《能源电气工程教材》word版

如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！2014年黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 专业学习资料可再生能源系统中的电能变换与控制技术第1章引言能源是人类经济及文化活动的动力来源。在20世纪的一次能源结构中，主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源己近枯竭。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限。此外，大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，己经造成极为严重的大气污染。如果不加控制，温室效应将融化两极的冰山，这可能使海平面上升几米，人类生活空间的四分之一将由此受到极大威胁。当前人类文明的高度发达与地球生存环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾。它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战。针对以上情况，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展的能源结构是人类必须采取的措施，使以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的能源结构。太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能、地热能、燃料电池等可再生能源作为新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。可再生能源发电技术的发展和规模的扩大，使其逐步从补充型能源向替代型能源过渡。下面简介几种主要的可再生能源发电系统。1.1光伏发电系统光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。图1-1是一个太阳能光伏并网发电系统示意图。该系统由太阳能、光伏阵列、双向直流变换器、蓄电池或超级电容和并网逆变器构成。光伏阵列除保证负载的正常供电外，将多余电能通过双向直流变换器储存到蓄电池或超级电容中;当光伏阵列不足以提供负载所需的电能时，双向直流变换器反向工作向负载提供电能。图1-1太阳能光伏并网发电系统示意图1.2风力发电系统风力发电按照风轮发电机转速是否恒定分为定转速运行与可变速运行两种方式。按照发电机的结构区分，有异步发电机、同步发电机、永磁式发电机、无刷双馈发电机和开关磁阻发电机等机型。风力发电运行方式可分为独立运行、并网运行、与其它发电方式互补运行等。图1-2一种风力发电系统的结构示意图1.3燃料电池发电系统燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能的电化学装置。燃料电池发电最大的优势是高效、洁净，无污染、噪声低，模块结构、积木性强、不受卡诺循环限制，能量转换效率高，其效率可达40%-65%。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。图1-3燃料电池发电系统结构示意图1.4混合能源发电系统利用风能资源和太阳能资源天然的互补性而构成的风力/太阳能混合发电系统，可以弥补因风能、太阳能资源间歇性不稳定所带来的可靠性低的缺陷，在一定程度上提供稳定可靠电能。太阳能光伏制氢储能燃料电池发电系统的结构如图1-4所示。图1-4太阳能光伏制氢储能燃料电池发电系统的结构示意图从图1-1-图1-4可以看出，发电系统中都存在“变换器”和“逆变器”等环节，称之为电力电子变换装置。这些环节的功能是实现电能变换，即将由光伏电池、风力发电机、燃料电池等发电元件产生的电能变换成可以并入电网或直接供给用电设备的电能。在电气工程领域，作为可再生能源应用的重要组成部分的电力电子变换装置的研究与开发也成为一个重要的研究课题，与之对应的技术就是可再生能源发电中的电力电子（电能变换）技术。电力电子技术作为可再生能源发电技术的关键，直接关系到可再生能源发电技术的发展。可再生能源经光伏电池、风力发电机、燃料电池等发电元件的能量转换而产生大小变化的直流电或频率变化的交流电，需要电力电子变换器将电能进行变换。在电能变换及并网（或独立供电）的系统控制过程中，涉及到诸多技术。典型的电能变换技术主要有整流技术、斩波技术和逆变技术；典型的控制技术主要是逆变器的并网控制技术。上述技术中，电能形式的转换及控制是核心技术，而光伏发电和风力发电又是相对普遍和成熟的可再生能源发电系统。光伏发电系统的部分相应问题已在此前做过介绍，本专题重点讨论风力发电系统中的电力电子变换技术，主要内容包括：电能变换器的功能作用、电路结构和电气原理分析。第2章风力发电系统中的整流技术风力发电系统中，风能转换为电能馈送到电网上或者单独向负载供电，期间能流转换的本质是机械能到电能的转换，所涉及的变流（电能变换）技术主要有整流技术、斩波技术和逆变技术。在多数场合中，整个风力发电系统中包含上述三种技术中的一种或几种。本章将重点放在整流技术的原理上。本章所针对的风力发电系统拓扑主要针对直驱型风力发电系统和双馈型风力发电系统，这是因为上述两种结构代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 了风力发电系统的发展方向，且其中涉及的变流技术基本上已经涵盖了风力发电系统中已经或者有可能用到的变流技术。下文中将不再对各种风力发电系统做形式上的划分，而会从变流技术的角度进行讨论。2.1不可控整流 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 在直接驱动型风力发电系统中，由于发电机出口电压的幅值和频率总在变化，需要先通过整流电路将该交流信号变换成直流电，然后再经过逆变器变换为恒频恒压的交流电连接到电网。但是在整流过程中，由于电力电子器件的作用使得发电机侧功率因数变低并且电流谐波增大，给发电机正常运行带来了不利影响。然而，由于该种方案结构简单，可靠性高，成本低廉；同时，不可控整流模块的功率等级可以做到很大，技术瓶颈较小，因此在实际中仍得到了较为广泛的应用。该系统前端采用不可控整流桥整流为直流，将风力发电机发出的变压变频的交流电转化为直流电，最后经过变流器环节将电流送人电网。该系统具有工作稳定，控制简单，成本低廉等优点，适合于中小功率场合。2.1.1多脉波不可控整流方案图2-1不可控整流器与逆变器的直驱型系统结构不可控整流方案的缺点在于交流側谐波含量大，降低了系统的效率，给系统带来了不良影响。多脉波不可控整流技术可以显著降低交流侧的电流谐波，降低直流側的电压脉动，已经在电源、变频器等多种场合得到了广泛应用。多脉波整流的输人为多组三相电，以12脉波整流器为例，需要两组三相电，两组三相电的相位之间错开。实际应用中，风力发电机常采用多相发电机。采用Matlab搭建如图2-2所示的仿真模型中，6相发电机采用两组三相电压源串联阻感支路来模拟，且两组电压源的同相之间相差；12脉波整流中，两组三相不可控整流桥的输入分别为6相发电机的两组三相电压，最终的整流输出再由两组三相不可控整流桥的输出叠加而成，如图2-3所示。图2-26相发电机内部等效框图图2-3发电机侧整流及Boost仿真框图图2-2中，各电压源的幅值设为250V，频率设置为10Hz，串联的各电阻为，仿真结果如图2-4和图2-5所示。图2-4为模拟的6相发电机的输出的相电压波形，其中、、分别互差，为图2-2中第一组三相电的三个输出；、、亦分别互差，为图2-2中第二组三相电的三个输出，且两组三相电相差30%。图2-5为整流仿真结果，不可控整流桥1的输出和不可控整流桥2的输出均为6脉波，且由于两者互差，因此波峰、波谷互相抵消，合成后的电压变为12脉波，且波动幅值大大降低。由仿真结果可以看出，整流模块工作正常良好。图2-46相发电机的相电压图2-5不可控整流及12脉波整流器输出波形2.1.2三相单管整流方案不可控整流桥会向发电机注人大量的5次、7次、11次低频谐波，电流的畸变率很大，约为10.68%。大量的谐波电流会在发电机内部产生大量损耗，使发电机温度上升，缩短发电机寿命，系统效率降低^因此，如果能使发电机输出电流正弦化，减少电流谐波，就能减少发电机损耗，增加系统效率。三相单管整流方案具有结构简单、控制容易、并联无需均流等特点，同时可以实现功率因数校正（PowerFactorCoireclion，PFC)，因而受到广泛关注。该电路可以调节整流器输人端（即发电机输出端）的电流波形，减少谐波失真，提髙功率因数，进而减少发电机损耗，提高永磁发电机的有功功率输出能力。直驱系统为全功率变换系统，随着功率的逐步上升，就需要多个整流以及逆变环节并联运行。三相单管整流电路对直驱系统中的永磁同步发电机进行升压稳压以及功率因数校正，由于其电流源特性，并联时无需均流措施，应用前景看好。（1）三相单管整流电路拓扑图采用三相单管整流技术的直驱系统结构如图2-6所示，风力机与低速永磁同步发电机直接连接，在发电机的输出端采用三相单管整流电路进行升压、稳压后逆变并网。与传统的直驱系统相比，三相单管整流电路将升压电感放在了整流桥前端，在实现整流的同时，还具有升压、稳压功能，同时还能对发电机输出电压电流进行功率因数校正。这种结构增加了两个电感以及一个输人低通滤波器，但是减少了一个电容器，在系统成本没有增加太多的情况下实现了对发电机输出电压电流的功率因数校正，提髙了发电机有功功率输出能力，减小了电流谐波含量，进而降低了发电机损耗，提髙了系统效率。图2-6带三相单管BoostPFC的直驱系统结构图（2）三相单管整流电路工况分析三相单管整流电路的主电路如图2-7所示，为实现自动功率因数校正，电路工作在断续电流模式（DMC）。图2-7三相单管BoostPFC主电路每个开关周期电路有四种工作模式，如图2-8所示。工作模式一：功率开关管导通，三相电感中电流线性增加，与每相相电压成正比。工作模式二：功率开关管关断，电感电流通过二极管给电容充电，三相电感中电流减小，幅值最小的那一相电流先降为零。工作模式三：电感电流通过二极管继续给电容充电，电流还未降为零的两相此时电流以相同速率减小，同时到达到零。工作模式四：三相电感中电流均为零，电容对负载放电，直到下个周期开始。图2-8三相单管BoostPFC电路每个开关周期内工作模式每个开关周期内，可以认为输入电压不变，电流平均值与输入电压近似成正比关系，自动跟踪输人电压的大小，进而实现了自动功率因数校正。为使系统在任何状态下都工作于DCM下，必须满足以下条件：其中，其中为开关占空比，升压倍数。（3）三相单管整流电路控制策略三相单管整流电路控制简单，可靠性高，其控制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 如图2-9所示。控制系统只采用一个电压外环，实现功率因数校正及稳定输出电压的目的。输出电压与参考电压的差值经过PI调节后，通过限幅环节保证系统工作在DCM，再通过PWM给定功率管开关信号，系统控制简单，可靠性高。图2-9三相单管整流电路的控制器原理图（4）仿真及实验结果分析用Matlab软件对图2-7所示的电路进行了仿真，仿真结果如图2-10和图2-11所示。系统中各元件的参数如下：永磁同步发电机参数：定子绕线电阻，同步电抗，，永磁体转子产生的磁通，极数，，开关频率2。5kHz，最大占空比为0。5，输出电压为550V，电容，负载。图2-10为永磁同步发电机的相电流波形，发电机电流正弦度很髙，THD很低。由频谱分析可看出，发电机电流不含高频谐波含量，只有少量5次、7次谐波。采用三相单管整流技术降低了电流畸变，提髙了系统效率。图2-11为加人PFC后发电机的电压、电流波形，可以看出发电机的相电压、电流波形同相位，实现了功率因数校正的目的，同时降低了电流畸变率，提高了发电机的效率。对比图2-12中发电机输出端采用不可控整流的方案，可以看出采用三相单管整流的效果还是很明显的。图2-10电流波形及频谱仿真结果图图2-11三相单管整流实验结果图2-12未加PFC时的发电机电压电流波形三相单管整流器的开关频率固定、元件数量少、成本低、控制简单、可靠性高，应用于直驱型风力发电系统中，可以对发电机输出进行功率因数校正，提高发电机有功功率输出能力，减小电流谐波含量，降低发电机损耗，提髙了系统效率，具有一定的应用前景。2.2PWM整流方案采用PWM整流方案可以实现稳定的直流电压输出，且输人側的电流波形良好，功率因数可调，具备宝贵的四象限运行能力。然而其结构和控制方法较为复杂，成本较髙。但是随着电力电子技术特别是开关器件制造技术的发展，PWM整流器的成本问题已经有所缓和，应用场合越来越广泛，已经成为了未来变流技术的一种趋势。PWM整流器的基本拓扑如图2-13所示，对于三相整流场合来说，主拓扑部分即为三相全桥电路，开关管采用IGBT、MOSFET等全控型器件。三相输人侧串联三组输入端电感，直流输出侧并联电容。图2-13三相PWM整流器的开关等效电路在两相同步旋转的扣坐标系中，使d轴定向于电网电压矢量，控制三相电流此时的d轴和q轴电流和便可以达到控制输出电流功率因数的目的。图2-14为PWM整流器的双闭环控制系统原理图。图2-14三相PWM整流器双闭环控制系统原理图采用图2-14中PWM整流器双闭环控制框图进行实验验证，直流侧负载选择的阻性负载，三相输入端电感为，开关频率选择。实验结果如图2-15和图2-16所示。图2-15整流桥不可控时的实验波形图2-16采用PWM整流时的实验结果图2-15为当整流桥不可控时的实验波形，由上到下分别为直流电压、a相电压和a相电流，可以看出，此时电流含有大量谐波。图2-16为PWM可控整流时的实验结果，图中波形由上到下分别为直流电压、a相电压和a相电流，可以看出PWM整流器的直流母线电压很稳定，相电压和相电流为同相，达到了单位功率因数的控制效果。图2-17直流电压给定值从55V升为65V图2-17显示了在有电压外环控制时，改变直流电压参考值（从55V变为65V），实际值跟随着参考值变化，同时交流测相电流也跟着变大。图2-18显示了改变无功电流参考值（从0A变为2A）时的电压电流波形，可见电压与电流的相位关系发生改变。图2-18无功电流参考值从0A变为2A第3章风力发电系统中的斩波技术斩波技术实现的是直流到直流的变换，直接驱动型风力发电系统中，采用不可控整流方案的场合很多，此时发电机（通常采用永磁发电机）发出的三相电通过三相不可控整流桥整流后，再进行逆变然后并网发电。但由于同步发电机在低风速时输出电压较低，无法将能量回馈至电网，因此实用的电路往往在直流侧加人一个Boost升压电路，在低速时，由升压电路先将整流器输出的直流电压提升。采用此电路可使风力发电机组运行在非常宽的调速范围。Boost电路是风力发电系统中主要用到的斩波技术，其具有输人电流连续、拓扑结构简单、效率高等特点。3.1Boost斩波器Boost斩波器是常用的DC/DC升压斩波器，其拓扑如图3-1所示。图3-1中，表示输入电压，表示输出电压，为负载。采用不同的占空比控制开关S，便可以控制输出电压。图3-1Boost电路拓扑3.2Boost斩波器PFC控制结合风力发电场合，鉴于功率因数校正目的，有必要利用Boost电路完成PFC的功能。目前在Boost技术中常用的两种PFC预调整器控制方法是固定频率（FF）PWM和过渡模式（TM）PWM（固定开通时间，变频）技术。前者利用平均电流模式控制，控制技术及控制芯片较为复杂，需要较多的外围元件，Boost电感工作在连续导通模式（CCM)下。后者利用简单的峰值电流控制，只需要很少的外围原件，Boosl电感工作在介于连续和断续模式的临界情况下。对于给定的功率输出，TM方式比FF-CCM方式的峰值电流更大，因此TM方式多用于小功率场合，而FF-CCM方式用于大功率场合。固定关断时间集合了FF和TM两者的优点。控制方法和TMPFC一样简单，也是利用峰值电流控制，只箝在一个 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的TM控制器核心周围增加几个无源组件，易于实现。不需要斜率补偿，电流回路无条件稳定。升压电感器无需辅助绕组。EMI(电磁干扰）滤波器滤波简易，髙频电流纹波与FfCCMPFC的相同。效率高，传导功耗与FF-CCMPFC的相同；与电容和二极管反向恢复相关的功耗低于FF-CCM反向恢复不像在FF-CCM中那样关键。（1）技术原理Boost电路拓扑如图3-1所示。当开关S开通或关断时，对应的电路如图3-2所示。下面在以下两个假设满足的条件下进行分析：1）Boost斩波器工作在连续导通模式；2）开关频率远大于输人电压频率，这样在一个开关周期内可以认为是恒定的。在以上两个条件下，参考文献4中推导出了第个开关周期的占空比，如式(3-1)所示。（3-1）式中，是开关频率；是第个开关周期时的输入电压。当电路工作进入PFC状态后，电感电流就会跟踪参考电流，参考电流正比于整流输人电压。同时，输出电压应该跟踪参考电压。图3-2Boost斩波器电路本节主要介绍固定关断时间控制。图3-3所示为固定关断时间控制的PFC预调整器模块图。图3-4为与之对应的工作时序。误差放大器（VA)将预调整器输出电压的采样与参考电压进行比较并且产生一个误差信号。正比于两者之差，反馈到乘法器的一个人口，并与整流输人电压的采样相乘。乘法器的输出口是一个经过整流的正弦波，幅值正比于和的幅值，它是PWM的正弦参考电压。反馈到比较器的反向输入端，正向输入端接入感应电阻上的电压，此电压正比于M开通时流过开关管M和电感L的电流。当这两个电压相等时，比较器复位PWM锁存器和M，此时M将被关断。因此决定流过M和电感L的峰值电流。因为是整流后的正弦波，电感峰值电流也将成为整流正弦的形状PWM锁存器输出端Q接上升沿触发定时器，在一个预设定的时间以后置位PWM锁存器，以此开通M并开始另一个开关周期。如果不能使电感电流降为零，系统将工作在CCM。图3-3固定开关时间控制的PFC预调整器模块图图3-4工作时序及相关波形（2）仿真验证为验证所提方法的可行性，利用PSIM软件对单相BoostPFC电路进行仿真。具体参数为：V，主电路电感，采样电阻，输出直流侧电容C=1mF，负载电阻。电路分别工作在关断时间和下时，仿真波形如图3-5和图3-6所示。由图3-5和图3-6可以看出，随着关断时间的减小，电流波形更加光滑，谐波减小。前者等效开关频率低，电感电流在关断时间内降为零，电路工作于DCM下，电流纹波较大，FFT分析的谐波含童高。后者等效开关频率高，电感电流在关断时间内不会降到零，电路工作在DDM下电流纹波较小，FFT分析的谐波含量明显减小。不管电流断续还是连续，都能实现输入电流对输入电压的即时跟踪，达到功率因数校正的目的。时间/s图3-5输入电压电流频率/kHz输入电流的FFT图3-6时输入电压、电流及电流的FFT（3）实验验证本章采用DSP作为控制器控制功率开关管的通断。实验中关断时间设置为和，实验波形分别如图3-7和图3-8所示。输人电压为V开关管选为STW20NB50，电感L=0。8mH，输出端电容C=330，负载电阻，采样电阻。图3-7时输入电流的波形图3-8时的输入电压、电流的波形图3-7所示为时的输人电流波形，电路工作在断续导通模式下。图3-8中通道1为输人电压波形，通道4为电流波形，由图中可见电流连续，且与电压基本同相位，能有效地提高负载功率因数；输人端电流基本呈正弦波，可以显著地降低电流的谐波含量，显著提高了输人端功率因数。图3-9所示为流过MOSFET的电流及MOSFET的漏源极电压，关断过电压基本消除，开通关断时刻工作良好。图3-10中通道2为电感电流，通道3为开关管电流，通道4为直流侧二极管电流，显然电感电流为后两者之和。图3-9和的波形图3-10、和的波形第4章风力发电系统中的逆变技术4.1基于晶闸管的逆变方案如图4-1所示，系统中整流部分采用三相不可控整流，逆变器的开关管采用晶闸管，并在网侧并联电容器进行无功功率补偿。与自关断型开关管（如IGBT)相比，晶闸管技术成熟，成本低，功率等级高，可靠性高。在过去的几十年中，相控强迫换相变流器用于髙压直流输电系统和变速驱动系统中。早期的并网风力发电机组基本都是采用晶闸管变流技术。但是，品闸管变流器工作时需要吸收无功功率，并且在电网侧会产生很大的谐波电流，为了满足电网谐波的要求，必须对系统进行补偿。由于变速恒频风力发电机组输入功率变化范围很大，因此补偿的无功功率变化范围也比较大。传统的投切电容方式不够灵活，系统需要电容量可调、响应快速的无功功率补偿装置。通过检测逆变器输人端电压、电流以及电网的电压值，可以计算出补偿系统的触发延迟角。晶闸管逆变器成本低，输人电网电流的谐波含量高，为了消除输入电网的谐波电流，可以加入补偿系统。补偿系统的控制比较复杂，但是容量比较大，这会增加系统成本。为了更好地消除谐波，可以采用多脉波晶闸管等方法，但是会使系统成本有所增加。图4-1不可控整流后接晶闸管逆变器和无功功率补偿型拓扑结构4.2电压源型PWM逆变方案电压源型PWM逆变方案是当前主要应用的逆变方案，该方案的拓扑如图4-2所示，采用的结构为三相全桥，开关器件为全控型开关器件，如IGBT、MOSFET等。图4-2PWM逆变器拓扑图图4-2中，a相桥臂的上管和下管编号为1和2；b相桥臂的上管和下管编号为3和4；c相桥臂的上管和下管编号为5和6。按照一定规律控制6个开关管的状态，即可以实现逆变。调制方法常用的有SPWM和SVPWM等，具体可以参考相关文献。以SVM为例，当开关频率选择2。5kHz时，abc三相的上管脉冲波形如图4-3所示，三相脉冲在时间轴上顺次滞后，每路脉冲在1/3个基波周期内保持不变，符合SVM五段法的开关脉冲特点。图4-4为逆变器输出端口的ab相间电压、bc相间电压以及ca相间电压。可以看出，三个线电压顺次滞后，且呈典型的PWM波特征。经过低通滤波后接三相星形感性负载，得电压和电流波形如图2-33所示。由图可以看出，经过滤波后，相电压波形正弦度非常高，通过各负载的电流也具有良好的正弦性，PWM逆变效果良好。图4-3开关频率为2。5kHz时，abc三相的上管脉冲波形图4-4逆变器输出端口的各相间电压图4-5电压、电流波形当PWM电压源型逆变器应用于风力发电系统的并网逆变环节时，连接图如图4-6所示，忽略高频分量的影响，推导其并网运行状态下的电压电流特性，得（2-2）式中，为并网电流矢量；为逆变器输出的电压矢量；为电网电压矢量；是每相滤波电感的值。图4-6逆变器连接电网示意图选择坐标系如图4-7所示，两项旋转坐标系中的q轴与电网电动势矢量同轴，即q轴按照矢量定向，（q轴）矢量方向的电流分量定义为有功电流，d轴落后轴（q轴），d轴方向的电流分量定义为无功电流，初始条件下，令q轴与a轴重合。图4-7坐标系示意图此时的Park变换矩阵为（2-3）将乘以时（2-2），当电网三相对称时，得（2-4）（2-5）整理后可得dq坐标系下的并网逆变器数学模型为（2-6）结果表明只要控制d轴电流和q轴电流，便可以实现对并网功率和功率因数的控制。有的文献提出了直接电流控制配合电网电压前馈的并网逆变器电流控制方法，电流控制框图如图4-8所示。图4-8电流控制框图图4-8中，有功电流和无功电流的给定值由当前的风速和最大功率跟踪算法计算得出。以有功电流的控制框图为例，根据采集的并网电流进行Park变换，得到此时的并网电流的g轴分量和d轴分量。有功电流实际值与有功电流给定值作差后通过PI环节，再与此时的电网电压的g轴分量相加后作为g轴电压参考值。无功电流的控制框图与有功电流控制框图相似，最后1轴电压参考值d轴电压参考值经Park反变换后作为PWM逆变器的参考电压。图4-8电流控制框图的工作过程如下：假设实际的并网电流、大于给定值，则两者比较后的偏差为正，PI输出器的输出将不断增大，参考电压的幅值也越来越大，从而导致并网电流增大。该过程将导致并网电流、逐渐接近给定值，PI调节器的输出将保持动态恒定。电网电压经Park变换后的、作为前馈量，可以减弱或消除电网电压波动和电网电压谐波等因素对并网逆变电流的影响。4.3电流源型逆变方案图4-9是不可控整流+电流源型逆变器的结构图，图4-9a由晶闸管构成逆变器，晶闸管具有成本低、功率等级高等优点，在早期的并网风力发电机组中使用较多；但是晶闸管变流器工作时需要吸收无功功率，并且会在电网侧产生很大的谐波电流，必须增加补偿系统对其进行谐波抑制和无功功率补，这将增加系统的成本和控制的复杂性。图4-9b由全控型器件构成逆变器，和图4-9a比较，能够实现自换流，使输出谐波大大减小，可以省去补偿系统。图4-9不可控整流+电流源型逆变器结构图4-10是不可控整流+电压源型逆变器的结构图。由不可控整流得到的直流侧电压随输入而变化，通过全控型器件构成电压源型逆变器（VSI)，可以通过改变调制比来实现并网电压频率和幅值恒定；这种拓扑可以进一步提高开关频率，减小谐波污染，灵活调节输出到电网的有功功率和无功功率，从而调节永磁同步发电机（PMSG)的转速，使其具有最大风能捕获的功能；缺点是不能直接调节发电机电磁转矩，动态响应较慢，不可控整流会造成定子电流谐波含量较大，会增大发电机损耗和转矩脉动，并且当风速变化范围较大时，VSI的电压调节作用有限。图4-10不控整流+电压源型逆变器结构与VSI相比较，电流源型逆变器（CSI)容易实现能量的双向流动，由于直流侧存在大电感，抗电流冲击能力强，系统的可靠性更高，但是CSI容易受电网电压变化的影响，动态响应较慢，并且谐波问题较大，功率因数低。因此，综合成本、效率和动态响应等因素，电压源型逆变器具有更大的优势，目前在小型风力发电机组中使用较多。4.4典型方案实例4.4.1不可控整流+Boost+逆变方案最典型的直驱型风力发电系统的主电路拓扑一般为：风力机与永磁同步发电机直接连接，将风能转换为频率变化、幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流电，经过Boost电路升压后，再经过三相逆变器变换为三相恒幅交流电连接到电网。通过中间电力电子变化环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪、最大效率利用风能。主电路拓扑如图4-11所示。图4-11直驱式风力发电系统拓扑图4-11中的DC-DC变流器为Boost电路。Boost主电路一般由不可控整流电路、电感、开关管和滤波电容组成。其输入侧有储能电感，可以减小输入电流纹波，防止电网对主电路的高频瞬态冲击，对整流器呈现电流源负载特性；其输出侧有滤波电容，可以减小输出电压纹波，对负载呈现电压源特性。利用Boost电路在斩波的同时，还实现功率因数校正的目标，包括如下两个方面：①控制电感电流，使输入电流正弦化，保证其功率因数接近于1，并使输入电流基波跟随输入电压相位。②当风速变化时，不可控整流得到的电压也在变化，而通过DC-DC变流器的调节可以保持直流侧电压的稳定，使输出电压保持恒定。这是目前常用的一种拓扑，在小功率和兆瓦级直驱型风力发电系统中均有应用。国外风力发电公司ENERCON的直驱型风力发电系统E8（2MW），国内合肥阳光电源有限公司的小型并网风力机变流器WGIOOIG(1OOkW)都使用这种拓扑。4.4.2双PWM背靠背方案图4-12是背靠背双PWM变流器拓扑的结构图，发电机定子通过背靠背变流器和电网连接。发电机侧PWM变流器通过调节定子侧的d轴和q轴电流，控制发电机的电磁转矩和定子的无功功率（无功功率设定值为0)，使发电机运行在变速恒频状态，额定风速以下具有最大风能捕获功能；网侧PWM变流器通过调节网侧的d轴和q轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功功率和无功功率的解耦控制，控制流向电网的无功功率通常运行在单位功率因数状态。此外网侧变流器还要保证变流器输出的THD尽可能小，以提高注入电网的电能质量。图4-12背靠背双PWM变流器结构背靠背双PWM变流器结构是目前直驱型风力发电系统中较常见的一种拓扑，国内外对其研究较多，主要集中在变流器建模、控制算法以及如何提高其故障穿越能力等方面。国内九洲电气股份有限公司的直驱型风力发电系统用兆瓦级功率变流器WindinvertTM-A（最大2MW）和合肥阳光电源有限公司的全功率风力发电机组用变流器如WGZOOOFP（2MW）即使用这种结构。这种拓扑的通用性较强，双PWM变流器主电路完全一样，控制电路和控制算法也非常相似；两侧变流器都使用基于DSP的数字化控制，采用矢量控制，控制方法灵活，具有四象限运行功能，可以实现对发电机调速和输送到电网电能的优良控制。和图4-13电路的比较可以发现，图4-11的Boost电路是三级变换，双PWM变流器是两级变换，因而效率更高，但是全控型器件数量更多，同时发电机侧变流器矢量控制通常需要检测发电机转速等信息，控制电路较复杂，因而具有相对较高的成本；图4-13所示电路采用不可控整流+Boost电路构成整流器，控制简单，实现相对容易，可靠性高，方便实现永磁同步发电机（PMSG)的无速度传感器控制，从而节约了成本。综合性能、成本等因素，这两种拓扑各有优缺点，目前的使用都比较多。图4-13双馈感应式风力发电系统双PWM背靠背方案在双馈型变速恒频风力发电系统中应用也十分广泛，在双馈发电机的转子中施加转差频率的电流（或电压）进行励磁，调节励磁电压的幅值、频率和相位，便实现定子恒频恒压输出。其转子由背靠背双PWM变流器进行励磁，转子侧变流器向转子绕组馈入所需的励磁电流，完成定子磁链定向矢量控制任务，实现最大风能捕获和定子输出无功功率的调节。当发电机亚同步速运行时，往转子中馈入能量，作逆变器（Inverter)运行；当发电机超同步速运行时，从转子中吸收能量，作整流器（Rectifier)运行，并通过网侧变流器将能量回馈到电网；当发电机以同步速运行时，向转子馈入直流励磁电流，实际作斩波器（Chopper)运行。网侧变流器运行模式与此类似，配合转子侧变流器的运行，实现能量双向流动。此外，网侧变流器还可控制直流母线电压恒定以及调节网侧的功率因数，使整个风力发电系统的无功功率调节更加灵活。（本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。请预览后才下载，期待您的好评与关注！）