可調(diào)電壓的的直流電，又稱稱為直流斬波器器（DCChopper）。35a、不隔離式單管管DC－DC變換器Buck變換器是一種降壓型DC－DC變換電路，輸出出電壓小于或等等于輸入電壓，，輸入電流斷續(xù)續(xù)。輸出電壓Uo=DyUin，占空比Dy=ton/Ts＝0～1(下同)。Boost變換器是一種升壓型DC－DC變換電路，輸出出電壓大于輸入入電壓，VT的占空比Dy必須小于1，輸入電流連續(xù)續(xù)。輸出電壓Uo=Uin/(1－Dy)。36Buck－Boost變換器一種升降壓型DC－DC變換電路，輸出出電壓大于或小小于輸入電壓，，輸出電壓極性性和輸入電壓極極性相反，輸入入電流斷續(xù)。輸輸出電壓Uo=－DyUin/(1－Dy)。Cúk變換器一種升降壓型DC－DC變換電路，輸出出電壓大于或小小于輸入電壓，，輸出電壓極性性和輸入電壓極極性相反，輸入入電流連續(xù)。輸輸出電壓Uo=－(Dy/1－Dy)Uin。37Sepic變換器一種升降壓型DC－DC變換電路，輸出電壓大于或小于輸入電壓，輸出電壓極性和輸入電壓極性相同，輸入電流連續(xù)。輸出電壓Uo=(Dy/1－Dy)Uin。Zeta變換器一種升降壓型DC－DC變換電路，輸出電壓大于或小于輸入電壓，輸出電壓極性和輸入電壓極性相同。輸入電流斷續(xù)。輸出電壓Uo=(Dy/1－Dy)Uin。38b、隔離型DC－DC變換器單端正激式DC－DC變換電路圖2-10單端正激變換器器主電路圖2-11正激變換器工作作波形39單端反激式DC－DC變換電路圖2-12單端反激式DC-DC變換電路40a)電流連續(xù)模式(CCM)b)電流斷續(xù)模式(DCM)圖2-13反激式變換器工工作波形412.4DC－AC變換電路將直流電變換為為交流電的過程程稱為逆變換或或DC－AC變換，實現(xiàn)逆變變的主電路稱為為DC－AC變換電路。通常常將DC－AC變換電路、控制制電路、驅(qū)動及及保護電路組成成的DC－AC逆變電源稱為逆逆變器（Inverter）。42a、常用的DC－AC逆變電路電壓型單相半橋橋逆變電路直流母線電容濾濾波，直流電壓壓Ud經(jīng)C1、C2分壓，VT1、VT2交替導通/關(guān)斷；負載上的的電壓幅值為Ud的一半，功率為為全橋逆變器的的四分之一；開開關(guān)管VT1、VT2上承受的最大電電壓為Ud；控制方式主要要是PWM脈寬調(diào)制控制，，移相控制等。。43電壓型單相全橋橋逆變電路直流母線電容Cd濾波，VT1、VT4和VT2、VT3交替導通/關(guān)斷；加在負載載上的電壓幅值值為Ud，輸出功率為半半橋逆變器的四四倍；開關(guān)管VT1～VT4上承受的最大電電壓為Ud；控制方式有單單極、雙極式PWM脈寬調(diào)制控制，，移相控制，調(diào)調(diào)頻控制等方式式。44電流型單相全橋橋逆變電路直流母線電感Ld濾波，VT1、VT4和VT2、VT3交替導通/關(guān)斷；負載上的的電流波形為方方波，幅值為Id；開關(guān)管VT1～VT4上承受的電壓為為負載上的電壓壓。負載上的電電壓幅值和相位位取決于負載阻阻抗大小和性質(zhì)質(zhì)。45電壓型三相橋式式逆變電路直流母線電容Cd濾波，負載線電電壓幅值為Ud，開關(guān)管VT1～VT6上承受的最大電電壓為Ud，控制方式有PWM脈寬調(diào)制、移相相控制、調(diào)頻控控制等方式，換換流方式有1800和1200兩種。適合4kW以上的三相負載載。46b、歸納DC－AC逆變電路的主要要拓撲形式電壓型逆變器電流型逆變器單相半橋逆變器器單相全橋逆變器器三相橋式逆變器器47c、逆變電路的參參數(shù)計算電壓型單相半橋橋逆變電路的參參數(shù)計算逆變器的輸入電電壓為Ud，輸出功率為P，可得通過負載載的電流有效值值為：對于阻感性負載載：選開關(guān)管VT1、VT2上的電壓定額為為：選開關(guān)管VT1、VT2上的電流定額為為：對于電阻性負載載和諧振負載：：（2-4）（2-5）（2-6）（2-7）48電壓型單相全橋橋逆變電路的參參數(shù)對于阻感性負載載：選開關(guān)管VT1、VT2上的電壓定額為為：選開關(guān)管VT1、VT2上的電流定額為為：對于電阻性負載載和諧振負載：：（2-8）（2-9）（2-10）（2-11）49電流型單相全橋橋逆變電路的參參數(shù)計算等效導納為：在諧振點工作時時，負載為等效效電阻Ro、諧振頻率為（2-12）（2-13）50將代代入R0，得開關(guān)管VT1、VT2上的電壓定額為為開關(guān)管VT1、VT2上的電流定額為為其中為逆變器輸輸入電流，由負負載輸出功率P求得（2-17）（2-16）（2-15）（2-14）51電壓型三相全橋橋逆變電路的參參數(shù)計算對于電阻性負載載對于電阻電感性性負載開關(guān)管VT1~VT6上的電流定額為為開關(guān)管VT1~VT6上的電壓定額為為（2-21）（2-20）（2-19）（2-18）522.5AC－AC變換電電路交流――交流變變換器器（AC－ACConverter）分為為三大大類：：第一類類頻頻率率不變變僅改改變電電壓大大小的的AC－AC電壓變變換器器；第二類類直直接接將一一定頻頻率的的交流流電變變換為為較低低頻率率交流流電的的相相控控式AC－AC直接變變換器器；在在直接接變頻頻的同同時也也可實實現(xiàn)電電壓變變換，，實現(xiàn)現(xiàn)降頻頻降壓壓變換換；第三類類PWM斬波式式AC--AC變換器器，即即可實實現(xiàn)降降壓又又可升升壓，，還可可以實實現(xiàn)變變頻控控制，，是一一種高高性能能的變變換器器，目目前處處于研研究階階段。。53a、單相相全控控AC-AC變換電電路電路特特點：：單相全全控型型電壓壓控制制器，，是最最基本本的交交流調(diào)調(diào)壓電電路。。圖中中2只普通通晶閘閘管（（T1、T2）可由由一只只雙向向晶閘閘管取取代，，但有有效電電流定定額需需擴大大約70%。54b、單相相半控控AC-AC變換電電路電路特特點：：節(jié)省了了一個個晶閘閘管，，但移移相控控制運運行時時輸出出電壓壓正負負半波波不對對稱，，會給給交流流電網(wǎng)網(wǎng)帶來來諧波波污染染，不不宜用用于較較大功功率的的調(diào)壓壓控制制場合合。55c、帶中中性線線N，星形形聯(lián)結(jié)結(jié)電路特特點：：帶一根根電源源中性性線，，相當當于三三只單單相晶晶閘管管交流流調(diào)壓壓器的的組合合，適適合帶帶中線線的星星形平平衡負負載調(diào)調(diào)壓或或調(diào)功功。缺缺點是是三相相不平平衡運運行時時，中中線含含有較較大電電流及及諧波波。56d、無中中性線線的三三相連連接電路特特點：：三相負負載可可為星星形、、三角角形聯(lián)聯(lián)結(jié)，，每相相電路路通過過另一一相形形成回回路。。不對對稱運運行時時，Δ形負載載內(nèi)部部有較較大環(huán)環(huán)流。。57e、內(nèi)△聯(lián)接的的控制制器電路特特點：：反并聯(lián)聯(lián)晶閘閘管與與各相相負載載串聯(lián)聯(lián)后再再接成成三角角形，，相當當于三三個單單相電電壓控控制器器組成成三相相晶閘閘管交交流電電壓控控制器器。優(yōu)優(yōu)點是是對電電網(wǎng)沖沖擊小小，缺缺點是是要求求負載載有6個抽頭頭。582.6多極復復合形形式的的變換換電路路在眾多多電源源變換換器中中AC－DC，DC－DC，DC－AC和AC－AC變換是是四種種最基基本的的電壓壓或頻頻率變變換電電路。。在新新能源源發(fā)電電技術(shù)術(shù)的實實際應應用中中，常常將兩兩個以以上的的基本本變換換電路路組合合在一一起，，構(gòu)成成多級級復合合形式式的變變換電電路。。591．AC－DC－DC－AC變換電電路（（DC－DC降壓型型）圖2－15降壓型型AC－DC－DC－AC變換電電路602．AC－DC－DC－AC變換電電路（（DC－DC升壓型型）圖2－16升壓型型AC－DC－DC－AC變換電電路613．隔離離式DC－AC－DC變換電電路圖2－17隔離式式DC－AC－DC變換電電路624．隔離離式AC－DC－AC－DC變換電電路圖2－18隔離式式AC－DC－AC－DC變換電電路632.7半導體體功率率器件件的驅(qū)驅(qū)動與與保護護電路路實際的的電力力電子子變換換器是是由主主電路路、驅(qū)驅(qū)動器器及保保護電電路、、控制制電路路、檢檢測與與顯示示電路路等多多個子子系統(tǒng)統(tǒng)構(gòu)成成。驅(qū)驅(qū)動器器接受受控制制系統(tǒng)統(tǒng)輸出出的控控制信信號，，經(jīng)功功率放放大和和隔離離后，，驅(qū)動動功率率開關(guān)關(guān)器件件的導導通、、關(guān)斷斷，是是連接接功率率器件件與控控制系系統(tǒng)的的橋梁梁。由由于半半導體體功率率開關(guān)關(guān)器件件種類類繁多多，不不同的的開關(guān)關(guān)器件件對驅(qū)驅(qū)動器器的性性能要要求不不盡相相同，，典型型的驅(qū)驅(qū)動器器分為為電流驅(qū)驅(qū)動型型器件件和電壓驅(qū)驅(qū)動型型器件件的兩大大類驅(qū)驅(qū)動器器。電電流驅(qū)驅(qū)動型型器件件主要要有SCR、GTO和GTR，電壓壓驅(qū)動動型器器件主主要有有MOSFET、IGBT和SIT等。642.7.1晶閘管管SCR觸發(fā)驅(qū)驅(qū)動器器圖2－19采用變變壓器器隔離離的SCR驅(qū)動器器圖2－20采用光光耦隔隔離的的SCR驅(qū)動器器652.7.2IGBT和MOSFET驅(qū)動器器和雙極極型晶晶體管管（GTR）不同同，功功率MOSFET和IGBT器件都都是屬屬于電電壓驅(qū)驅(qū)動型型，輸輸入阻阻抗很很大，，為提提高器器件的的開關(guān)關(guān)速度度，電電壓驅(qū)驅(qū)動型型器件件的柵柵極驅(qū)驅(qū)動器器除應應具有有更快快的響響應速速度（（ns級）外外，同同樣需需要足足夠大大的柵柵極驅(qū)驅(qū)動能能力（（一般般為＋＋15V）和反反向電電壓（（一般般為－－5v），以以保證證瞬時時完成成對等等效柵柵極電電容的的充電電或放放電過過程。。66功率MOSFET和IGBT器件驅(qū)驅(qū)動器器應用用實例例1．TLP250功率驅(qū)驅(qū)動電電路及及應用用圖2－22TLP250組成的的驅(qū)動動電路路672．UC3724/UC3725驅(qū)動電電路圖2－23UC3724/3725功率MOSFET驅(qū)動電電路683．IHD680驅(qū)動電電路圖2－24IHD680驅(qū)動電電路694．MAX4428驅(qū)動電電路圖2－25MAX4428驅(qū)動電電路705．IR2110驅(qū)動電路圖2－26IR2110驅(qū)動電路716．EXB841驅(qū)動電路圖2－27EXB841內(nèi)部電路722.7.3功率器件的保保護電路1．過電流保護護電路過電流保護在在電源變換電電路中是一個個很重要的環(huán)環(huán)節(jié)，直接影影響到裝置的的可靠性。MOSFET和IGBT的過流允許值值一般為2倍的電流額定定值，IGBT允許過流時間間一般≤20μs，MOSFET允許過流時間間還要小?？伎紤]到過電流流發(fā)生和硬件件保護電路需需要一定的時時間，因此要要求過電流檢檢測的電流傳傳感器（一般般用霍爾傳感感器）響應速速度要快。除了在驅(qū)動電電路中加過流流保護功能外外，還要在整整流電路輸出出、逆變電路路輸入、負載載回路加過流流檢測進行過過流保護。73電流傳感器的的安裝位置可可選擇為：①與直流母線串串聯(lián)，可以檢檢測直流母線線后的逆變電電路或負載回回路的過電流流。②與負載串聯(lián)，，可檢測負載載回路的過電電流。③與每一個IGBT串聯(lián)，可直接接檢測IGBT的過電流，但但使用的電流流傳感器多，，成本高，一一般不用。圖2－28電流傳感器的的安裝位置742．過電壓保護護電路過電壓的抑制制方法常利用用電容對電壓壓沖擊的緩沖沖作用，設計計合適的緩沖沖電路吸收du/dt或采用軟開關(guān)關(guān)技術(shù)。采用用性能良好的的緩沖電路，，可使功率MOSFET或IGBT工作在較理想想的開關(guān)狀態(tài)態(tài)，縮短開關(guān)關(guān)時間，減少少開關(guān)損耗，，對裝置的運運行效率、可可靠性、安全全性都有重要要的意義。75典型緩沖吸收收電路實例a)b)c)d)圖2－30緩沖電路的主主要形式76第3章風能、風力發(fā)發(fā)電與控制技技術(shù)7778本章主要內(nèi)容容3.1風的特性及風風能利用3.2風力發(fā)電機組組及工作原理理3.3風力發(fā)電機組組的控制策略略3.4風力發(fā)電機組組的并網(wǎng)運行行和功率補償償3.5風力發(fā)電的經(jīng)經(jīng)濟技術(shù)性評評價79緒論在新能源發(fā)電電技術(shù)中，風風力發(fā)電是其其中最接近實實用和推廣的的一種。風力力發(fā)電是一個個綜合性較強強的系統(tǒng)，涉涉及空氣動力力學、機械、、電機和控制制技術(shù)等領(lǐng)域域。風風力發(fā)電是在在大量利用風風力提水的基基礎(chǔ)上發(fā)展起起來的，它首首先起源于丹丹麥，目前丹丹麥已成為世世界上生產(chǎn)風風力發(fā)電設備備的大國。20世紀70年代世界連續(xù)續(xù)出現(xiàn)石油危危機，隨之而而來的環(huán)境問問題迫使人們們考慮可再生生能源利用問問題，風力發(fā)發(fā)電很快重新新提上了議事事日程。風力力發(fā)電是近期期內(nèi)最具開發(fā)發(fā)利用前景的的可再生能源源，也將是21世紀中發(fā)展最最快的一種可可再生能源。。80感性認識：各各式風機818283843.1風的特性及風風能利用3.1.1風的產(chǎn)生風是地球上的的一種自然現(xiàn)現(xiàn)象，由太陽陽輻射熱和地地球自轉(zhuǎn)、公公轉(zhuǎn)和地表差差異等引起，，大氣是這種種能源轉(zhuǎn)換的的媒介。圖3-1地球上風的運運動853.1.2風的特性與風風能1、隨機性2、風隨高度的的變化而變化化不同高度風速速的表達式：：式中ν——距地面高度為為h處的風速（m／s）；ν0——高度為h0處的風速（m／s），一般取h0為10m；k——修正指數(shù)，它它取決于大氣氣穩(wěn)定度和地地面粗糙度等等，其值約為為0.125～0.5。863.1.3風的表示及應應用1、風向風向一般用16個方位表示，，也可以用角角度表示。圖圖示方向方位位圖圖3-2風向方位圖872、風速由于風時有時時無、時大時時小，每一瞬瞬時的速度都都不相同，所所以風速是指指一段時間內(nèi)內(nèi)的平均值，，即平均風速速。3、風力風力等級是根根據(jù)風對地面面或海面物體體影響而引起起的各種現(xiàn)象象，按風力的的強度等級來來估計風力的的大小。國際際上采用的為為蒲福風級，，從靜風到颶颶風共分為13個等級。風力等級與風風速的關(guān)系：式中VN——N級風的平均風風速(m/s)；N——風的級數(shù)。884、風能（1）風能密度，空氣在一秒鐘鐘內(nèi)以速度ν流過單位面積積產(chǎn)生的動能能。表達式為：（2）風能，空氣在一秒秒鐘時間內(nèi)以以速度ν流過面積為S截面的動能。。表達式為：（3）風能利用，風能的利用用主要是將大大氣運動時所所具有的動能能轉(zhuǎn)化化為其他形式式的能量。89風能轉(zhuǎn)換及應應用情況如圖所示。圖3-5風能轉(zhuǎn)換與應應用情況903.2風力發(fā)電機組組及工作原理理3.2.1風力發(fā)電機組組的結(jié)構(gòu)及分分類1、風力發(fā)電機機組的分類風力發(fā)電機組組的分類一般般有3種，如下表所所示。91按風輪軸的安安裝型式按風力發(fā)電機機的功率按運行方式水平軸風力發(fā)發(fā)電機組和垂垂直軸風力發(fā)發(fā)電機組微型（額定功功率50～1000W）、小型（額額定功率1.0～10kW）、中型（額額定功率10～100kW）和大型（額額定功率大于于100kW）獨立運行和并并網(wǎng)運行922、風力發(fā)電機機組的結(jié)構(gòu)風力發(fā)電機組組中，水平軸軸式風力發(fā)電電機組是目前前技術(shù)最成熟熟、產(chǎn)量最大大的形式；垂垂直軸風力發(fā)發(fā)電機組因其其效率低、需需起動設備等等技術(shù)原因應應用較少，因因此下面主要要介紹水平軸軸風力發(fā)電機機組的結(jié)構(gòu)。。93（1）獨立運行的風風力發(fā)電機組組水平軸獨立運運行的風力力發(fā)電機組主主要由風輪(包括尾舵)、發(fā)電機、支支架、電纜、、充電控制器器、逆變器、、蓄電池組等等組成，其主主要結(jié)構(gòu)見右右圖。圖3-6水平軸獨立運運行的風力發(fā)發(fā)電機組主要要結(jié)構(gòu)94并網(wǎng)運行的水水平軸式風力力發(fā)電機組由由風輪、增速速齒輪箱、發(fā)發(fā)電機、偏航航裝置、控制制系統(tǒng)、塔架架等部件組成成，其結(jié)構(gòu)如如右圖所示（2）并網(wǎng)運行行的風力發(fā)電電機組圖3-7并網(wǎng)運行的水水平軸風力發(fā)發(fā)電機組的原原理框圖95并網(wǎng)運行的大大型風力發(fā)電電機組的基本本結(jié)構(gòu)，它由由葉片、輪轂轂、主軸、增增速齒輪箱、、調(diào)向機構(gòu)、、發(fā)電機、塔塔架、控制系系統(tǒng)及附屬部部件（機艙、、機座、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體、制動器器）等組成，，結(jié)構(gòu)如右圖圖。（3）大型風力力發(fā)電機組圖3-8大型風力發(fā)電電機組的基本本結(jié)構(gòu)963.2.2風力機風力機又稱為為風輪，主要要有水平軸風風力機和垂直直軸風力機。。1、水平軸風力力機：a.荷蘭式b.農(nóng)莊式c.自行車式d.槳葉式圖3-9水平軸風力機972、垂直軸風力機機：a.薩窩紐斯式b.達里厄式c.旋翼式圖-10垂直軸風力機98水平軸垂直軸993.2.3風力機的氣動原原理風力發(fā)電機組中中的風輪之所以以能將風能轉(zhuǎn)化化為機械能，原原因是因為風力力機具有特殊的的翼型。圖示為為現(xiàn)代風力機葉葉片的翼型及翼翼型受力分析圖圖。圖3-11風力機的葉片翼翼型及受力100現(xiàn)分析風輪不動動時受到風吹的的情況：當風以速度矢量量ν吹向葉片時，在在翼型的上表面面，風速減小，，形成低壓區(qū)，，翼型的下表面面，風速增大，，形成高壓區(qū)，，上下表面間形形成壓差，產(chǎn)生生垂直于翼弦的的力F，力F可以分解為與相相對風速方向平平行的阻力FD和垂直于風向的的升力FL，升力使風力機機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)能能量的轉(zhuǎn)換。101風力機的輸出功功率當風吹向風力機機的葉片時，風風力機的主要作作用是將風能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為機械能，，風力機的機械械輸出功率可用用式子表示為：：102對應于最大的風風力機利用系CPm有一個葉尖速比比λm，因風速經(jīng)常變變化，為實現(xiàn)風風能的最大捕獲獲，風力機應變變速運行，以維維持葉尖速比λm不變。在槳距角一定時時，CP與葉尖速比λ的關(guān)系如下圖所所示。圖3-13風力機的利用系系數(shù)與葉尖速比比的關(guān)系1033.2.4風力發(fā)電機在由機械能轉(zhuǎn)換換為電能的過程程中，發(fā)電機及及其控制器是整整個系統(tǒng)的核心心。獨立運行的風力力發(fā)電機組中所所用的發(fā)電機主主要有直流發(fā)電電機、永磁式交交流發(fā)電機、硅硅整流自勵式交交流發(fā)電機及電電容式自勵異步步發(fā)電機。并網(wǎng)網(wǎng)運行的風力發(fā)發(fā)電機機組中使使用的發(fā)電機主主要有同步發(fā)電電機、異步發(fā)電電機、雙饋發(fā)電電機、低速交流流發(fā)電機、無刷刷雙饋發(fā)電機、、交流整流子發(fā)發(fā)電機、高壓同同步發(fā)電機及開開關(guān)磁阻發(fā)電機機等。1041、獨立運行風風力發(fā)電機組中中的發(fā)電機獨立運行的風力力發(fā)電機一般容容量較小，與蓄蓄電池和功率變變換器配合實現(xiàn)現(xiàn)直流電和交流流電的持續(xù)供給給。獨立運行的的交流風力發(fā)電電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下下圖所示。圖3-14獨立運行的交流流風力發(fā)電機系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)105（1）直流發(fā)電機直流發(fā)電機從磁磁場產(chǎn)生（勵磁磁）的角度來分分，可分為永磁磁式直流發(fā)電機機和電磁式直流流發(fā)電機，典型型結(jié)構(gòu)如圖示。。直流發(fā)電機可可直接將電能送送給蓄電池蓄能能，可省去整流流器，隨著永磁磁材料的發(fā)展及及直流發(fā)電機的的無刷化，永磁磁直流發(fā)電機的的功率不斷做大大，性能大大提提高，是一種很很有發(fā)展前途的的發(fā)電機。圖3-15電磁式直流發(fā)電電機結(jié)構(gòu)106（2）永磁式交流同同步發(fā)電機永磁式交流同步步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子子上沒有勵磁繞繞組，因此無勵勵磁繞組的銅損損耗，發(fā)電機的的效率高；轉(zhuǎn)子子上無集電環(huán)，，發(fā)電機運行更更可靠；采用釹釹鐵硼永磁材料料制造的發(fā)電機機體積小，重量量輕，制造工藝藝簡便，因此廣廣泛應用于小型型及微型風力發(fā)發(fā)電機中。圖3-17凸極式永磁發(fā)電電機結(jié)構(gòu)示意圖圖1—定子齒2—定子軛3—永磁體轉(zhuǎn)子4—轉(zhuǎn)子軸5—氣隙6—定子繞組107（3）硅整流自勵式式交流同步發(fā)電電機如下圖，硅整流流自勵式交流同同步發(fā)電機電路路原理圖。硅整流自勵式交交流同步發(fā)電機機一般帶有勵磁磁調(diào)節(jié)器，通過過自動調(diào)節(jié)勵磁磁電流的大小，，來抵消因風速速變化而導致的的發(fā)電機轉(zhuǎn)速變變化對發(fā)電機端端電壓的影響，，延長蓄電池的的使用壽命，提提高供電質(zhì)量。。圖3-18硅整流自勵式交交流同步發(fā)電機機電路原理圖108（4）電容自勵式異異步發(fā)電機電容自勵式異步步發(fā)電機是在異異步發(fā)電機定子子繞組的輸出端端接上電容，以以產(chǎn)生超前于電電壓的容性電流流建立磁場，從從而建立電壓。。其電路示意圖圖如下圖所示。。圖3-19電容自勵式異步步發(fā)電機電路原原理109并網(wǎng)運行的風力力發(fā)電機組中所所用的發(fā)電機（1）異步發(fā)電機風力異步發(fā)電機機并入電網(wǎng)運行行時，只要發(fā)電電機轉(zhuǎn)速接近同同步轉(zhuǎn)速就可以以并網(wǎng)，對機組組的調(diào)速要求不不高，不需要同同步設備和整步步操作。異步發(fā)發(fā)電機的輸出功功率與轉(zhuǎn)速近似似成線性關(guān)系，，可通過轉(zhuǎn)差率率來調(diào)整負載。。（2）同步發(fā)電機當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速速一定時，同步步發(fā)電機的頻率率穩(wěn)定，電能質(zhì)質(zhì)量高；同步發(fā)發(fā)電機運行時可可通過調(diào)節(jié)勵磁磁電流來調(diào)節(jié)功功率因數(shù)，既能能輸出有功功率率，也可提供無無功功率，可使使功率因數(shù)為1，因此被電力系系統(tǒng)廣泛接受。。110111（3）雙饋異步發(fā)電電機雙饋異步發(fā)電機機是當今最有發(fā)發(fā)展前途的一種種發(fā)電機，其結(jié)結(jié)構(gòu)是由一臺帶帶集電環(huán)的繞線線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電電機和變頻器組組成，變頻器有有交－交變頻器器、交－直－交交變頻器及正弦弦波脈寬調(diào)制雙雙向變頻器三種種，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如如下圖所示。圖3-25雙饋異步發(fā)電機機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)112113雙饋異步發(fā)電機機工作原理：異步發(fā)電機中定定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場場始終是相對靜靜止的，當發(fā)電電機轉(zhuǎn)速變化而而頻率不變時，，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的的轉(zhuǎn)速和定、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電流的頻率率關(guān)系可表示為為：式中f1——定子電流的頻率率（Hz），f1=pn1/60，n1為同步轉(zhuǎn)速；p——發(fā)電機的極對數(shù)數(shù)；n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min）；f2——轉(zhuǎn)子電流的頻率率（Hz），因f2=sf1，故f2又稱為轉(zhuǎn)差頻率率。114根據(jù)雙饋異步發(fā)發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速速的變化，雙饋饋異步發(fā)電機可可以有三種運行行狀態(tài)：1）亞同步運行狀狀態(tài)。此時n<n1，轉(zhuǎn)差率s>0，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生生的旋轉(zhuǎn)磁場的的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速同方向，功功率流向如圖所所示。1152）超同步運行狀狀態(tài)。此時n>n1，轉(zhuǎn)差率s<0，轉(zhuǎn)子中的電流流相序發(fā)生了改改變，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生生的旋轉(zhuǎn)磁場的的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速反方向，功功率流向如圖所所示。3）同步運行狀態(tài)態(tài)。此時n=n1，f2=0，轉(zhuǎn)子中的電流流為直流，與同同步發(fā)電機相同同。116雙饋異步發(fā)電機機的轉(zhuǎn)子通過雙雙向變頻器與電電網(wǎng)連接，可實實現(xiàn)功率的雙向向流動，功率變變換器的容量小小，成本低；既既可以亞同步運運行，也可以超超同步運行，因因此調(diào)速范圍寬寬；可跟蹤最佳佳葉尖速，實現(xiàn)現(xiàn)最大風能捕獲獲；可對有功功功率和無功功率率進行控制，提提高功率因數(shù)；；能吸收陣風能能量，減小轉(zhuǎn)矩矩脈動和輸出功功率的波動，因因此電能質(zhì)量高高，是目前很有有發(fā)展?jié)摿Φ淖冏兯俸泐l發(fā)電機機。117（4）無刷雙饋異步步發(fā)電機無刷雙饋異步發(fā)發(fā)電機(BrushlessDoubly－FedMachine，簡稱BDFM)的基本原理與雙雙饋異步發(fā)電機機相同，不同之之外是取消了電電刷和集電環(huán)，，系統(tǒng)運行的可可靠性增大，但但系統(tǒng)體積也相相應增大，常用用的有級聯(lián)式和和磁場調(diào)制型兩兩種類型。圖3-27級聯(lián)式無刷雙饋饋異步發(fā)電機圖3-28磁場調(diào)制型無刷刷雙饋異步發(fā)電電機118（5）開關(guān)磁阻發(fā)電電機開關(guān)磁阻發(fā)電機機又稱為雙凸極極式發(fā)電機（簡簡稱SRG），定、轉(zhuǎn)子的的凸極均由普通通硅鋼片疊壓而而成，定子極數(shù)數(shù)一般比轉(zhuǎn)子的的極數(shù)多，轉(zhuǎn)子子上無繞組，定定子凸極上安放放有彼此獨立的的集中繞組，徑徑向獨立的兩個個繞組串聯(lián)起來來構(gòu)成一相。圖3-29三相（6/4極）開關(guān)磁阻發(fā)發(fā)電機結(jié)構(gòu)119開關(guān)磁阻發(fā)電機機用作為風力發(fā)發(fā)電機時，其系系統(tǒng)一般由風力力機、開關(guān)磁阻阻發(fā)電機及其功功率變換器、控控制器、蓄電池池、逆變器、負負載以及輔助電電源等組成，其其系統(tǒng)構(gòu)成如圖圖所示。開關(guān)磁阻發(fā)電機機的結(jié)構(gòu)簡單，，控制靈活，效效率高而且轉(zhuǎn)矩矩密度大，在風風力發(fā)電系統(tǒng)中中可用于直接驅(qū)驅(qū)動、變速運行行，有一定的開開發(fā)、研究價值值。圖3-30開關(guān)磁阻風力發(fā)發(fā)電機系統(tǒng)的構(gòu)構(gòu)成1203.3風力發(fā)電機組的的控制策略與一般工業(yè)控制制系統(tǒng)不同，風風力發(fā)電機組的的控制系統(tǒng)是一一個綜合性復雜雜控制系統(tǒng)。尤尤其是對于并網(wǎng)網(wǎng)運行的風力發(fā)發(fā)電機組，控制制系統(tǒng)不僅要監(jiān)監(jiān)視電網(wǎng)、風況況和機組運行數(shù)數(shù)據(jù)，對機組進進行并網(wǎng)與脫網(wǎng)網(wǎng)控制，以確保保運行過程的安安全性和可靠性性，還需要根據(jù)據(jù)風速和風向的的變化，對機組組進行優(yōu)化控制制，以提高機組組的運行效率和和發(fā)電質(zhì)量，而而這正是風力發(fā)發(fā)電機組控制中中的關(guān)鍵技術(shù)，，現(xiàn)代風力發(fā)電電機組一般都采采用微機控制，如下圖所示。1212－A/D轉(zhuǎn)換模塊3－風向標4－風速計5－頻率計6－電壓表7－電流表8－控制機構(gòu)9－執(zhí)行機構(gòu)10－液壓調(diào)速油缸缸11－調(diào)向電機12－其他傳感器圖3-32風力發(fā)電機組的的微機自控原理理框圖1223.3.1風力發(fā)電電的特點點及控制制要求風力發(fā)電電系統(tǒng)控控制的目目標主要要有四個個：保證系統(tǒng)統(tǒng)的可靠靠運行、、能量利利用率最最大、電電能質(zhì)量量高、機機組壽命命延長。。風力發(fā)電電系統(tǒng)常常規(guī)的控控制功能能有七個個：①在運行行的風速速范圍內(nèi)內(nèi)，確保保系統(tǒng)的的穩(wěn)定運運行；②低風速速時，跟跟蹤最佳佳葉尖速速比，獲獲取最大大風能；；③高風速速時，限限制風能能的捕獲獲，保持持風力發(fā)發(fā)電機組組的輸出出功率為為額定值值；④減小陣陣風引起起的轉(zhuǎn)矩矩波動峰峰值，減減小風輪輪的機械械應力和和輸出功功率的波波動，避避免共振振；123⑤減小功功率傳動動鏈的暫暫態(tài)響應應；⑥控制器器簡單，，控制代代價小，，對一些些輸入信信號進行行限幅；；⑦調(diào)節(jié)機機組的功功率，確確保機組組輸出電電壓和頻頻率的穩(wěn)穩(wěn)定。為實現(xiàn)上上述所要要求的部部分或全全部控制制功能，，風力發(fā)發(fā)電機組組的控制制技術(shù)經(jīng)經(jīng)歷了三三個主要要發(fā)展階階段：從從最初的的定槳距距失速恒恒頻控制制到后來來的變槳槳距恒速速恒頻控控制，目目前主要要發(fā)展變變槳距或或定槳距距變速恒恒頻控制制。1243.3.2并網(wǎng)型風風力發(fā)電電機的功功率調(diào)節(jié)節(jié)控制風力機的的功率調(diào)調(diào)節(jié)方式式有定槳槳距失速速調(diào)節(jié)、、變槳距距調(diào)節(jié)和和主動失失速調(diào)節(jié)節(jié)三種。1、定槳距距失速調(diào)調(diào)節(jié)定槳距失失速調(diào)節(jié)節(jié)一般用用于恒速速控制，，其風力力機的結(jié)結(jié)構(gòu)特點點是：槳槳葉與輪輪轂的連連接是固固定的，，槳距角角固定不不變，當當風速變變化時，，槳葉的的迎風角角度不能能隨之變變化。在在風速超超過額定定風速后后利用槳槳葉翼型型本身的的失速特特性，維維持發(fā)電電機組的的輸出功功率在額額定值附附近。125定槳距失失速控制制的優(yōu)點點是失速速調(diào)節(jié)簡簡單可靠靠，由風風速變化化引起的的輸出功功率的控控制只通通過槳葉葉的被動動失速調(diào)調(diào)節(jié)實現(xiàn)現(xiàn)，沒有有功率反反饋系統(tǒng)統(tǒng)和變槳槳距機構(gòu)構(gòu)，使控控制系統(tǒng)統(tǒng)大為簡簡化，整整機結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單、、部件小小、造價價低。其其缺點是是葉片重重量大、、成形工工藝復雜雜，槳葉葉、輪轂轂、塔架架等部件件受力較較大，機機組的整整體效率率較低。。2、變槳距距風力發(fā)發(fā)電機組組的調(diào)節(jié)節(jié)與控制制變槳距風風力機的的整個葉葉片可以以繞葉片片中心軸軸旋轉(zhuǎn)，，使葉片片的攻角角在一定定范圍（（0～90o）變化，，變槳距距調(diào)節(jié)是是指通過過變槳距距機構(gòu)改改變安裝裝在輪轂轂上的葉葉片槳距距角的大大小，使使風輪葉葉片的槳槳距角隨隨風速的的變化而而變化，，一般用用于變速速運行的的風力發(fā)發(fā)電機，，主要目目的是改改善機組組的起動動性能和和功率特特性。126（1）根據(jù)其其作用可可分為三三個控制制過程：：起動時時的轉(zhuǎn)速速控制，，額定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速以下下（欠功功率狀態(tài)態(tài)）的不不控制和和額定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速以上上（額定定功率狀狀態(tài)）的的恒功率率控制。。a.起動時的的轉(zhuǎn)速控控制變距風輪輪的槳葉葉在靜止止時，槳槳距角β為90o，當風速速達起動動風速時時，槳葉葉向0o方向轉(zhuǎn)動動，直到到氣流對對槳葉產(chǎn)產(chǎn)生一定定的攻角角，風力力機獲得得最大的的起動轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，實實現(xiàn)風力力發(fā)電機機的起動動b.額定轉(zhuǎn)速速以下（（欠功率率狀態(tài)））的控制制為了改善善低風速速時的槳槳葉性能能，近幾幾年來，，在并網(wǎng)網(wǎng)運行的的異步發(fā)發(fā)電機上上，利用用新技術(shù)術(shù)，根據(jù)據(jù)風速的的大小調(diào)調(diào)整發(fā)電電機的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差率，，使其盡盡量運行行在最佳佳葉尖速速比上，，以優(yōu)化化功率輸輸出。127c.額定轉(zhuǎn)速速以上（（額定功功率狀態(tài)態(tài)）的恒恒功率控控制當風速過過高時，，通過調(diào)調(diào)整槳葉葉節(jié)距，，改變氣氣流對葉葉片的攻攻角，使使槳距角角β向迎風面面積減小小的方向向轉(zhuǎn)動一一個角度度，β增大，功功角α減小，如如圖所示示。從而而改變風風力發(fā)電電機組獲獲得的空空氣動力力轉(zhuǎn)矩，，使功率率輸出保保持在額額定值附附近，這這時風力力機在額額定點的的附近具具有較高高的風能能利用因因數(shù)。128a）變槳距風風力發(fā)電電機組的的功率曲曲線b）定槳距距風力發(fā)發(fā)電機組組的功率率曲線由圖可見見，在額額定風速速以下，，兩者相相似，但但在額定定風速以以上，變變槳距風風力發(fā)電電機的輸輸出功率率維持恒恒定，而而定槳距距風力發(fā)發(fā)電機組組的輸出出功率由由于風力力機的失失速當風風速增大大時而減減小。1293、變槳距距風力發(fā)發(fā)電機組組的控制制系統(tǒng)傳統(tǒng)的變變槳距風風力發(fā)電電機組的的控制系系統(tǒng)框圖圖如圖所所示。在在起動時時實現(xiàn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速控制制，由速速度控制制器起作作用，起起動結(jié)束束后，在在額定風風速以下下，轉(zhuǎn)速速環(huán)開環(huán)環(huán)，系統(tǒng)統(tǒng)不進行行控制。。當風速速達到或或超過額額定風速速時，切切換到功功率控制制，功率率控制器器根據(jù)給給定與反反饋的功功率信號號比較后后進行功功率控制制，以維維持額定定功率不不變。圖3-38傳統(tǒng)的變變槳距風風力發(fā)電電機組的的控制系系統(tǒng)框圖圖130新型控制制系統(tǒng)與與傳統(tǒng)控控制系統(tǒng)統(tǒng)的主要要區(qū)別是是采用了了兩個速速度控制制器及增增加了轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電流流的控制制。其中中一個速速度控制制器的作作用與傳傳統(tǒng)的速速度控制制器相同同，既起起動時和和同步轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速附近近的轉(zhuǎn)速速控制。。另一個速速度控制制器的作作用是在在并網(wǎng)后后，和功功率控制制器一起起通過轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電流流的控制制實現(xiàn)電電機轉(zhuǎn)差差即轉(zhuǎn)速速的控制制。帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電流流控制器器的繞線線轉(zhuǎn)子異異步發(fā)電電機的系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖所所示。圖3-39帶轉(zhuǎn)子電電流控制制器的繞繞線轉(zhuǎn)子子異步發(fā)發(fā)電機的的系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)131轉(zhuǎn)子電流流控制器器安裝在在繞線轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子異步步發(fā)電機機的轉(zhuǎn)子子軸上，，通過集集電環(huán)與與轉(zhuǎn)子電電路相連連，轉(zhuǎn)子子電路中中外接三三相電阻阻，通過過一組電電力電子子器件來來調(diào)整轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子回路路電阻，，從而調(diào)調(diào)節(jié)發(fā)電電機的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差率，，實現(xiàn)調(diào)調(diào)速的目目的，其其控制系系統(tǒng)原理理如下圖圖所示。。圖中的開開關(guān)S代表機組組啟動并并網(wǎng)前的的控制方方式，為為轉(zhuǎn)速閉閉環(huán)控制制；開關(guān)關(guān)R代表機組組并網(wǎng)后后的控制制方式，，為功率率閉環(huán)控控制；RCC為異步發(fā)發(fā)電機的的轉(zhuǎn)子電電流控制制器。132圖3-40轉(zhuǎn)差可調(diào)調(diào)異步發(fā)發(fā)電機控控制原理理框圖133變速恒頻頻風力發(fā)發(fā)電機組組的調(diào)節(jié)節(jié)與控制制1、原理變速恒頻頻是指發(fā)發(fā)電機的的轉(zhuǎn)速隨隨風速變變化，通通過適當當?shù)目刂浦频玫捷斴敵鲱l率率恒定的的電能。。2、特點1.可大范圍圍的調(diào)節(jié)節(jié)轉(zhuǎn)速，，使功率率系數(shù)保保持在最最佳值，，從而最最大限度度地吸收收風能，，系統(tǒng)效效率高；；2.能吸收和和存貯陣陣風能量量，減少少陣風沖沖擊對風風力發(fā)電電機產(chǎn)生生的疲勞勞損壞、、機械應應力和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩脈動動，延長長機組壽壽命，減減少噪聲聲；3.可以控制制有功功功率和無無功功率率，電能能質(zhì)量高高。1343、調(diào)節(jié)控控制過程程(1)起動時通通過調(diào)節(jié)節(jié)槳距控控制發(fā)電電機的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，使使發(fā)電機機轉(zhuǎn)速在在同步轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速附近近，尋找找最佳時時機并網(wǎng)網(wǎng)；(2)并網(wǎng)后，，在額定定風速以以下，通通過調(diào)節(jié)節(jié)發(fā)電機機的電磁磁制動轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩使發(fā)發(fā)電機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速跟隨隨風速的的變化，，保持最最佳葉尖尖速比，，確保風風能的最最大捕獲獲，表現(xiàn)現(xiàn)為跟蹤蹤控制問問題；(3)在額定風風速以上上，采用用發(fā)電機機轉(zhuǎn)子變變速和槳槳葉節(jié)距距雙重調(diào)調(diào)節(jié)，利利用風輪輪轉(zhuǎn)速的的變化，，存貯或或釋放部部分能量量，限制制風力機機獲取能能量，提提高傳動動系統(tǒng)的的柔性，，使風力力發(fā)電機機保持在在額定值值下發(fā)電電，保證證發(fā)電機機輸出功功率的更更加平穩(wěn)穩(wěn)。1354、變速恒恒頻風力力發(fā)電機機的基本本結(jié)構(gòu)和和主要類類型(1)籠型異步步發(fā)電機機變速恒恒頻風力力發(fā)電系系統(tǒng)不足：系系統(tǒng)的成成本和體體積較大大，在大大容量發(fā)發(fā)電機組組中難以以實現(xiàn)；；需加電電容補償償裝置，，其電壓壓和功率率因數(shù)的的控制較較難。136(2)同步發(fā)電電機變速速恒頻風風力發(fā)電電系統(tǒng)特點：變變頻器容容量較大大，但其其控制比比籠型異異步發(fā)電電機簡單單，可通通過轉(zhuǎn)子子勵磁電電流的控控制來實實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩矩、有功功功率和和無功功功率的控控制。137(3)雙饋異步步發(fā)電機機變速恒恒頻風力力發(fā)電系系統(tǒng)特點：大大大降低低了變頻頻器的成成本和控控制難度度；定子子直接上上網(wǎng)，系系統(tǒng)具有有很強的的抗干擾擾性和穩(wěn)穩(wěn)定性；；通過改改變轉(zhuǎn)子子電流的的相位和和幅值來來調(diào)節(jié)有有功功率率和無功功功率。。缺點是是發(fā)電機機仍有電電刷和集集電環(huán)，，工作可可靠性受受影響。。圖3-45雙饋異異步發(fā)發(fā)電機機變速速恒頻頻風力力發(fā)電電系統(tǒng)統(tǒng)138(4)無刷雙雙饋異異步發(fā)發(fā)電機機變速速恒頻頻風力力發(fā)電電系統(tǒng)統(tǒng)特點：：變頻頻器的的容量量較小?。怀龑崿F(xiàn)現(xiàn)變速速恒頻頻控制制外，，還可可以實實現(xiàn)有有功功功率和和無功功功率率的靈靈活控控制，，以補補償電電網(wǎng)的的功率率因數(shù)數(shù)；發(fā)發(fā)電機機上無無電刷刷和集集電環(huán)環(huán)，系系統(tǒng)運運行的的可靠靠性增增大。。但發(fā)發(fā)電機機結(jié)構(gòu)構(gòu)和控控制器器較復復雜圖3-46無刷雙雙饋異異步發(fā)發(fā)電機機變速速恒頻頻風力力發(fā)電電系統(tǒng)統(tǒng)1395、變速速恒頻頻風力力發(fā)電電系統(tǒng)統(tǒng)的控控制策策略變速恒恒頻風風力發(fā)發(fā)電系系統(tǒng)的的基本本控制制策略略一般般確定定為：：①低于于額定定風速速時，，跟蹤蹤最大大風能能利用用系數(shù)數(shù)，以以獲得得最大大能量量；②高于于額定定風速速時，，跟蹤蹤最大大功率率，并并保持持輸出出功率率穩(wěn)定定。140(1)轉(zhuǎn)速控控制策策略一般通通過控控制發(fā)發(fā)電機機的電電磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩實實現(xiàn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的的控制制，圖圖為最最佳轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩－－轉(zhuǎn)速速曲線線。141為實現(xiàn)現(xiàn)對最最佳轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲曲線的的跟蹤蹤，一一般有有間接接速度度控制制和直直接速速度控控制兩兩種方方法，，分別別如下下圖所所示。。圖3-48a)間接速速度控控制策策略142圖3-48b)直接速速度控控制策策略143(2)功率控控制策策略一般采采用兩兩種方方法：：①控制制發(fā)電電機的的電磁磁轉(zhuǎn)矩矩來改改變發(fā)發(fā)電機機的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，，從而而改變變風輪輪的葉葉尖速速比，，維持持功率率不變變；②改變變槳葉葉節(jié)距距角來來改變變空氣氣動力力轉(zhuǎn)矩矩；或或?qū)蓛煞N方方法結(jié)結(jié)合起起來，，以改改善性性能。。144圖3-49功率控控制系系統(tǒng)總總框圖圖145圖3-50改變槳槳葉節(jié)節(jié)距角角的控控制系系統(tǒng)圖圖1466、雙饋饋異步步發(fā)電電機變變速恒恒頻風風力發(fā)發(fā)電系系統(tǒng)的的控制制實現(xiàn)變變速恒恒頻的的方法法很多多，其其中雙雙饋異異步發(fā)發(fā)電機機的方方案最最具優(yōu)優(yōu)勢。。雙饋饋異步步發(fā)電電機系系統(tǒng)中中的變變頻器器采用用雙PWM變頻器器，發(fā)發(fā)電機機根據(jù)據(jù)風力力機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的的變化化調(diào)節(jié)節(jié)轉(zhuǎn)子子勵磁磁電流流的頻頻率，，實現(xiàn)現(xiàn)恒頻頻輸出出；再再通過過矢量量變換換控制制實現(xiàn)現(xiàn)發(fā)電電機的的有功功和無無功功功率的的獨立立調(diào)節(jié)節(jié)，進進而控控制發(fā)發(fā)電機機組的的轉(zhuǎn)速速實現(xiàn)現(xiàn)最佳佳風能能的捕捕獲。。采用用矢量量控制制技術(shù)術(shù)的雙雙饋異異步發(fā)發(fā)電機機變速速恒頻頻風力力發(fā)電電系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)圖圖如圖圖所示示，圖圖中DFIG為雙饋饋異步步發(fā)電電機的的簡稱稱。147圖3-51采用矢矢量控控制技技術(shù)的的雙饋饋異步步發(fā)電電機變變速恒恒頻風風力發(fā)發(fā)電系系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)構(gòu)148圖3-52由IGBT電力電電子器器件組組成的的雙PWM變頻器器的主主電路路1497、風力力發(fā)電電系統(tǒng)統(tǒng)的智智能控控制(1)模糊控控制模糊控控制可可將專專家的的經(jīng)驗驗和知知識表表示為為語言言規(guī)劃劃用于于控制制器的的設計計，不不需要要被控控對象象精確確的數(shù)數(shù)學模模型，，能克克服非非線性性因素素的影影響，，對被被控對對象的的參數(shù)數(shù)具有有較強強的魯魯棒性性，非非常適適用于于風力力發(fā)電電系統(tǒng)統(tǒng)的控控制。。對于變變速恒恒頻控控制的的風力力發(fā)電電系統(tǒng)統(tǒng)，可可針對對機組組的不不同狀狀態(tài)設設計相相應的的模糊糊控制制器，，以達達到最最大風風能捕捕獲和和功率率穩(wěn)定定的控控制，，圖為為模糊糊邏輯輯控制制器框框圖。。150圖3-57模糊邏邏輯控控制器器框圖圖R—給定值值E—偏差U—控制器器Y—被控制制量151(2)模型參參考自自適應應控制制針對風風力發(fā)發(fā)電系系統(tǒng)的的復雜雜性、、不確確定性性、不不穩(wěn)定定性和和模型型很難難建立立的特特點，，采用用模型型參考考自適適應控控制，，通通過參參考模模型的的建立立和自自適應應機構(gòu)構(gòu)進行行控制制器參參數(shù)的的適時時修正正來降降低不不確定定性對對系統(tǒng)統(tǒng)的影影響，，實現(xiàn)現(xiàn)風力力發(fā)電電機組組的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和和功率率的控控制。。模型參參考自自適應應控制制系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)如如圖所所示，，152圖3-58模型參參考自自適應應控制制系統(tǒng)統(tǒng)ωopt為希望望轉(zhuǎn)速速，ω為發(fā)電電機的的實際際轉(zhuǎn)速速，ωw為風力力機的的轉(zhuǎn)速速，υ為風速速，ω*為參考考轉(zhuǎn)速速，e為參考考轉(zhuǎn)速速與發(fā)發(fā)電機機實際際轉(zhuǎn)速速之間間的偏偏差153除了上上述的的二種種智能能控制制方法法外，，還有有神經(jīng)經(jīng)網(wǎng)絡絡控制制、滑滑模變變結(jié)構(gòu)構(gòu)控制制、H∞控制等等新型型的智智能控控制方方法在在風力力發(fā)電電系統(tǒng)統(tǒng)的控控制中中也有有一定定的應應用研研究，，隨著著新技技術(shù)的的發(fā)展展和人人們對對風力力發(fā)電電的重重視，，風力力發(fā)電電的控控制技技術(shù)會會得到到更大大的發(fā)發(fā)展。。154(3)神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡控控制人工神神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡具具有可可任意意逼近近任何何非線線性模模型的的非線線性映映射能能力，，利用用其學學習和和自收收斂性性可設設計自自適應應控制制器，，可提提高系系統(tǒng)的的控制制精度度，增增強系系統(tǒng)對對環(huán)境境的適適應能能力，，因此此在風風力發(fā)發(fā)電系系統(tǒng)中中也有有相應應的應應用研研究。。神經(jīng)經(jīng)網(wǎng)絡絡控制制還可可以與與模糊糊控制制相結(jié)結(jié)合，，設計計成模模糊神神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡控控制器器來控控制風風力發(fā)發(fā)電機機組。。除了上述的三種種智能控制方法法外，還有滑模模變結(jié)構(gòu)控制、、H∞控制等新型的智智能控制方法在在風力發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)的控制中也有有一定的應用研研究，隨著新技技術(shù)的發(fā)展和人人們對風力發(fā)電電的重視，風力力發(fā)電的控制技技術(shù)會得到更大大的發(fā)展。1553.4風力發(fā)電機組的的并網(wǎng)技術(shù)和功功率補償由于風能是一個個不穩(wěn)定的能源源，風力發(fā)電本本身難以提供穩(wěn)穩(wěn)定的電能輸出出，因此風力發(fā)電必必須采用儲能裝裝置或與其他發(fā)發(fā)電裝置互補運運行。10kW以下的小型風力力發(fā)電機組主要要采用直流發(fā)電電系統(tǒng)并配合蓄蓄電池儲能裝置置獨立運行。為解決風力發(fā)電電穩(wěn)定供電的問問題，目前一般般采用的方法是是：1000kW以上的大型風力力發(fā)電機組并網(wǎng)網(wǎng)運行；幾十kW～幾百kW的風力發(fā)電機組組可以并網(wǎng)運行行，或者與其他發(fā)電裝置互互補運行（如風風光互補、風力力－柴油發(fā)電聯(lián)合運行）；156大中型風力發(fā)電電機組主要是并并網(wǎng)運行，由于于發(fā)電機并網(wǎng)過過程是一個瞬變變過程，它受制制于并網(wǎng)前的發(fā)發(fā)電狀況，影響響并網(wǎng)后發(fā)電機機的運行和電網(wǎng)網(wǎng)電能質(zhì)量，在在并網(wǎng)運行方式式中主要解決的的問題是并網(wǎng)控控制和功率調(diào)節(jié)節(jié)問題。對并網(wǎng)網(wǎng)運行的不同風風力發(fā)電機組其其控制方法和控控制重點不同。。1573.4.1風力同步發(fā)電機機組的并網(wǎng)運行行和功率補償同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和頻率之間間有著嚴格不變變的固定關(guān)系，，同步發(fā)電機在運運行過程中，可可通過勵磁電流流的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)現(xiàn)無功功率的補補償