新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)

新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)第1頁/共802頁2機(jī)械工業(yè)出版社

第2章電源變換和控制技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)第2頁/共802頁3機(jī)械工業(yè)出版社2.1電力電子器件及應(yīng)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(jí)復(fù)合形式的變換電路

2.7半導(dǎo)體功率器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路

本章主要內(nèi)容第3頁/共802頁4機(jī)械工業(yè)出版社

◆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(chǎng)效應(yīng)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(yīng)用第4頁/共802頁5機(jī)械工業(yè)出版社2.1.1電力電子器件的概念和特征◆電力技術(shù)（電力設(shè)備、電力網(wǎng)絡(luò)）◆電子技術(shù)（電子器件、電子電路）◆控制技術(shù)（連續(xù)、離散）第5頁/共802頁6機(jī)械工業(yè)出版社1974年美國學(xué)者W.Newell用于表征電力電子技術(shù)的倒三角第6頁/共802頁7機(jī)械工業(yè)出版社2.1.2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

第7頁/共802頁8機(jī)械工業(yè)出版社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(shí)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(shí)際應(yīng)用中因此需要驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大。第8頁/共802頁9機(jī)械工業(yè)出版社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(hào)控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的電力電子器件。如：功率二極管（PowerDiode）。第9頁/共802頁10機(jī)械工業(yè)出版社（2）半控型器件：可以通過控制極（門極）控制器件導(dǎo)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(fù)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(fù)阻斷。第10頁/共802頁11機(jī)械工業(yè)出版社（3）全控型器件：既可以通過器件的控制極（門極）控制其導(dǎo)通，又可控制其關(guān)斷的器件。主要有：功率晶體管（GTR）、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOS)等。第11頁/共802頁12機(jī)械工業(yè)出版社2、按驅(qū)動(dòng)信號(hào)類型分類(1)電流驅(qū)動(dòng)型：通過對(duì)控制極注入或抽出電流，實(shí)現(xiàn)其開通或關(guān)斷的電力電子器件稱為電流驅(qū)動(dòng)型器件，如Thyrister，GTR，GTO等。(2)電壓驅(qū)動(dòng)型：通過對(duì)控制極和另一主電極之間施加控制電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)其開通或關(guān)斷的電力電子器件稱為電壓驅(qū)動(dòng)型器件，如P－MOSFET，IGBT等。

第12頁/共802頁13機(jī)械工業(yè)出版社幾種典型的電力電子器件

不可控器件――電力二極管半控型器件――晶閘管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管――電力MOSFET絕緣柵雙極型晶體管――IGBT第13頁/共802頁14機(jī)械工業(yè)出版社1、不可控器件――電力二極管（1）電力二極管的基本特性：電力二極管（PowerDiode）承受的反向電壓耐力與陽極通流能力均比普通二極管大得多，但它的工作原理和伏安（V－A）特性與普通二極管基本相同，都具有正向?qū)щ娦院头聪蜃钄嘈?。電力二極管的電路符號(hào)和靜態(tài)特性（即伏安特性）如下圖所示。圖2-1電力二極管電路符號(hào)及伏安（V－A）特性第14頁/共802頁15機(jī)械工業(yè)出版社（2）電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV)：電力二極管在連續(xù)運(yùn)行條件時(shí)，器件在額定結(jié)溫和規(guī)定的散熱條件下，允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。反向重復(fù)峰值電壓URRM：指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是雪崩擊穿電壓URBO的2/3。第15頁/共802頁16機(jī)械工業(yè)出版社正向通態(tài)壓降UF：在額定結(jié)溫下，電力二極管在導(dǎo)通狀態(tài)流過某一穩(wěn)態(tài)正向電流（IF）所對(duì)應(yīng)的正向壓降。正向壓降越低，表明其導(dǎo)通損耗越小。反向恢復(fù)電流IRP及反向恢復(fù)時(shí)間trr：反向恢復(fù)時(shí)間trr通常定義為從電流下降為零至反向電流衰減至反向恢復(fù)電流峰值25％的時(shí)間。反向恢復(fù)電流IRP及恢復(fù)時(shí)間trr與正向?qū)〞r(shí)的正向電流IF及電流下降率diF/dt密切相關(guān)。

反向恢復(fù)過程：受二極管PN結(jié)中空間電荷區(qū)存儲(chǔ)電荷的影響，向正向?qū)ǖ亩O管施加反向電壓時(shí)，二極管不能立即轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，只有存儲(chǔ)電荷完全復(fù)合后，二極管才呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。第16頁/共802頁17機(jī)械工業(yè)出版社2、半控型器件――晶閘管圖2-2晶閘管電路符號(hào)及伏安（V－A）特性

優(yōu)點(diǎn)：晶閘管可以承受的電壓、電流在功率半導(dǎo)體中均為最高，具有價(jià)格便宜、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，盡管其開關(guān)頻率較低，但在大功率、低頻電力電子裝置中仍占主導(dǎo)地位。

第17頁/共802頁18機(jī)械工業(yè)出版社（1）基本特性：電流觸發(fā)特性：當(dāng)晶閘管A－K極間承受正向電壓時(shí)，如果G－K極間流過正向觸發(fā)電流，就會(huì)使晶閘管導(dǎo)通。單向?qū)щ娞匦裕寒?dāng)承受反向電壓時(shí)，此時(shí)無論門極有無觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。半控型特性：晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去作用；此時(shí)，不論門極電流是否存在、觸發(fā)電流極性如何，晶閘管都維持導(dǎo)通。要使導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)關(guān)斷，可對(duì)其A－K極間施加反向電壓或使其流過的電流小于維持電流（IH）。第18頁/共802頁19機(jī)械工業(yè)出版社（2）主要參數(shù)額定電壓UT：晶閘管在額定結(jié)溫、門極開路時(shí)，允許重復(fù)施加的正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和URRM中較小的一個(gè)電壓值稱為晶閘管的額定電壓UT。正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM、URRM：晶閘管門極開路(Ig=0)、器件在額定結(jié)溫時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正、反向峰值電壓。一般分別取正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（UDSM、URSM）的90%。正向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)小于轉(zhuǎn)折電壓（Ubo）。通態(tài)平均電流IT(AV)：在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的散熱條件下、穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)，晶閘管允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是額定電流的參數(shù)。維持電流IH：維持晶閘管導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百mA。第19頁/共802頁20機(jī)械工業(yè)出版社3、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管――電力MOSFET（1）基本特性圖2-3電力MOSFET結(jié)構(gòu)圖和電路圖形符號(hào)第20頁/共802頁21機(jī)械工業(yè)出版社a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性圖2-4電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性第21頁/共802頁22機(jī)械工業(yè)出版社（2）主要參數(shù)漏極電壓UDS漏極直流電流額定值ID和漏極脈沖電流峰值IDM漏源通態(tài)電阻RDS(on)：在柵源間施加一定電壓（10～15V），漏源間的導(dǎo)通電阻。柵源電壓UGS：柵源之間的絕緣層很薄，當(dāng)|UGS|>20V時(shí)將導(dǎo)致絕緣層擊穿。極間電容：MOSFET的3個(gè)電極之間分別存在極間電容CGS、CGD、CDS。一般生產(chǎn)廠商提供的是漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss。

Ciss=CGS+CGD（2-1）

Crss=CGD（2-2）

Coss=CDS+CGD（2-3）第22頁/共802頁23機(jī)械工業(yè)出版社4、絕緣柵雙極型晶體管――IGBT（1）基本特性：圖2-5IGBT電路符號(hào)圖形靜態(tài)特性與P-MOSFET類似；UGE=0時(shí)IC=0，IGBT處于阻斷狀態(tài)（斷態(tài)）；UGE足夠大（一般為5~15V），IGBT進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)（通態(tài)），當(dāng)UCE大于一定值（一般2V左右）時(shí)IC>0。優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度高通流能力強(qiáng)、耐壓等級(jí)高第23頁/共802頁24機(jī)械工業(yè)出版社（2）主要參數(shù)最大集射極間電壓BUCES：該參數(shù)決定了器件的最高工作電壓，這是由內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定的。最大集電極電流ICM：包括在一定殼溫下的額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。最大集電極功耗PCM：在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。集射極間飽和壓降UCE(sat)：對(duì)柵極與發(fā)射極（G－E）間施加一定正向電壓，在一定的結(jié)溫及集電極電流條件下，集射極（C－E）間的飽和通態(tài)壓降。此壓降在集電極電流較小時(shí)，呈負(fù)溫度系數(shù)，在電流較大時(shí)，為正溫度系數(shù)，這一特性使IGBT并聯(lián)運(yùn)行較為容易。第24頁/共802頁25機(jī)械工業(yè)出版社

現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用◆電力電子變換與控制技術(shù)（以四大變換展開）◆諧波抑制與功率因素校正技術(shù)◆電力電子技術(shù)的典型應(yīng)用案列第25頁/共802頁26機(jī)械工業(yè)出版社電力電子變換與控制系統(tǒng)1.主要由AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC四大基本變換及其組合構(gòu)成的主電路拓?fù)洹?.現(xiàn)代電力電子裝置的控制系統(tǒng)由微電子器件（硬件）、控制策略（軟件）和檢測(cè)、保護(hù)、驅(qū)動(dòng)等組成。第26頁/共802頁27機(jī)械工業(yè)出版社四大基本變化電路AC-DC變換電路DC-DC變換電路DC-AC變換電路AC-AC變換電路第27頁/共802頁28機(jī)械工業(yè)出版社2.2AC—DC變換電路交流――直流變換器（AC―DCConverter）的功能是將交流電變換成直流電，又稱為整流器。第28頁/共802頁29機(jī)械工業(yè)出版社a、二極管整流電路――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常用二極管整流器的主要形式第29頁/共802頁30機(jī)械工業(yè)出版社單相橋式三相半波三相橋式續(xù)表2-1第30頁/共802頁31機(jī)械工業(yè)出版社b、晶閘管整流電路――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常用晶閘管整流器的主要形式第31頁/共802頁32機(jī)械工業(yè)出版社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2-2第32頁/共802頁33機(jī)械工業(yè)出版社c、PWM整流電路――斬波整流圖2-6單相半橋整流器圖2-7單相全橋整流器第33頁/共802頁34機(jī)械工業(yè)出版社圖2-8三相電壓型PWM整流器圖2-9三相電流型PWM整流器第34頁/共802頁35機(jī)械工業(yè)出版社2.3DC/DC變換電路直流――直流變換器（DC－DCConverter）的功能是將一種直流電變換為另一種固定或可調(diào)電壓的直流電，又稱為直流斬波器（DCChopper）。第35頁/共802頁36機(jī)械工業(yè)出版社a、不隔離式單管DC－DC變換器Buck變換器

是一種降壓型DC－DC變換電路，輸出電壓小于或等于輸入電壓，輸入電流斷續(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，輸出電壓大于輸入電壓，VT的占空比Dy必須小于1，輸入電流連續(xù)。輸出電壓Uo=Uin/(1－Dy)。

第36頁/共802頁37機(jī)械工業(yè)出版社Buck－Boost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反，輸入電流斷續(xù)。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反，輸入電流連續(xù)。輸出電壓Uo=－(Dy/1－Dy)Uin。

第37頁/共802頁38機(jī)械工業(yè)出版社Sepic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。第38頁/共802頁39機(jī)械工業(yè)出版社b、隔離型DC－DC變換器

單端正激式DC－DC變換電路圖2-10單端正激變換器主電路圖2-11正激變換器工作波形

第39頁/共802頁40機(jī)械工業(yè)出版社單端反激式DC－DC變換電路圖2-12單端反激式DC-DC變換電路第40頁/共802頁41機(jī)械工業(yè)出版社a)電流連續(xù)模式(CCM)b)電流斷續(xù)模式(DCM)圖2-13反激式變換器工作波形第41頁/共802頁42機(jī)械工業(yè)出版社2.4DC－AC變換電路將直流電變換為交流電的過程稱為逆變換或DC－AC變換，實(shí)現(xiàn)逆變的主電路稱為DC－AC變換電路。通常將DC－AC變換電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路組成的DC－AC逆變電源稱為逆變器（Inverter）。

第42頁/共802頁43機(jī)械工業(yè)出版社a、常用的DC－AC逆變電路電壓型單相半橋逆變電路

直流母線電容濾波，直流電壓Ud經(jīng)C1、C2分壓，VT1、VT2交替導(dǎo)通/關(guān)斷；負(fù)載上的電壓幅值為Ud的一半，功率為全橋逆變器的四分之一；開關(guān)管VT1、VT2上承受的最大電壓為Ud；控制方式主要是PWM脈寬調(diào)制控制，移相控制等。第43頁/共802頁44機(jī)械工業(yè)出版社電壓型單相全橋逆變電路直流母線電容Cd濾波，VT1、VT4和VT2、VT3交替導(dǎo)通/關(guān)斷；加在負(fù)載上的電壓幅值為Ud，輸出功率為半橋逆變器的四倍；開關(guān)管VT1～VT4上承受的最大電壓為Ud；控制方式有單極、雙極式PWM脈寬調(diào)制控制，移相控制，調(diào)頻控制等方式。第44頁/共802頁45機(jī)械工業(yè)出版社電流型單相全橋逆變電路直流母線電感Ld濾波，VT1、VT4和VT2、VT3交替導(dǎo)通/關(guān)斷；負(fù)載上的電流波形為方波，幅值為Id；開關(guān)管VT1～VT4上承受的電壓為負(fù)載上的電壓。負(fù)載上的電壓幅值和相位取決于負(fù)載阻抗大小和性質(zhì)。第45頁/共802頁46機(jī)械工業(yè)出版社電壓型三相橋式逆變電路直流母線電容Cd濾波，負(fù)載線電壓幅值為Ud，開關(guān)管VT1～VT6上承受的最大電壓為Ud，控制方式有PWM脈寬調(diào)制、移相控制、調(diào)頻控制等方式，換流方式有1800和1200兩種。適合4kW以上的三相負(fù)載。第46頁/共802頁47機(jī)械工業(yè)出版社b、歸納DC－AC逆變電路的主要拓?fù)湫问?/p>

電壓型逆變器電流型逆變器單相半橋逆變器單相全橋逆變器三相橋式逆變器第47頁/共802頁48機(jī)械工業(yè)出版社c、逆變電路的參數(shù)計(jì)算電壓型單相半橋逆變電路的參數(shù)計(jì)算逆變器的輸入電壓為Ud，輸出功率為P，可得通過負(fù)載的電流有效值為：

對(duì)于阻感性負(fù)載：

選開關(guān)管VT1、VT2上的電壓定額為：

選開關(guān)管VT1、VT2上的電流定額為：

對(duì)于電阻性負(fù)載和諧振負(fù)載：（2-4）（2-5）（2-6）（2-7）第48頁/共802頁49機(jī)械工業(yè)出版社電壓型單相全橋逆變電路的參數(shù)對(duì)于阻感性負(fù)載：選開關(guān)管VT1、VT2上的電壓定額為：選開關(guān)管VT1、VT2上的電流定額為：對(duì)于電阻性負(fù)載和諧振負(fù)載：（2-8）（2-9）（2-10）（2-11）第49頁/共802頁50機(jī)械工業(yè)出版社電流型單相全橋逆變電路的參數(shù)計(jì)算等效導(dǎo)納為：在諧振點(diǎn)工作時(shí)，負(fù)載為等效電阻Ro、諧振頻率為

（2-12）（2-13）第50頁/共802頁51機(jī)械工業(yè)出版社將代入R0，得開關(guān)管VT1、VT2上的電壓定額為開關(guān)管VT1、VT2上的電流定額為其中為逆變器輸入電流，由負(fù)載輸出功率P求得（2-17）（2-16）（2-15）（2-14）第51頁/共802頁52機(jī)械工業(yè)出版社電壓型三相全橋逆變電路的參數(shù)計(jì)算對(duì)于電阻性負(fù)載對(duì)于電阻電感性負(fù)載開關(guān)管VT1~VT6上的電流定額為開關(guān)管VT1~VT6上的電壓定額為（2-21）（2-20）（2-19）（2-18）第52頁/共802頁53機(jī)械工業(yè)出版社2.5AC－AC變換電路

交流――交流變換器（AC－ACConverter）分為三大類：第一類頻率不變僅改變電壓大小的AC－AC電壓變換器；第二類直接將一定頻率的交流電變換為較低頻率交流電的相控式AC－AC直接變換器；在直接變頻的同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)電壓變換，實(shí)現(xiàn)降頻降壓變換；第三類PWM斬波式AC--AC變換器，即可實(shí)現(xiàn)降壓又可升壓，還可以實(shí)現(xiàn)變頻控制，是一種高性能的變換器，目前處于研究階段。第53頁/共802頁54機(jī)械工業(yè)出版社a、單相全控AC-AC變換電路電路特點(diǎn)：單相全控型電壓控制器，是最基本的交流調(diào)壓電路。圖中2只普通晶閘管（T1、T2）可由一只雙向晶閘管取代，但有效電流定額需擴(kuò)大約70%。

第54頁/共802頁55機(jī)械工業(yè)出版社b、單相半控AC-AC變換電路電路特點(diǎn)：節(jié)省了一個(gè)晶閘管，但移相控制運(yùn)行時(shí)輸出電壓正負(fù)半波不對(duì)稱，會(huì)給交流電網(wǎng)帶來諧波污染，不宜用于較大功率的調(diào)壓控制場(chǎng)合。第55頁/共802頁56機(jī)械工業(yè)出版社c、帶中性線N，星形聯(lián)結(jié)電路特點(diǎn)：帶一根電源中性線，相當(dāng)于三只單相晶閘管交流調(diào)壓器的組合，適合帶中線的星形平衡負(fù)載調(diào)壓或調(diào)功。缺點(diǎn)是三相不平衡運(yùn)行時(shí)，中線含有較大電流及諧波。

第56頁/共802頁57機(jī)械工業(yè)出版社d、無中性線的三相連接電路特點(diǎn)：三相負(fù)載可為星形、三角形聯(lián)結(jié)，每相電路通過另一相形成回路。不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，Δ形負(fù)載內(nèi)部有較大環(huán)流。第57頁/共802頁58機(jī)械工業(yè)出版社e、內(nèi)△聯(lián)接的控制器電路特點(diǎn)：反并聯(lián)晶閘管與各相負(fù)載串聯(lián)后再接成三角形，相當(dāng)于三個(gè)單相電壓控制器組成三相晶閘管交流電壓控制器。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)沖擊小，缺點(diǎn)是要求負(fù)載有6個(gè)抽頭。

第58頁/共802頁59機(jī)械工業(yè)出版社2.6多極復(fù)合形式的變換電路

在眾多電源變換器中AC－DC，DC－DC，DC－AC和AC－AC變換是四種最基本的電壓或頻率變換電路。在新能源發(fā)電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，常將兩個(gè)以上的基本變換電路組合在一起，構(gòu)成多級(jí)復(fù)合形式的變換電路。第59頁/共802頁60機(jī)械工業(yè)出版社

1．AC－DC－DC－AC變換電路（DC－DC降壓型）圖2－15降壓型AC－DC－DC－AC變換電路第60頁/共802頁61機(jī)械工業(yè)出版社2．AC－DC－DC－AC變換電路（DC－DC升壓型）圖2－16升壓型AC－DC－DC－AC變換電路第61頁/共802頁62機(jī)械工業(yè)出版社3．隔離式DC－AC－DC變換電路圖2－17隔離式DC－AC－DC變換電路第62頁/共802頁63機(jī)械工業(yè)出版社4．隔離式AC－DC－AC－DC變換電路圖2－18隔離式AC－DC－AC－DC變換電路第63頁/共802頁64機(jī)械工業(yè)出版社2.7半導(dǎo)體功率器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路

實(shí)際的電力電子變換器是由主電路、驅(qū)動(dòng)器及保護(hù)電路、控制電路、檢測(cè)與顯示電路等多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)器接受控制系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)，經(jīng)功率放大和隔離后，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷，是連接功率器件與控制系統(tǒng)的橋梁。由于半導(dǎo)體功率開關(guān)器件種類繁多，不同的開關(guān)器件對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能要求不盡相同，典型的驅(qū)動(dòng)器分為電流驅(qū)動(dòng)型器件和電壓驅(qū)動(dòng)型器件的兩大類驅(qū)動(dòng)器。電流驅(qū)動(dòng)型器件主要有SCR、GTO和GTR，電壓驅(qū)動(dòng)型器件主要有MOSFET、IGBT和SIT等。第64頁/共802頁65機(jī)械工業(yè)出版社2.7.1晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器圖2－19采用變壓器隔離的SCR驅(qū)動(dòng)器

圖2－20采用光耦隔離的SCR驅(qū)動(dòng)器第65頁/共802頁66機(jī)械工業(yè)出版社2.7.2IGBT和MOSFET驅(qū)動(dòng)器

和雙極型晶體管（GTR）不同，功率MOSFET和IGBT器件都是屬于電壓驅(qū)動(dòng)型，輸入阻抗很大，為提高器件的開關(guān)速度，電壓驅(qū)動(dòng)型器件的柵極驅(qū)動(dòng)器除應(yīng)具有更快的響應(yīng)速度（ns級(jí)）外，同樣需要足夠大的柵極驅(qū)動(dòng)能力（一般為＋15V）和反向電壓（一般為－5v），以保證瞬時(shí)完成對(duì)等效柵極電容的充電或放電過程。第66頁/共802頁67機(jī)械工業(yè)出版社功率MOSFET和IGBT器件驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用實(shí)例

1．TLP250功率驅(qū)動(dòng)電路及應(yīng)用圖2－22TLP250組成的驅(qū)動(dòng)電路第67頁/共802頁68機(jī)械工業(yè)出版社2．UC3724/UC3725驅(qū)動(dòng)電路圖2－23UC3724/3725功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路第68頁/共802頁69機(jī)械工業(yè)出版社3．IHD680驅(qū)動(dòng)電路圖2－24IHD680驅(qū)動(dòng)電路第69頁/共802頁70機(jī)械工業(yè)出版社4．MAX4428驅(qū)動(dòng)電路圖2－25MAX4428驅(qū)動(dòng)電路第70頁/共802頁71機(jī)械工業(yè)出版社5．IR2110驅(qū)動(dòng)電路圖2－26IR2110驅(qū)動(dòng)電路第71頁/共802頁72機(jī)械工業(yè)出版社6．EXB841驅(qū)動(dòng)電路圖2－27EXB841內(nèi)部電路第72頁/共802頁73機(jī)械工業(yè)出版社2.7.3功率器件的保護(hù)電路1．過電流保護(hù)電路

過電流保護(hù)在電源變換電路中是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，直接影響到裝置的可靠性。

MOSFET和IGBT的過流允許值一般為2倍的電流額定值，IGBT允許過流時(shí)間一般≤20μs，MOSFET允許過流時(shí)間還要小?？紤]到過電流發(fā)生和硬件保護(hù)電路需要一定的時(shí)間，因此要求過電流檢測(cè)的電流傳感器（一般用霍爾傳感器）響應(yīng)速度要快。除了在驅(qū)動(dòng)電路中加過流保護(hù)功能外，還要在整流電路輸出、逆變電路輸入、負(fù)載回路加過流檢測(cè)進(jìn)行過流保護(hù)。第73頁/共802頁74機(jī)械工業(yè)出版社

電流傳感器的安裝位置可選擇為：①與直流母線串聯(lián)，可以檢測(cè)直流母線后的逆變電路或負(fù)載回路的過電流。②與負(fù)載串聯(lián)，可檢測(cè)負(fù)載回路的過電流。③與每一個(gè)IGBT串聯(lián)，可直接檢測(cè)IGBT的過電流，但使用的電流傳感器多，成本高，一般不用。圖2－28電流傳感器的安裝位置第74頁/共802頁75機(jī)械工業(yè)出版社

2．過電壓保護(hù)電路

過電壓的抑制方法常利用電容對(duì)電壓沖擊的緩沖作用，設(shè)計(jì)合適的緩沖電路吸收du/dt或采用軟開關(guān)技術(shù)。采用性能良好的緩沖電路，可使功率MOSFET或IGBT工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減少開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性、安全性都有重要的意義。第75頁/共802頁76機(jī)械工業(yè)出版社典型緩沖吸收電路實(shí)例a)b)c)d)圖2－30緩沖電路的主要形式第76頁/共802頁77機(jī)械工業(yè)出版社第3章風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)第77頁/共802頁78機(jī)械工業(yè)出版社第78頁/共802頁79機(jī)械工業(yè)出版社

本章主要內(nèi)容3.1風(fēng)的特性及風(fēng)能利用3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理3.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略3.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行和功率補(bǔ)償3.5風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性評(píng)價(jià)第79頁/共802頁80機(jī)械工業(yè)出版社

緒論

在新能源發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電是其中最接近實(shí)用和推廣的一種。風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，涉及空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械、電機(jī)和控制技術(shù)等領(lǐng)域。

風(fēng)力發(fā)電是在大量利用風(fēng)力提水的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它首先起源于丹麥，目前丹麥已成為世界上生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大國。20世紀(jì)70年代世界連續(xù)出現(xiàn)石油危機(jī)，隨之而來的環(huán)境問題迫使人們考慮可再生能源利用問題，風(fēng)力發(fā)電很快重新提上了議事日程。風(fēng)力發(fā)電是近期內(nèi)最具開發(fā)利用前景的可再生能源，也將是21世紀(jì)中發(fā)展最快的一種可再生能源。第80頁/共802頁81機(jī)械工業(yè)出版社感性認(rèn)識(shí)：各式風(fēng)機(jī)第81頁/共802頁82機(jī)械工業(yè)出版社第82頁/共802頁83機(jī)械工業(yè)出版社第83頁/共802頁84機(jī)械工業(yè)出版社第84頁/共802頁85機(jī)械工業(yè)出版社3.1風(fēng)的特性及風(fēng)能利用3.1.1風(fēng)的產(chǎn)生

風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，由太陽輻射熱和地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和地表差異等引起，大氣是這種能源轉(zhuǎn)換的媒介。圖3-1地球上風(fēng)的運(yùn)動(dòng)第85頁/共802頁86機(jī)械工業(yè)出版社3.1.2風(fēng)的特性與風(fēng)能1、隨機(jī)性2、風(fēng)隨高度的變化而變化

不同高度風(fēng)速的表達(dá)式：

式中ν——距地面高度為h處的風(fēng)速（m／s）；

ν0——高度為h0處的風(fēng)速（m／s），一般取h0為10m；

k——修正指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度等，其值約為0.125～0.5。

第86頁/共802頁87機(jī)械工業(yè)出版社3.1.3風(fēng)的表示及應(yīng)用1、風(fēng)向

風(fēng)向一般用16個(gè)方位表示，也可以用角度表示。圖示方向方位圖圖3-2風(fēng)向方位圖第87頁/共802頁88機(jī)械工業(yè)出版社2、風(fēng)速由于風(fēng)時(shí)有時(shí)無、時(shí)大時(shí)小，每一瞬時(shí)的速度都不相同，所以風(fēng)速是指一段時(shí)間內(nèi)的平均值，即平均風(fēng)速。

3、風(fēng)力風(fēng)力等級(jí)是根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強(qiáng)度等級(jí)來估計(jì)風(fēng)力的大小。國際上采用的為蒲福風(fēng)級(jí)，從靜風(fēng)到颶風(fēng)共分為13個(gè)等級(jí)。

風(fēng)力等級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系：式中VN——N級(jí)風(fēng)的平均風(fēng)速(m/s)；

N——風(fēng)的級(jí)數(shù)。第88頁/共802頁89機(jī)械工業(yè)出版社4、風(fēng)能

（1）風(fēng)能密度，空氣在一秒鐘內(nèi)以速度ν流過單位面積產(chǎn)生的動(dòng)能。表達(dá)式為：

（2）風(fēng)能，空氣在一秒鐘時(shí)間內(nèi)以速度ν流過面積為S截面的動(dòng)能。

表達(dá)式為：

（3）風(fēng)能利用，風(fēng)能的利用主要是將大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。第89頁/共802頁90機(jī)械工業(yè)出版社風(fēng)能轉(zhuǎn)換及應(yīng)用情況如圖所示。圖3-5風(fēng)能轉(zhuǎn)換與應(yīng)用情況第90頁/共802頁91機(jī)械工業(yè)出版社3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及工作原理3.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及分類

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類一般有3種，如下表所示。第91頁/共802頁92機(jī)械工業(yè)出版社按風(fēng)輪軸的安裝型式按風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率

按運(yùn)行方式

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

微型（額定功率50～1000W）、小型（額定功率1.0～10kW）、中型（額定功率10～100kW）和大型（額定功率大于100kW）

獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行

第92頁/共802頁93機(jī)械工業(yè)出版社2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是目前技術(shù)最成熟、產(chǎn)量最大的形式；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因其效率低、需起動(dòng)設(shè)備等技術(shù)原因應(yīng)用較少，因此下面主要介紹水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)。第93頁/共802頁94機(jī)械工業(yè)出版社（1）獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

水平軸獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪(包括尾舵)、發(fā)電機(jī)、支架、電纜、充電控制器、逆變器、蓄電池組等組成，其主要結(jié)構(gòu)見右圖。

圖3-6水平軸獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要結(jié)構(gòu)第94頁/共802頁95機(jī)械工業(yè)出版社

并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成，其結(jié)構(gòu)如右圖所示

（2）并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組圖3-7并網(wǎng)運(yùn)行的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理框圖第95頁/共802頁96機(jī)械工業(yè)出版社

并網(wǎng)運(yùn)行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)，它由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙、機(jī)座、回轉(zhuǎn)體、制動(dòng)器）等組成，結(jié)構(gòu)如右圖。

（3）大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組圖3-8大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)第96頁/共802頁97機(jī)械工業(yè)出版社3.2.2風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)又稱為風(fēng)輪，主要有水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。1、水平軸風(fēng)力機(jī)：

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(fēng)力機(jī)第97頁/共802頁98機(jī)械工業(yè)出版社2、垂直軸風(fēng)力機(jī)：a.薩窩紐斯式b.達(dá)里厄式c.旋翼式圖-10垂直軸風(fēng)力機(jī)第98頁/共802頁99機(jī)械工業(yè)出版社水平軸垂直軸第99頁/共802頁100機(jī)械工業(yè)出版社3.2.3風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的風(fēng)輪之所以能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，原因是因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)具有特殊的翼型。圖示為現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片的翼型及翼型受力分析圖。

圖3-11風(fēng)力機(jī)的葉片翼型及受力第100頁/共802頁101機(jī)械工業(yè)出版社

現(xiàn)分析風(fēng)輪不動(dòng)時(shí)受到風(fēng)吹的情況：當(dāng)風(fēng)以速度矢量ν吹向葉片時(shí)，在翼型的上表面，風(fēng)速減小，形成低壓區(qū)，翼型的下表面，風(fēng)速增大，形成高壓區(qū)，上下表面間形成壓差，產(chǎn)生垂直于翼弦的力F，力F可以分解為與相對(duì)風(fēng)速方向平行的阻力FD和垂直于風(fēng)向的升力FL，升力使風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

第101頁/共802頁102機(jī)械工業(yè)出版社風(fēng)力機(jī)的輸出功率當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)力機(jī)的葉片時(shí)，風(fēng)力機(jī)的主要作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率可用式子表示為：第102頁/共802頁103機(jī)械工業(yè)出版社

對(duì)應(yīng)于最大的風(fēng)力機(jī)利用系CPm有一個(gè)葉尖速比λm，因風(fēng)速經(jīng)常變化，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲，風(fēng)力機(jī)應(yīng)變速運(yùn)行，以維持葉尖速比λm不變。在槳距角一定時(shí)，CP與葉尖速比λ的關(guān)系如下圖所示。

圖3-13風(fēng)力機(jī)的利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系第103頁/共802頁104機(jī)械工業(yè)出版社3.2.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)

在由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，發(fā)電機(jī)及其控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心。獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī)主要有直流發(fā)電機(jī)、永磁式交流發(fā)電機(jī)、硅整流自勵(lì)式交流發(fā)電機(jī)及電容式自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組中使用的發(fā)電機(jī)主要有同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、低速交流發(fā)電機(jī)、無刷雙饋發(fā)電機(jī)、交流整流子發(fā)電機(jī)、高壓同步發(fā)電機(jī)及開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等。第104頁/共802頁105機(jī)械工業(yè)出版社1、獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)

獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實(shí)現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨(dú)立運(yùn)行的交流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖3-14獨(dú)立運(yùn)行的交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第105頁/共802頁106機(jī)械工業(yè)出版社（1）直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)從磁場(chǎng)產(chǎn)生（勵(lì)磁）的角度來分，可分為永磁式直流發(fā)電機(jī)和電磁式直流發(fā)電機(jī)，典型結(jié)構(gòu)如圖示。直流發(fā)電機(jī)可直接將電能送給蓄電池蓄能，可省去整流器，隨著永磁材料的發(fā)展及直流發(fā)電機(jī)的無刷化，永磁直流發(fā)電機(jī)的功率不斷做大，性能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電機(jī)。

圖3-15電磁式直流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)第106頁/共802頁107機(jī)械工業(yè)出版社（2）永磁式交流同步發(fā)電機(jī)永磁式交流同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組，因此無勵(lì)磁繞組的銅損耗，發(fā)電機(jī)的效率高；轉(zhuǎn)子上無集電環(huán)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行更可靠；采用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機(jī)體積小，重量輕，制造工藝簡便，因此廣泛應(yīng)用于小型及微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。圖3-17凸極式永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1—定子齒2—定子軛3—永磁體轉(zhuǎn)子4—轉(zhuǎn)子軸5—?dú)庀?—定子繞組第107頁/共802頁108機(jī)械工業(yè)出版社（3）硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)

如下圖，硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)電路原理圖。硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)一般帶有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，來抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響，延長蓄電池的使用壽命，提高供電質(zhì)量。圖3-18硅整流自勵(lì)式交流同步發(fā)電機(jī)電路原理圖第108頁/共802頁109機(jī)械工業(yè)出版社（4）電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)

電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)是在異步發(fā)電機(jī)定子繞組的輸出端接上電容，以產(chǎn)生超前于電壓的容性電流建立磁場(chǎng)，從而建立電壓。其電路示意圖如下圖所示。

圖3-19電容自勵(lì)式異步發(fā)電機(jī)電路原理第109頁/共802頁110機(jī)械工業(yè)出版社并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所用的發(fā)電機(jī)（1）異步發(fā)電機(jī)風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，只要發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以并網(wǎng)，對(duì)機(jī)組的調(diào)速要求不高，不需要同步設(shè)備和整步操作。異步發(fā)電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系，可通過轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負(fù)載。（2）同步發(fā)電機(jī)當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高；同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功率，也可提供無功功率，可使功率因數(shù)為1，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。

第110頁/共802頁111機(jī)械工業(yè)出版社第111頁/共802頁112機(jī)械工業(yè)出版社（3）雙饋異步發(fā)電機(jī)雙饋異步發(fā)電機(jī)是當(dāng)今最有發(fā)展前途的一種發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)是由一臺(tái)帶集電環(huán)的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)和變頻器組成，變頻器有交－交變頻器、交－直－交變頻器及正弦波脈寬調(diào)制雙向變頻器三種，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖3-25雙饋異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第112頁/共802頁113機(jī)械工業(yè)出版社第113頁/共802頁114機(jī)械工業(yè)出版社

雙饋異步發(fā)電機(jī)工作原理：異步發(fā)電機(jī)中定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)始終是相對(duì)靜止的，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而頻率不變時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定、轉(zhuǎn)子電流的頻率關(guān)系可表示為：

式中

f1——定子電流的頻率（Hz），f1=pn1/60，n1

為同步轉(zhuǎn)速；

p——發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；

n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min）；

f2——轉(zhuǎn)子電流的頻率（Hz），因f2=sf1，故f2又稱為轉(zhuǎn)差頻率。第114頁/共802頁115機(jī)械工業(yè)出版社根據(jù)雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋異步發(fā)電機(jī)可以有三種運(yùn)行狀態(tài)：1）亞同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n<n1，轉(zhuǎn)差率s>0，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同方向，功率流向如圖所示。第115頁/共802頁116機(jī)械工業(yè)出版社2）超同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n>n1，轉(zhuǎn)差率s<0，轉(zhuǎn)子中的電流相序發(fā)生了改變，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反方向，功率流向如圖所示。3）同步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)n=n1，f2=0，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，與同步發(fā)電機(jī)相同。

第116頁/共802頁117機(jī)械工業(yè)出版社

雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，功率變換器的容量小，成本低；既可以亞同步運(yùn)行，也可以超同步運(yùn)行，因此調(diào)速范圍寬；可跟蹤最佳葉尖速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；可對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行控制，提高功率因數(shù)；能吸收陣風(fēng)能量，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和輸出功率的波動(dòng)，因此電能質(zhì)量高，是目前很有發(fā)展?jié)摿Φ淖兯俸泐l發(fā)電機(jī)。第117頁/共802頁118機(jī)械工業(yè)出版社（4）無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)(BrushlessDoubly－FedMachine，簡稱BDFM)的基本原理與雙饋異步發(fā)電機(jī)相同，不同之外是取消了電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性增大，但系統(tǒng)體積也相應(yīng)增大，常用的有級(jí)聯(lián)式和磁場(chǎng)調(diào)制型兩種類型。圖3-27級(jí)聯(lián)式無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

圖3-28磁場(chǎng)調(diào)制型無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)

第118頁/共802頁119機(jī)械工業(yè)出版社（5）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)又稱為雙凸極式發(fā)電機(jī)（簡稱SRG），定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成，定子極數(shù)一般比轉(zhuǎn)子的極數(shù)多，轉(zhuǎn)子上無繞組，定子凸極上安放有彼此獨(dú)立的集中繞組，徑向獨(dú)立的兩個(gè)繞組串聯(lián)起來構(gòu)成一相。

圖3-29三相（6/4極）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

第119頁/共802頁120機(jī)械工業(yè)出版社

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，其系統(tǒng)一般由風(fēng)力機(jī)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其功率變換器、控制器、蓄電池、逆變器、負(fù)載以及輔助電源等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，效率高而且轉(zhuǎn)矩密度大，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中可用于直接驅(qū)動(dòng)、變速運(yùn)行，有一定的開發(fā)、研究價(jià)值。圖3-30開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成第120頁/共802頁121機(jī)械工業(yè)出版社3.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略

與一般工業(yè)控制系統(tǒng)不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合性復(fù)雜控制系統(tǒng)。尤其是對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，控制系統(tǒng)不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保運(yùn)行過程的安全性和可靠性，還需要根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化，對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電質(zhì)量，而這正是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般都采用微機(jī)控制，如下圖所示。第121頁/共802頁122機(jī)械工業(yè)出版社2－A/D轉(zhuǎn)換模塊3－風(fēng)向標(biāo)4－風(fēng)速計(jì)5－頻率計(jì)6－電壓表7－電流表8－控制機(jī)構(gòu)9－執(zhí)行機(jī)構(gòu)10－液壓調(diào)速油缸11－調(diào)向電機(jī)12－其他傳感器

圖3-32風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的微機(jī)自控原理框圖第122頁/共802頁123機(jī)械工業(yè)出版社3.3.1風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)及控制要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的目標(biāo)主要有四個(gè)：保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行、能量利用率最大、電能質(zhì)量高、機(jī)組壽命延長。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)的控制功能有七個(gè)：①在運(yùn)行的風(fēng)速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；②低風(fēng)速時(shí)，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風(fēng)能；③高風(fēng)速時(shí)，限制風(fēng)能的捕獲，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率為額定值；④減小陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰值，減小風(fēng)輪的機(jī)械應(yīng)力和輸出功率的波動(dòng)，避免共振；第123頁/共802頁124機(jī)械工業(yè)出版社⑤減小功率傳動(dòng)鏈的暫態(tài)響應(yīng)；⑥控制器簡單，控制代價(jià)小，對(duì)一些輸入信號(hào)進(jìn)行限幅；⑦調(diào)節(jié)機(jī)組的功率，確保機(jī)組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。

為實(shí)現(xiàn)上述所要求的部分或全部控制功能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段：從最初的定槳距失速恒頻控制到后來的變槳距恒速恒頻控制，目前主要發(fā)展變槳距或定槳距變速恒頻控制。第124頁/共802頁125機(jī)械工業(yè)出版社3.3.2并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)控制

風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)方式有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)和主動(dòng)失速調(diào)節(jié)三種。1、定槳距失速調(diào)節(jié)定槳距失速調(diào)節(jié)一般用于恒速控制，其風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。在風(fēng)速超過額定風(fēng)速后利用槳葉翼型本身的失速特性，維持發(fā)電機(jī)組的輸出功率在額定值附近。

第125頁/共802頁126機(jī)械工業(yè)出版社

定槳距失速控制的優(yōu)點(diǎn)是失速調(diào)節(jié)簡單可靠，由風(fēng)速變化引起的輸出功率的控制只通過槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距機(jī)構(gòu)，使控制系統(tǒng)大為簡化，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、部件小、造價(jià)低。其缺點(diǎn)是葉片重量大、成形工藝復(fù)雜，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機(jī)組的整體效率較低。2、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)與控制變槳距風(fēng)力機(jī)的整個(gè)葉片可以繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片的攻角在一定范圍（0～90o）變化，變槳距調(diào)節(jié)是指通過變槳距機(jī)構(gòu)改變安裝在輪轂上的葉片槳距角的大小，使風(fēng)輪葉片的槳距角隨風(fēng)速的變化而變化，一般用于變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要目的是改善機(jī)組的起動(dòng)性能和功率特性。第126頁/共802頁127機(jī)械工業(yè)出版社

（1）根據(jù)其作用可分為三個(gè)控制過程：起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制，額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制和額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制。

a.起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制

變距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，槳距角β為90o，當(dāng)風(fēng)速達(dá)起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0o方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)力機(jī)獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)

b.額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的控制

為了改善低風(fēng)速時(shí)的槳葉性能，近幾年來，在并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)上，利用新技術(shù)，根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。第127頁/共802頁128機(jī)械工業(yè)出版社

c.額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制

當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，通過調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片的攻角，使槳距角β

向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，β增大，功角α

減小，如圖所示。從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，使功率輸出保持在額定值附近，這時(shí)風(fēng)力機(jī)在額定點(diǎn)的附近具有較高的風(fēng)能利用因數(shù)。第128頁/共802頁129機(jī)械工業(yè)出版社a）變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線

b）定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線

由圖可見，在額定風(fēng)速以下，兩者相似，但在額定風(fēng)速以上，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率維持恒定，而定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率由于風(fēng)力機(jī)的失速當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)而減小。第129頁/共802頁130機(jī)械工業(yè)出版社3、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖如圖所示。在起動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，由速度控制器起作用，起動(dòng)結(jié)束后，在額定風(fēng)速以下，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)不進(jìn)行控制。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過額定風(fēng)速時(shí)，切換到功率控制，功率控制器根據(jù)給定與反饋的功率信號(hào)比較后進(jìn)行功率控制，以維持額定功率不變。

圖3-38傳統(tǒng)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)框圖第130頁/共802頁131機(jī)械工業(yè)出版社

新型控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是采用了兩個(gè)速度控制器及增加了轉(zhuǎn)子電流的控制。其中一個(gè)速度控制器的作用與傳統(tǒng)的速度控制器相同，既起動(dòng)時(shí)和同步轉(zhuǎn)速附近的轉(zhuǎn)速控制。

另一個(gè)速度控制器的作用是在并網(wǎng)后，和功率控制器一起通過轉(zhuǎn)子電流的控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)差即轉(zhuǎn)速的控制。帶轉(zhuǎn)子電流控制器的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。圖3-39帶轉(zhuǎn)子電流控制器的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第131頁/共802頁132機(jī)械工業(yè)出版社

轉(zhuǎn)子電流控制器安裝在繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上，通過集電環(huán)與轉(zhuǎn)子電路相連，轉(zhuǎn)子電路中外接三相電阻，通過一組電力電子器件來調(diào)整轉(zhuǎn)子回路電阻，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，其控制系統(tǒng)原理如下圖所示。圖中的開關(guān)S代表機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)前的控制方式，為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；開關(guān)R代表機(jī)組并網(wǎng)后的控制方式，為功率閉環(huán)控制；RCC為異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流控制器。

第132頁/共802頁133機(jī)械工業(yè)出版社圖3-40轉(zhuǎn)差可調(diào)異步發(fā)電機(jī)控制原理框圖

第133頁/共802頁134機(jī)械工業(yè)出版社

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)與控制

1、原理變速恒頻是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，通過適當(dāng)?shù)目刂频玫捷敵鲱l率恒定的電能。

2、特點(diǎn)

1.可大范圍的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使功率系數(shù)保持在最佳值，從而最大限度地吸收風(fēng)能，系統(tǒng)效率高；

2.能吸收和存貯陣風(fēng)能量，減少陣風(fēng)沖擊對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的疲勞損壞、機(jī)械應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，延長機(jī)組壽命，減少噪聲；

3.可以控制有功功率和無功功率，電能質(zhì)量高。第134頁/共802頁135機(jī)械工業(yè)出版社3、調(diào)節(jié)控制過程

(1)起動(dòng)時(shí)通過調(diào)節(jié)槳距控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳時(shí)機(jī)并網(wǎng)；

(2)并網(wǎng)后，在額定風(fēng)速以下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風(fēng)能的最大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問題；

(3)在額定風(fēng)速以上，采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變速和槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，存貯或釋放部分能量，限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機(jī)輸出功率的更加平穩(wěn)。第135頁/共802頁136機(jī)械工業(yè)出版社4、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要類型

(1)籠型異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

不足：系統(tǒng)的成本和體積較大，在大容量發(fā)電機(jī)組中難以實(shí)現(xiàn)；需加電容補(bǔ)償裝置，其電壓和功率因數(shù)的控制較難。

第136頁/共802頁137機(jī)械工業(yè)出版社(2)同步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

特點(diǎn)：變頻器容量較大，但其控制比籠型異步發(fā)電機(jī)簡單，可通過轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的控制來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、有功功率和無功功率的控制。第137頁/共802頁138機(jī)械工業(yè)出版社(3)雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

特點(diǎn)：大大降低了變頻器的成本和控制難度；定子直接上網(wǎng)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性；通過改變轉(zhuǎn)子電流的相位和幅值來調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)仍有電刷和集電環(huán)，工作可靠性受影響。

圖3-45雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

第138頁/共802頁139機(jī)械工業(yè)出版社(4)無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

特點(diǎn)：變頻器的容量較?。怀龑?shí)現(xiàn)變速恒頻控制外，還可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的靈活控制，以補(bǔ)償電網(wǎng)的功率因數(shù)；發(fā)電機(jī)上無電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性增大。但發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制器較復(fù)雜圖3-46無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)第139頁/共802頁140機(jī)械工業(yè)出版社5、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本控制策略一般確定為：①低于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最大風(fēng)能利用系數(shù)，以獲得最大能量；②高于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。第140頁/共802頁141機(jī)械工業(yè)出版社(1)轉(zhuǎn)速控制策略一般通過控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，圖為最佳轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線。第141頁/共802頁142機(jī)械工業(yè)出版社

為實(shí)現(xiàn)對(duì)最佳轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線的跟蹤，一般有間接速度控制和直接速度控制兩種方法，分別如下圖所示。圖3-48a)間接速度控制策略

第142頁/共802頁143機(jī)械工業(yè)出版社圖3-48b)直接速度控制策略

第143頁/共802頁144機(jī)械工業(yè)出版社(2)功率控制策略一般采用兩種方法：①控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩來改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)輪的葉尖速比，維持功率不變；②改變槳葉節(jié)距角來改變空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩；或?qū)煞N方法結(jié)合起來，以改善性能。

第144頁/共802頁145機(jī)械工業(yè)出版社圖3-49功率控制系統(tǒng)總框圖

第145頁/共802頁146機(jī)械工業(yè)出版社圖3-50改變槳葉節(jié)距角的控制系統(tǒng)圖

第146頁/共802頁147機(jī)械工業(yè)出版社6、雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)變速恒頻的方法很多，其中雙饋異步發(fā)電機(jī)的方案最具優(yōu)勢(shì)。雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的變頻器采用雙PWM變頻器，發(fā)電機(jī)根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，實(shí)現(xiàn)恒頻輸出；再通過矢量變換控制實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能的捕獲。采用矢量控制技術(shù)的雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖所示，圖中DFIG為雙饋異步發(fā)電機(jī)的簡稱。

第147頁/共802頁148機(jī)械工業(yè)出版社圖3-51采用矢量控制技術(shù)的雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

第148頁/共802頁149機(jī)械工業(yè)出版社圖3-52由IGBT電力電子器件組成的雙PWM變頻器的主電路第149頁/共802頁150機(jī)械工業(yè)出版社7、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制

(1)模糊控制模糊控制可將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示為語言規(guī)劃用于控制器的設(shè)計(jì)，不需要被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，能克服非線性因素的影響，對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性，非常適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制。對(duì)于變速恒頻控制的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可針對(duì)機(jī)組的不同狀態(tài)設(shè)計(jì)相應(yīng)的模糊控制器，以達(dá)到最大風(fēng)能捕獲和功率穩(wěn)定的控制，圖為模糊邏輯控制器框圖。

第150頁/共802頁151機(jī)械工業(yè)出版社圖3-57模糊邏輯控制器框圖R—給定值E—偏差U—控制器Y—被控制量第151頁/共802頁152機(jī)械工業(yè)出版社(2)模型參考自適應(yīng)控制針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性、不穩(wěn)定性和模型很難建立的特點(diǎn)，采用模型參考自適應(yīng)控制，通過參考模型的建立和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制器參數(shù)的適時(shí)修正來降低不確定性對(duì)系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率的控制。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示，

第152頁/共802頁153機(jī)械工業(yè)出版社圖3-58模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)

ωopt為希望轉(zhuǎn)速，ω為發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，ωw為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，υ為風(fēng)速，ω*為參考轉(zhuǎn)速，e為參考轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的偏差

第153頁/共802頁154機(jī)械工業(yè)出版社

除了上述的二種智能控制方法外，還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制等新型的智能控制方法在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應(yīng)用研究，隨著新技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電的重視，風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)會(huì)得到更大的發(fā)展。第154頁/共802頁155機(jī)械工業(yè)出版社(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可任意逼近任何非線性模型的非線性映射能力，利用其學(xué)習(xí)和自收斂性可設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器，可提高系統(tǒng)的控制精度，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，因此在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中也有相應(yīng)的應(yīng)用研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制還可以與模糊控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器來控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

除了上述的三種智能控制方法外，還有滑模變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制等新型的智能控制方法在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應(yīng)用研究，隨著新技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電的重視，風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)會(huì)得到更大的發(fā)展。

第155頁/共802頁156機(jī)械工業(yè)出版社3.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)和功率補(bǔ)償

由于風(fēng)能是一個(gè)不穩(wěn)定的能源，風(fēng)力發(fā)電本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出，因此風(fēng)力發(fā)電必須采用儲(chǔ)能裝置或與其他發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行。10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲(chǔ)能裝置獨(dú)立運(yùn)行。

為解決風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定供電的問題，目前一般采用的方法是：1000kW以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行；

幾十kW～幾百kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以并網(wǎng)運(yùn)行，或者與其他發(fā)電裝置互補(bǔ)運(yùn)行（如風(fēng)光互補(bǔ)、風(fēng)力－柴油發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行）；第156頁/共802頁157機(jī)械工業(yè)出版社

大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要是并網(wǎng)運(yùn)行，由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程是一個(gè)瞬變過程，它受制于并網(wǎng)前的發(fā)電狀況，影響并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)的運(yùn)行和電網(wǎng)電能質(zhì)量，在并網(wǎng)運(yùn)行方式中主要解決的問題是并網(wǎng)控制和功率調(diào)節(jié)問題。對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行的不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其控制方法和控制重點(diǎn)不同。第157頁/共802頁158機(jī)械工業(yè)出版社3.4.1風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行和功率補(bǔ)償

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率之間有著嚴(yán)格不變的固定關(guān)系，

同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，可通過勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償，其輸出電能頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，因此在發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)也是應(yīng)用最普遍的。第158頁/共802頁159機(jī)械工業(yè)出版社1、風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)條件和并網(wǎng)方法

風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的電路如圖3－59所示，圖中同步發(fā)電機(jī)的定子繞組通過斷路器與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制。1）并網(wǎng)條件圖3－59同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)的電路第159頁/共802頁160機(jī)械工業(yè)出版社

風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)到電網(wǎng)時(shí)，為防止過大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的各相端電壓的瞬時(shí)值要與電網(wǎng)端對(duì)應(yīng)相電壓的瞬時(shí)值完全一致。具體有五個(gè)條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；

在并網(wǎng)時(shí)，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變，只要使發(fā)電機(jī)的各相繞組輸出端與電網(wǎng)各相互相對(duì)應(yīng)，條件④就可以滿足；而條件①可由發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造和安裝保證；因此并網(wǎng)時(shí)，主要是其他三條的檢測(cè)和控制，這其中第③條頻率相同是必須滿足的條件。

⑤相位相同。第160頁/共802頁161機(jī)械工業(yè)出版社2）并網(wǎng)方法滿足上述理想并聯(lián)條件的并網(wǎng)方式稱為準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式，在這種并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)瞬間不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，電網(wǎng)電壓不會(huì)下降，也不會(huì)對(duì)定子繞組和其他機(jī)械部件造成沖擊。(1)自動(dòng)準(zhǔn)同步并網(wǎng)第161頁/共802頁162機(jī)械工業(yè)出版社

風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)與并網(wǎng)過程如下：偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向傳感器測(cè)量的風(fēng)向信號(hào)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳距控制器調(diào)節(jié)葉片槳距角使風(fēng)力機(jī)起動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器給發(fā)電機(jī)輸入勵(lì)磁電流，通過勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)使發(fā)電機(jī)輸出的端電壓與電網(wǎng)電壓相近。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎達(dá)到同步轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的端電壓與電網(wǎng)電壓的幅值大致相同和斷路器兩端的電位差為零或很小時(shí)，控制斷路器合閘并網(wǎng)。風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后通過自整步作用牽入同步，使發(fā)電機(jī)電壓頻率與電網(wǎng)一致。以上的檢測(cè)與控制過程一般通過微機(jī)實(shí)現(xiàn)。第162頁/共802頁163機(jī)械工業(yè)出版社(2)自同步并網(wǎng)

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組先通過限流電阻短接，電機(jī)中無勵(lì)磁磁場(chǎng)。用原動(dòng)機(jī)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子拖到同步轉(zhuǎn)速附近（差值小于5%）時(shí)，將發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，再立刻給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，在定、轉(zhuǎn)子之間的電磁力作用下，發(fā)電機(jī)自動(dòng)牽入同步。由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中無勵(lì)磁電流，因而發(fā)電機(jī)定子繞組中沒有感應(yīng)電勢(shì)，不需要對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓和相角進(jìn)行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，控制簡單，并且從根本上排除不同步合閘的可能性。這種并網(wǎng)方法的缺點(diǎn)是合閘后有電流沖擊和電網(wǎng)電壓的短時(shí)下降現(xiàn)象。第163頁/共802頁164機(jī)械工業(yè)出版社2、功率調(diào)節(jié)與補(bǔ)償

1）有功功率的調(diào)節(jié)

風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)中，風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械能首先克服機(jī)械阻力，通過電機(jī)內(nèi)部的電磁作用轉(zhuǎn)化為電磁功率，電磁功率扣除電機(jī)繞組的銅損耗和鐵損耗后即為輸出的電功率，若不計(jì)銅損耗和鐵損耗，可認(rèn)為輸出功率近似等于電磁功率。功率角δ：轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線與定、轉(zhuǎn)子合成磁場(chǎng)軸線之間的夾角功角特性：電磁功率Pem與功率角δ之間的關(guān)系，如圖3－60所示

同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電磁作用可以看成是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)和定子電流產(chǎn)生的同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的相互作用。第164頁/共802頁165機(jī)械工業(yè)出版社圖3－60同步發(fā)電機(jī)的功角特性a）凸極機(jī)b）隱極機(jī)第165頁/共802頁166機(jī)械工業(yè)出版社

這時(shí)可以增大勵(lì)磁電流，以增大功率極限，提高靜態(tài)穩(wěn)定度，這就是有功功率的調(diào)節(jié)。失步功率，又稱為極限功率：對(duì)于隱極機(jī)而言，功率角為90°（凸極機(jī)功率角小于90°）時(shí)，輸出功率的最大功率。風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率↑→

Pem↑→勵(lì)磁不作調(diào)節(jié)，δ

↑達(dá)到最大功率后，如果風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械功率繼續(xù)↑→δ＞

90°，Pem↓→轉(zhuǎn)速持續(xù)上升而失去同步。

如一臺(tái)運(yùn)行在額定功率附近的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，突然的一陣劇風(fēng)可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的功率超過極限功率而使發(fā)電機(jī)失步，第166頁/共802頁167機(jī)械工業(yè)出版社

并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)當(dāng)功率角變?yōu)樨?fù)值時(shí)，電機(jī)將運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)大風(fēng)扇，電機(jī)從電網(wǎng)吸收電能。為避免發(fā)電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速降到一臨界值以下時(shí)，應(yīng)及時(shí)地將發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)脫開。

第167頁/共802頁168機(jī)械工業(yè)出版社2）無功功率的補(bǔ)償（2）同步發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載時(shí)，由于定子電流建立的磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)中的勵(lì)磁磁場(chǎng)有去磁作用，發(fā)電機(jī)的輸出電壓也會(huì)下降。無功功率的補(bǔ)償：為了維持發(fā)電機(jī)的端電壓穩(wěn)定和補(bǔ)償電網(wǎng)的無功功率，需增大同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流。發(fā)電機(jī)的輸出電壓下降的原因：（1）電網(wǎng)所帶的負(fù)載大部分