新能源转换与控制技术.ppt

1,机械工业出版社,新能源转换与控制技术江南大学 惠 晶主编,2,机械工业出版社,第2章电源变换和控制技术基础知识,3,机械工业出版社,2.1 电力电子器件及应用 2.2 AC-DC变换电路 2.3 DC-DC变换电路 2.4 DC-AC变换电路 2.5 AC-AC变换电路 2.6 多级复合形式的变换电路 2.7 半导体功率器件的驱动与保护电路,本章主要内容,4,机械工业出版社,电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的分类 不可控器件电力二极管 半控型器件晶闸管 电力场效应晶体管电力MOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT,2.1 电力电子器件及应用,5,机械工业出版社,2.1.1电力电子器件的概念和特征电力技术（电力设备、电力网络）电子技术（电子器件、电子电路）控制技术（连续、离散）,6,机械工业出版社,1974年美国学者W.Newell用于表征电力电子技术的倒三角,7,机械工业出版社,2.1.2电力电子器件的分类,电力电子及其特性 电力电子器件的分类 几种典型的电力电子器件,8,机械工业出版社,电力电子及其特性,电力电子器件被广泛用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换或控制的电子器件。电力电子器件所具有的主要特征为：电力电子器件处理的电功率的大小是其主要的特征参数。电力电子器件往往工作在开关状态；在实际应用中因此需要驱动电路对控制信号进行放大。,9,机械工业出版社,电力电子器件的分类,1、按可控性分类（1）不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件。如：功率二极管（Power Diode）。,10,机械工业出版社,（2）半控型器件：可以通过控制极（门极）控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子器件。晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件(除GTO及MCTMOSFET控制晶闸管等复合器件外)，器件的关断一般依靠其在电路中承受反向电压或减小通态电流使其恢复阻断。,11,机械工业出版社,（3）全控型器件：既可以通过器件的控制极（门极）控制其导通，又可控制其关断的器件。主要有：功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管（GTO）和电力场效应晶体管(P-MOS)等。,12,机械工业出版社,2、按驱动信号类型分类(1)电流驱动型：通过对控制极注入或抽出电流，实现其开通或关断的电力电子器件称为电流驱动型器件，如Thyrister，GTR，GTO等。(2)电压驱动型：通过对控制极和另一主电极之间施加控制电压信号，实现其开通或关断的电力电子器件称为电压驱动型器件，如PMOSFET，IGBT等。,13,机械工业出版社,几种典型的电力电子器件,不可控器件电力二极管半控型器件晶闸管电力场效应晶体管电力MOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT,14,机械工业出版社,1、不可控器件电力二极管（1）电力二极管的基本特性：电力二极管（Power Diode）承受的反向电压耐力与阳极通流能力均比普通二极管大得多，但它的工作原理和伏安（VA）特性与普通二极管基本相同，都具有正向导电性和反向阻断性。电力二极管的电路符号和静态特性（即伏安特性）如下图所示。,图2-1 电力二极管电路符号及伏安（VA）特性,15,机械工业出版社,（2）电力二极管的主要参数正向平均电流IF(AV)：电力二极管在连续运行条件时，器件在额定结温和规定的散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。反向重复峰值电压URRM：指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压URBO的2/3。,16,机械工业出版社,正向通态压降UF：在额定结温下，电力二极管在导通状态流过某一稳态正向电流（IF）所对应的正向压降。正向压降越低，表明其导通损耗越小。反向恢复电流IRP及反向恢复时间trr：反向恢复时间trr通常定义为从电流下降为零至反向电流衰减至反向恢复电流峰值25的时间。反向恢复电流IRP及恢复时间trr与正向导通时的正向电流IF及电流下降率diF/dt密切相关。反向恢复过程：受二极管PN结中空间电荷区存储电荷的影响，向正向导通的二极管施加反向电压时，二极管不能立即转为截止状态，只有存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态。,17,机械工业出版社,2、半控型器件晶闸管,图2-2 晶闸管电路符号及伏安（VA）特性,优点：晶闸管可以承受的电压、电流在功率半导体中均为最高，具有价格便宜、工作可靠的优点，尽管其开关频率较低，但在大功率、低频电力电子装置中仍占主导地位。,18,机械工业出版社,（1）基本特性：电流触发特性：当晶闸管AK极间承受正向电压时，如果GK极间流过正向触发电流，就会使晶闸管导通。单向导电特性：当承受反向电压时，此时无论门极有无触发电流，晶闸管都不会导通。半控型特性：晶闸管一旦导通，门极就失去作用；此时，不论门极电流是否存在、触发电流极性如何，晶闸管都维持导通。要使导通的晶闸管恢复关断，可对其AK极间施加反向电压或使其流过的电流小于维持电流（IH）。,19,机械工业出版社,（2）主要参数额定电压UT：晶闸管在额定结温、门极开路时，允许重复施加的正、反向断态重复峰值电压UDRM和URRM中较小的一个电压值称为晶闸管的额定电压UT。正、反向断态重复峰值电压UDRM、URRM：晶闸管门极开路(Ig=0)、器件在额定结温时，允许重复加在器件上的正、反向峰值电压。一般分别取正、反向断态不重复峰值电压（UDSM、URSM）的90%。正向断态不重复峰值电压应小于转折电压（Ubo）。通态平均电流IT(AV)：在环境温度为40和规定的散热条件下、稳定结温不超过额定结温时，晶闸管允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是额定电流的参数。维持电流IH：维持晶闸管导通所必需的最小电流，一般为几十到几百mA。,20,机械工业出版社,3、电力场效应晶体管电力MOSFET（1）基本特性,图2-3 电力MOSFET结构图和电路图形符号,21,机械工业出版社,a)转移特性 b)输出特性图2-4 电力MOSFET的转移特性和输出特性,22,机械工业出版社,（2）主要参数漏极电压UDS漏极直流电流额定值ID和漏极脉冲电流峰值IDM 漏源通态电阻RDS(on)：在栅源间施加一定电压（1015V），漏源间的导通电阻。栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄，当|UGS|20V时将导致绝缘层击穿。极间电容：MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD、CDS。一般生产厂商提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss。Ciss=CGS+CGD（2-1）Crss=CGD（2-2）Coss=CDS+CGD（2-3）,23,机械工业出版社,4、绝缘栅双极型晶体管IGBT（1）基本特性：,图2-5 IGBT电路符号图形,静态特性与P-MOSFET类似；UGE=0时IC=0，IGBT处于阻断状态（断态）；UGE足够大（一般为515V），IGBT进入导通状态（通态），当UCE大于一定值（一般2V左右）时IC0。优点：驱动功率小、开关速度高通流能力强、耐压等级高,24,机械工业出版社,（2）主要参数最大集射极间电压BUCES：该参数决定了器件的最高工作电压，这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的。最大集电极电流ICM：包括在一定壳温下的额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。最大集电极功耗PCM：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。集射极间饱和压降UCE(sat)：对栅极与发射极（GE）间施加一定正向电压，在一定的结温及集电极电流条件下，集射极（CE）间的饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时，呈负温度系数，在电流较大时，为正温度系数，这一特性使IGBT并联运行较为容易。,25,机械工业出版社,现代电力电子的应用电力电子变换与控制技术（以四大变换展开）谐波抑制与功率因素校正技术电力电子技术的典型应用案列,26,机械工业出版社,电力电子变换与控制系统1.主要由AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC四大基本变换及其组合构成的主电路拓扑。2.现代电力电子装置的控制系统由微电子器件（硬件）、控制策略（软件）和检测、保护、驱动等组成。,27,机械工业出版社,四大基本变化电路,AC-DC变换电路DC-DC变换电路DC-AC变换电路AC-AC变换电路,28,机械工业出版社,2.2 ACDC变换电路交流直流变换器（AC DC Converter）的功能是将交流电变换成直流电，又称为整流器。,29,机械工业出版社,a、二极管整流电路不控整流,表2-1 常用二极管整流器的主要形式,30,机械工业出版社,续表2-1,31,机械工业出版社,b、晶闸管整流电路相控整流,表2-2 常用晶闸管整流器的主要形式,32,机械工业出版社,续表2-2,33,机械工业出版社,c、PWM整流电路斩波整流,图2-6 单相半桥整流器,图2-7 单相全桥整流器,34,机械工业出版社,图2-8 三相电压型PWM整流器,图2-9 三相电流型PWM整流器,35,机械工业出版社,2.3 DC/DC变换电路 直流直流变换器（DCDC Converter）的功能是将一种直流电变换为另一种固定或可调电压的直流电，又称为直流斩波器（DC Chopper）。,36,机械工业出版社,a、不隔离式单管DCDC变换器Buck变换器,是一种降压型DCDC变换电路，输出电压小于或等于输入电压，输入电流断续。输出电压Uo=DyUin，占空比Dy=ton/Ts01(下同)。,Boost变换器,是一种升压型DCDC变换电路，输出电压大于输入电压，VT的占空比Dy必须小于1，输入电流连续。输出电压Uo=Uin/(1Dy)。,37,机械工业出版社,BuckBoost变换器,一种升降压型DCDC变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压极性相反，输入电流断续。输出电压Uo=Dy Uin/(1Dy)。,Ck变换器,一种升降压型DCDC变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压极性相反，输入电流连续。输出电压Uo=(Dy/1Dy)Uin。,38,机械工业出版社,Sepic变换器,Zeta变换器,39,机械工业出版社,b、隔离型DCDC变换器 单端正激式DCDC 变换电路,图2-10 单端正激变换器主电路,图2-11 正激变换器工作波形,40,机械工业出版社,单端反激式DCDC变换电路,图2-12 单端反激式DC-DC变换电路,41,机械工业出版社,a)电流连续模式(CCM)b)电流断续模式(DCM)图2-13 反激式变换器工作波形,42,机械工业出版社,2.4 DCAC变换电路 将直流电变换为交流电的过程称为逆变换或DCAC变换，实现逆变的主电路称为DCAC变换电路。通常将DCAC变换电路、控制电路、驱动及保护电路组成的DCAC逆变电源称为逆变器（Inverter）。,43,机械工业出版社,a、常用的DCAC逆变电路电压型单相半桥逆变电路,直流母线电容滤波，直流电压Ud经C1、C2分压，VT1、VT2交替导通/关断；负载上的电压幅值为Ud的一半，功率为全桥逆变器的四分之一；开关管VT1、VT2上承受的最大电压为Ud；控制方式主要是PWM脉宽调制控制，移相控制等。,44,机械工业出版社,电压型单相全桥逆变电路,直流母线电容Cd滤波，VT1、VT4和 VT2、VT3交替导通/关断；加在负载上的电压幅值为Ud，输出功率为半桥逆变器的四倍；开关管VT1VT4上承受的最大电压为Ud；控制方式有单极、双极式PWM脉宽调制控制，移相控制，调频控制等方式。,45,机械工业出版社,电流型单相全桥逆变电路,直流母线电感Ld滤波，VT1、VT4和 VT2、VT3交替导通/关断；负载上的电流波形为方波，幅值为Id；开关管VT1VT4上承受的电压为负载上的电压。负载上的电压幅值和相位取决于负载阻抗大小和性质。,46,机械工业出版社,电压型三相桥式逆变电路,直流母线电容Cd滤波，负载线电压幅值为Ud，开关管VT1VT6上承受的最大电压为Ud，控制方式有PWM脉宽调制、移相控制、调频控制等方式，换流方式有1800和1200两种。适合4kW以上的三相负载。,47,机械工业出版社,b、归纳DCAC逆变电路的主要拓扑形式 电压型逆变器电流型逆变器单相半桥逆变器单相全桥逆变器三相桥式逆变器,48,机械工业出版社,c、逆变电路的参数计算电压型单相半桥逆变电路的参数计算逆变器的输入电压为Ud，输出功率为P，可得通过负载的电流有效值为：,对于阻感性负载：,选开关管VT1、VT2上的电压定额为：,选开关管VT1、VT2上的电流定额为：,对于电阻性负载和谐振负载：,（2-4）,（2-5）,（2-6）,（2-7）,49,机械工业出版社,电压型单相全桥逆变电路的参数,对于阻感性负载：,选开关管VT1、VT2上的电压定额为：,选开关管VT1、VT2上的电流定额为：,对于电阻性负载和谐振负载：,（2-8）,（2-9）,（2-10）,（2-11）,50,机械工业出版社,电流型单相全桥逆变电路的参数计算,等效导纳为：,在谐振点工作时，负载为等效电阻Ro、谐振频率为,（2-12）,（2-13）,51,机械工业出版社,将 代入R0，得,开关管VT1、VT2上的电压定额为,开关管VT1、VT2上的电流定额为,其中为逆变器输入电流，由负载输出功率P求得,（2-17）,（2-16）,（2-15）,（2-14）,52,机械工业出版社,电压型三相全桥逆变电路的参数计算,对于电阻性负载,对于电阻电感性负载,开关管VT1VT6上的电流定额为,开关管VT1VT6上的电压定额为,（2-21）,（2-20）,（2-19）,（2-18）,53,机械工业出版社,2.5 ACAC变换电路 交流交流变换器（ACAC Converter）分为三大类：第一类 频率不变仅改变电压大小的ACAC电压变换器；第二类 直接将一定频率的交流电变换为较低频率交流电的 相控式ACAC直接变换器；在直接变频的同时也可实现电压变换，实现降频降压变换；第三类 PWM斩波式AC-AC变换器，即可实现降压又可升压，还可以实现变频控制，是一种高性能的变换器，目前处于研究阶段。,54,机械工业出版社,a、单相全控 AC-AC变换电路,电路特点：单相全控型电压控制器，是最基本的交流调压电路。图中2只普通晶闸管（T1、T2）可由一只双向晶闸管取代，但有效电流定额需扩大约70%。,55,机械工业出版社,b、单相半控 AC-AC变换电路,电路特点：节省了一个晶闸管，但移相控制运行时输出电压正负半波不对称，会给交流电网带来谐波污染，不宜用于较大功率的调压控制场合。,56,机械工业出版社,c、带中性线N，星形联结,电路特点：带一根电源中性线，相当于三只单相晶闸管交流调压器的组合，适合带中线的星形平衡负载调压或调功。缺点是三相不平衡运行时，中线含有较大电流及谐波。,57,机械工业出版社,d、无中性线的三相连接,电路特点：三相负载可为星形、三角形联结，每相电路通过另一相形成回路。不对称运行时，形负载内部有较大环流。,58,机械工业出版社,e、内联接的控制器,电路特点：反并联晶闸管与各相负载串联后再接成三角形，相当于三个单相电压控制器组成三相晶闸管交流电压控制器。优点是对电网冲击小，缺点是要求负载有6个抽头。,59,机械工业出版社,2.6多极复合形式的变换电路在众多电源变换器中ACDC，DCDC，DCAC和ACAC变换是四种最基本的电压或频率变换电路。在新能源发电技术的实际应用中，常将两个以上的基本变换电路组合在一起，构成多级复合形式的变换电路。,60,机械工业出版社,1ACDCDCAC变换电路（DCDC降压型）,图215 降压型ACDCDCAC变换电路,61,机械工业出版社,2ACDCDCAC变换电路（DCDC升压型）,图216 升压型ACDCDCAC变换电路,62,机械工业出版社,3隔离式DCACDC变换电路,图217 隔离式DCACDC变换电路,63,机械工业出版社,4隔离式ACDCACDC变换电路,图218 隔离式ACDCACDC变换电路,64,机械工业出版社,2.7 半导体功率器件的驱动与保护电路 实际的电力电子变换器是由主电路、驱动器及保护电路、控制电路、检测与显示电路等多个子系统构成。驱动器接受控制系统输出的控制信号，经功率放大和隔离后，驱动功率开关器件的导通、关断，是连接功率器件与控制系统的桥梁。由于半导体功率开关器件种类繁多，不同的开关器件对驱动器的性能要求不尽相同，典型的驱动器分为电流驱动型器件和电压驱动型器件的两大类驱动器。电流驱动型器件主要有SCR、GTO和GTR，电压驱动型器件主要有MOSFET、IGBT和SIT等。,65,机械工业出版社,2.7.1 晶闸管SCR触发驱动器,图219采用变压器隔离的SCR驱动器,图220 采用光耦隔离的SCR驱动器,66,机械工业出版社,2.7.2 IGBT和MOSFET驱动器,和双极型晶体管（GTR）不同，功率MOSFET和IGBT器件都是属于电压驱动型，输入阻抗很大，为提高器件的开关速度，电压驱动型器件的栅极驱动器除应具有更快的响应速度（ns级）外，同样需要足够大的栅极驱动能力（一般为15V）和反向电压（一般为5v），以保证瞬时完成对等效栅极电容的充电或放电过程。,67,机械工业出版社,功率MOSFET和IGBT器件驱动器应用实例,1TLP250功率驱动电路及应用,图222 TLP250组成的驱动电路,68,机械工业出版社,2UC3724/UC3725驱动电路,图223 UC3724/3725功率MOSFET驱动电路,69,机械工业出版社,3IHD680驱动电路,图224 IHD680驱动电路,70,机械工业出版社,4MAX4428驱动电路,图225 MAX4428驱动电路,71,机械工业出版社,5IR2110驱动电路,图226 IR2110驱动电路,72,机械工业出版社,6 EXB841驱动电路,图227 EXB841内部电路,73,机械工业出版社,2.7.3 功率器件的保护电路,1过电流保护电路,过电流保护在电源变换电路中是一个很重要的环节，直接影响到装置的可靠性。MOSFET和IGBT的过流允许值一般为2倍的电流额定值，IGBT允许过流时间一般20s，MOSFET允许过流时间还要小。考虑到过电流发生和硬件保护电路需要一定的时间，因此要求过电流检测的电流传感器（一般用霍尔传感器）响应速度要快。除了在驱动电路中加过流保护功能外，还要在整流电路输出、逆变电路输入、负载回路加过流检测进行过流保护。,74,机械工业出版社,电流传感器的安装位置可选择为：与直流母线串联，可以检测直流母线后的逆变电路或负载回路的过电流。与负载串联，可检测负载回路的过电流。与每一个IGBT串联，可直接检测IGBT的过电流，但使用的电流传感器多，成本高，一般不用。,图228 电流传感器的安装位置,75,机械工业出版社,2过电压保护电路,过电压的抑制方法常利用电容对电压冲击的缓冲作用，设计合适的缓冲电路吸收du/dt或采用软开关技术。采用性能良好的缓冲电路，可使功率MOSFET或IGBT工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性、安全性都有重要的意义。,76,机械工业出版社,典型缓冲吸收电路实例,a)b),c)d),图230 缓冲电路的主要形式,77,机械工业出版社,第3章风能、风力发电与控制技术,78,机械工业出版社,79,机械工业出版社,本章主要内容3.1 风的特性及风能利用3.2 风力发电机组及工作原理3.3 风力发电机组的控制策略3.4 风力发电机组的并网运行和功率补偿3.5 风力发电的经济技术性评价,80,机械工业出版社,绪 论,在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和控制技术等领域。风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。,81,机械工业出版社,感性认识：各式风机,82,机械工业出版社,83,机械工业出版社,84,机械工业出版社,85,机械工业出版社,3.1 风的特性及风能利用,3.1.1 风的产生 风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。,图3-1 地球上风的运动,86,机械工业出版社,3.1.2 风的特性与风能,1、随机性2、风随高度的变化而变化 不同高度风速的表达式：,式中 距地面高度为h处的风速（ms）；0高度为h0处的风速（ms），一般取h0为10m；k修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约 为0.1250.5。,87,机械工业出版社,3.1.3 风的表示及应用1、风向,风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。图示方向方位图,图3-2 风向方位图,88,机械工业出版社,2、风速 由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。3、风力 风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。,风力等级与风速的关系：,式中 VNN级风的平均风速(m/s)；N风的级数。,89,机械工业出版社,4、风能（1）风能密度，空气在一秒钟内以速度流过单位面积产生的动能。表达式为：,（2）风能，空气在一秒钟时间内以速度流过面积为S截面的动能。,表达式为：,（3）风能利用，风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转 化为其他形式的能量。,90,机械工业出版社,风能转换及应用情况如图所示。,图3-5 风能转换与应用情况,91,机械工业出版社,3.2 风力发电机组及工作原理3.2.1 风力发电机组的结构及分类,1、风力发电机组的分类,风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。,92,机械工业出版社,按风轮轴的安装型式,按风力发电机的功率,按运行方式,水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组,微型（额定功率501000W）、小型（额定功率1.010kW）、中型（额定功率10100kW）和大型（额定功率大于100kW）,独立运行和并网运行,93,机械工业出版社,2、风力发电机组的结构 风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。,94,机械工业出版社,（1）独立运行的风力发电机组,水平轴独立运行的风 力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。,图3-6 水平轴独立运行的风力发电机组主要结构,95,机械工业出版社,并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示,（2）并网运行的风力发电机组,图3-7 并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图,96,机械工业出版社,并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成，结构如右图。,（3）大型风力发电机组,图3-8 大型风力发电机组的基本结构,97,机械工业出版社,3.2.2 风力机 风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。1、水平轴风力机：a.荷兰式 b.农庄式 c.自行车式 d.桨叶式,图3-9 水平轴风力机,98,机械工业出版社,2、垂直轴风力机：a.萨窝纽斯式 b.达里厄式 c.旋翼式,图-10 垂直轴风力机,99,机械工业出版社,水平轴,垂直轴,100,机械工业出版社,3.2.3 风力机的气动原理,风力发电机组中的风轮之所以能将风能转化为机械能，原因是因为风力机具有特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。,图3-11 风力机的叶片翼型及受力,101,机械工业出版社,现分析风轮不动时受到风吹的情况：当风以速度矢量 吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力 F，力 F 可以分解为与相对风速方向平行的阻力 FD 和垂直于风向的升力 FL，升力使风力机旋转，实现能量的转换。,102,机械工业出版社,风力机的输出功率 当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：,103,机械工业出版社,对应于最大的风力机利用系CPm有一个叶尖速比m，因风速经常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比m不变。在桨距角一定时，CP与叶尖速比的关系如下图所示。,图3-13 风力机的利用系数与叶尖速比的关系,104,机械工业出版社,3.2.4 风力发电机,在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的核心。独立运行的风力发电机组中所用的发电机主要有直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流自励式交流发电机及电容式自励异步发电机。并网运行的风力发电机机组中使用的发电机主要有同步发电机、异步发电机、双馈发电机、低速交流发电机、无刷双馈发电机、交流整流子发电机、高压同步发电机及开关磁阻发电机等。,105,机械工业出版社,1、独立运行风力发电机组中的发电机 独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。,图3-14 独立运行的交流风力发电机系统结构,106,机械工业出版社,（1）直流发电机 直流发电机从磁场产生（励磁）的角度来分，可分为永磁式直流发电机和电磁式直流发电机，典型结构如图示。直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机的功率不断做大，性能大大提高，是一种很有发展前途的发电机。,图3-15 电磁式直流发电机结构,107,机械工业出版社,（2）永磁式交流同步发电机 永磁式交流同步发电机的转子上没有励磁绕组，因此无励磁绕组的铜损耗，发电机的效率高；转子上无集电环，发电机运行更可靠；采用钕铁硼永磁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造工艺简便，因此广泛应用于小型及微型风力发电机中。,图3-17 凸极式永磁发电机结构示意图,1定子齿 2定子轭 3永磁体转子 4转子轴 5气隙 6定子绕组,108,机械工业出版社,（3）硅整流自励式交流同步发电机 如下图，硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。,图3-18硅整流自励式交流同步发电机电路原理图,109,机械工业出版社,（4）电容自励式异步发电机 电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如下图所示。,图3-19 电容自励式异步发电机电路原理,110,机械工业出版社,并网运行的风力发电机组中所用的发电机,（1）异步发电机 风力异步发电机并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。异步发电机的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整负载。（2）同步发电机 当发电机的转速一定时，同步发电机的频率稳定，电能质量高；同步发电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因数，既能输出有功功率，也可提供无功功率，可使功率因数为1，因此被电力系统广泛接受。,111,机械工业出版社,112,机械工业出版社,（3）双馈异步发电机 双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交交变频器、交直交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。,图3-25 双馈异步发电机的系统结构,113,机械工业出版社,114,机械工业出版社,双馈异步发电机工作原理：异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：式中 f1定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1 为同步转速；p发电机的极对数；n转子的转速（r/min）；f2转子电流的频率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差频率。,115,机械工业出版社,根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：1）亚同步运行状态。此时n0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。,116,机械工业出版社,2）超同步运行状态。此时nn1，转差率s0，转子中的电流相序发生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所示。3）同步运行状态。此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。,117,机械工业出版社,双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动，功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，也可以超同步运行，因此调速范围宽；可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。,118,机械工业出版社,（4）无刷双馈异步发电机 无刷双馈异步发电机(Brushless DoublyFed Machine，简称BDFM)的基本原理与双馈异步发电机相同，不同之外是取消了电刷和集电环，系统运行的可靠性增大，但系统体积也相应增大，常用的有级联式和磁场调制型两种类型。,图3-27 级联式无刷双馈异步发电机,图3-28 磁场调制型无刷双馈异步发电机,119,机械工业出版社,（5）开关磁阻发电机 开关磁阻发电机又称为双凸极式发电机（简称SRG），定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，定子极数一般比转子的极数多，转子上无绕组，定子凸极上安放有彼此独立的集中绕组，径向独立的两个绕组串联起来构成一相。,图3-29 三相（6/4极）开关磁阻发电机结构,120,机械工业出版社,开关磁阻发电机用作为风力发电机时，其系统一般由风力机、开关磁阻发电机及其功率变换器、控制器、蓄电池、逆变器、负载以及辅助电源等组成，其系统构成如图所示。,开关磁阻发电机的结构简单，控制灵活，效率高而且转矩密度大，在风力发电系统中可用于直接驱动、变速运行，有一定的开发、研究价值。,图3-30 开关磁阻风力发电机系统的构成,121,机械工业出版社,3.3 风力发电机组的控制策略,与一般工业控制系统不同，风力发电机组的控制系统是一个综合性复杂控制系统。尤其是对于并网运行的风力发电机组，控制系统不仅要监视电网、风况和机组运行数据，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，还需要根据风速和风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电质量，而这正是风力发电机组控制中的关键技术，现代风力发电机组一般都采用微机控制，如下图所示。,122,机械工业出版社,2A/D转换模块 3风向标 4风速计 5频率计 6电压表 7电流表 8控制机构 9执行机构 10液压调速油缸 11调向电机 12其他传感器,图3-32 风力发电机组的微机自控原理框图,123,机械工业出版社,3.3.1 风力发电的特点及控制要求风力发电系统控制的目标主要有四个：保证系统的可靠运行、能量利用率最大、电能质量高、机组寿命延长。风力发电系统常规的控制功能有七个：在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行；低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能；高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组的输出功率为额定值；减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出功率的波动，避免共振；,124,机械工业出版社,减小功率传动链的暂态响应；控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅；调节机组的功率，确保机组输出电压和频率的稳定。,为实现上述所要求的部分或全部控制功能，风力发电机组的控制技术经历了三个主要发展阶段：从最初的定桨距失速恒频控制到后来的变桨距恒速恒频控制，目前主要发展变桨距或定桨距变速恒频控制。,125,机械工业出版社,3.3.2 并网型风力发电机的功率调节控制,风力机的功率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种。,1、定桨距失速调节 定桨距失速调节一般用于恒速控制，其风力机的结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。在风速超过额定风速后利用桨叶翼型本身的失速特性，维持发电机组的输出功率在额定值附近。,126,机械工业出版社,定桨距失速控制的优点是失速调节简单可靠，由风速变化引起的输出功率的控制只通过桨叶的被动失速调节实现，没有功率反馈系统和变桨距机构，使控制系统大为简化，整机结构简单、部件小、造价低。其缺点是叶片重量大、成形工艺复杂，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。,2、变桨距风力发电机组的调节与控制 变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角在一定范围（090）变化，变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使风轮叶片的桨距角随风速的变化而变化，一般用于变速运行的风力发电机，主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。,127,机械工业出版社,（1）根据其作用可分为三个控制过程：起动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）的不控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。a.起动时的转速控制 变距风轮的桨叶在静止时，桨距角为90，当风速达起动风速时，桨叶向0方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力发电机的起动 b.额定转速以下（欠功率状态）的控制 为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。,128,机械工业出版社,c.额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制 当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，使桨距角 向迎风面积减小的方向转动一个角度，增大，功角 减小，如图所示。从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。,129,机械工业出版社,a）变桨距风力发电机组的功率曲线,b）定桨距风力发电机组的功率曲线,由图可见，在额定风速以下，两者相似，但在额定风速以上，变桨距风力发电机的输出功率维持恒定，而定桨距风力发电机组的输出功率由于风力机的失速当风速增大时而减小。,130,机械工业出版社,3、变桨距风力发电机组的控制系统 传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图如图所示。在起动时实现转速控制，由速度控制器起作用，起动结束后，在额定风速以下，转速环开环，系统不进行控制。当风速达到或超过额定风速时，切换到功率控制，功率控制器根据给定与反馈的功率信号比较后进行功率控制，以维持额定功率不变。,图3-38 传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图,131,机械工业出版社,新型控制系统与传统控制系统的主要区别是采用了两个速度控制器及增加了转子电流的控制。其中一个速度控制器的作用与传统的速度控制器相同，既起动时和同步转速附近的转速控制。,另一个速度控制器的作用是在并网后，和功率控制器一起通过转子电流的控制实现电机转差即转速的控制。带转子电流控制器的绕线转子异步发电机的系统结构如图所示。,图3-39 带转子电流控制器的绕线转子异步发电机的系统结构,132,机械工业出版社,转子电流控制器安装在绕线转子异步发电机的转子轴上，通过集电环与转子电路相连，转子电路中