电气工程及其自动化专业论文25728.doc

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1、毕业设计（论文）.题 目永磁风力发电机并网逆变器的设计与仿真永磁风力发电机并网逆变器的设计与仿真摘 要大型风力发电机组并网发电是高效、大规模利用风能最经济的方式已成为当世界风能利用的主要形式。对当前各种类型风力发电机组并网方案工作过程及优缺点进行综述和分析，指出随着风电机组容量的增大并网瞬间的冲击电流也越来越大对电网运行稳定性的影响也越来越大，因此如何改进现有的各种并网技术、减少对电网的冲击是迫切需要解决的问题。在风力发电系统中，逆变器的控制技术是关键，其负载是无穷大的电网，其电能形式为三相交流电。在本论文中主要对风力发电并网逆变电路进行了研究。在理论分析的基础上对PMW逆变电路进行仿真，结果

2、证明理论是正确的。关键词：风力发电机并网；PMW逆变器；仿真The Design and Simulation of Grid-Connected Inverterfor Permanet Magnet Wind Turbine GeneratorABSTRACTLarge wind turbines for power generation is highly efficient, large-scale use of wind energy the most economical way. When the worlds wind energy has become the main fo

3、rm. Various types of wind turbines on the current grid work of the program and the advantages and disadvantages of the process of review and analysis, noting that with the increase of wind turbine capacity. And the moment of the impact of current is also growing. On the stability of power grid is al

4、so growing, so how to improve the various existing grid technology to minimize the impact on the grid is an urgent need to address the problem. In the wind power system, inverter control technology is the key, the load is infinite grid, the energy in the form of three-phase AC. In this paper, also o

5、n the wind grid inverter circuit studied. Theoretical analysis, based on the PMW inverter circuit simulation results show that theory is correct.Keywords: Wind Generator; PMW inverter; simulation目 录前 言1第一章 风力发电的原理21.1 风力发电简介21.2 风力发电市场的现状和前景21.3 风力发电机组的基本结构和工作原理31.4 风力发电系统的基本结构和工作原理51.4.1 恒速恒频风力发电系统

6、61.4.2 变速恒频风力发电系统6第二章 风力发电机组并网运行方式分析92.1 风力发电机组类型92.1.1 异步风力发电机92.1.2双馈异步风力发电机92.1.3 直驱式交流永磁同步发电机92.1.4 高压同步发电机92.2 风力发电机组并网条件102.3风力发电机的并网方式分析102.3.1 异步发电机组的并网102.3.2 同步发电机组的并网122.3.3风力发电机的并网方式的选择13第三章 风力发电机并网逆变电路的研究与设计143.1 风力发电机变流方案的确定143.1.1 风力发电机变流方案概述143.1.2风力发电机变流方案确定163.2 风力并网逆变电路研究173.2.1 逆

7、变电路的分类173.2.2 电压型并网逆变器的系统分析173.2.4电流型和电压型逆变电路比较与选择233.3 风力发电并网逆变电路的设计243.3.1 三电平逆变电路243.3.2 二极管箝位型的三电平逆变电路253.3.3二极管箝位型三电平逆变技术273.4 控制脉冲的设计29第四章 基于MATLAB的SIMULINK仿真初探324.1 MATLAB仿真软件综述324.1.1 MATLAB介绍324.1.2 MATLAB仿真工具SIMULINK334.1.3 Power System Blocksets的功能、特点及应用334.1.4几种常用的电力电子仿真软件的特点比较344.2 利用MA

8、TLAB进行仿真的意义344.3系统器件举例354.3.1门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor -GTO）354.3.2电力晶体管（Giant Transistor-GTR，直译为巨型晶体管）364.3.3电力场效应晶体管374.3.4绝缘栅双极晶体管384.4系统仿真举例404.4.1半桥逆变电路的仿真414.4.2全桥逆变电路的仿真424.4.3三相三电平逆变电路的仿真43结论46参考文献47英文原文48中文翻译55前 言随着能源与环境的压力增加，清洁可再生新能源近年受到普遍重视。在各类绿色能源中，在发展低碳经济，创新低碳技术，改变生活方式，最大限度减少环境的温

9、室气体排放，彻底摆脱以往大量生产、大量消费和大量废弃的社会经济运行模式，形成结构优化、循环利用、节能高效的经济体系，形成健康、节约、低碳的生活方式和消费模式，最终实现环境的清洁发展、高效发展、低碳发展和可持续发展。建设和发展低碳经济，可以带动产业升级，强化资源利用，控制环境恶化，缓解生态压力，促进人与自然的和谐发展。可再生能源经济是发展低碳经济基本路径，风能是前景潜力巨大的可再生能源之一，风力发电技术相对比较成熟，并且最具有大规模商业开发条件、成本相对较低。利用风能发电日益受到关注并展现出广阔的成长空间。中国风能丰富，风力发电装备制造业前景光明，但要科学发展，因应市场，以自主创新增强竞争力。自

10、中华人民共和国可再生能源法颁布实施以来，包括太阳能、风能、生物质能等在内的可再生能源利用事业进入了新的历史发展时期。中华人民共和国可再生能源法中明确规定：“国家扶持在电网未覆盖的地区建设可再生能源独立电力系统，为当地生产和生活提供电力服务。”等，这为我国可再生能源利用事业的进一步发展指明了方向。风能作为可再生能源的一种，在中国的储藏量相当丰富。根据国家气象局的资料，中国离地10米高的风能资源总储量约3226亿千瓦，其中可开发和利用的陆地上风能储量有253亿千瓦，50米高度的风能资源比10米高度多一倍，为5亿多千瓦；近海可开发和利用的风能储量有75亿千瓦。目前，随着人们对风力发电认识的日渐提高和

11、小型风力发电技术的不断成熟，其应用领域也越来越广泛，如：独立运行的无电地区电力建设的集中供电系统（村落电站）和户用系统、电网无法覆盖地区的无电村落或用户的供电、通信基站、高速公路/铁路监控、森林防火等的监测站、部队边防哨所、航标灯、油田、教学示范等的供电服务。我国政府为了推动并网风电的商业化发展，2003年9月国家发改委叫确提出我国风电发展的规划目标：2005年全国风电装机容量达到100万KW，2010年全国风电装机容量达到400万kW，2015年全国风电装机容量达到1000万KW，2020年全国风电装机容量达到2000万KW，占全国总装机容量的2左右。这就意味着在今后5年时问内，每年平均装机

12、容量需达到近60万kW，20102015年，需达到近120万KW，20152020年，需达到近200万KW。可以预计，我国即将成为世界风电发展最令人瞩目的国家之一。第一章 风力发电的原理1.1 风力发电简介现代风力发电机采用空气动力学理论，就像飞机的机翼一样。风并非“推” 东风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是1325V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把

13、电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。根据Betz定律，理论上风电机能够提取得最大功率， 是风的功率的 59.6% 。大多数风电机只能提取风的功率的 40% 或者更少。通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大

14、的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。1.2 风力发电市场的现状和前景从20世纪70年代开始，联网型风力发电开始商业化，经过80年代和90年代的快速发展，风力发电的技术逐渐成熟。由于风力发电具有环境保护的独特优势，随着发达国家对二氧化碳减排义务的承诺，风力发电受到了众多国家的重视。风力发电的增长速度惊人，1997年2000年之间年装机量平均增长速度达到38。随着风力发电技术日趋成熟，市场规模不断扩大，风力发电的成本效益性能也逐渐改善。在过去的10年中，风电的成本下降了一半。

15、以美国为例，1990年风电的成本为8美分千瓦时，到2000年时下降到了4美分千瓦时。我国风电发展存在诸多障碍，北京举办奥运会，上海申办世博会，都需要彻底治理环境，在这一强烈需求下，风力发电显示出了巨大的技术价值和市场价值。进入2l世纪，陆地风力发电机组的主力机型单机容量为2 MW，风轮直径为60-80 m，近海风力发电机组的主力机型单机容量多为3 MW以上；大型变速恒频风力发电技术已成为主要发展方向。其中，双馈型变速恒频风力机组是目前国际风力发电市场的主流机型，直驱型风力发电机组以其固有的优势正日益受到关注(ENERCON公司2006年生产的直驱型风力发电机组在德国市场销售量第一)。事实上，从

16、定桨距恒速恒频机组发展到变桨距变速恒频机组，可谓基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。2001年以来，全球每年风电装机容量增长速度为2030，风力发电已成为世界上增长速度最快的清洁能源。到2008年底，全球风电装机容量已达120亿kW，前3位的国家分别是美国、德国、西班牙。我国的风电发展主要集中在2003年以后。近年来，显示出前所未有的发展势头。到2008年底，风电机组总装机容虽达1215.3万kW，位列全球第4。随着我国风电装备制造业的快速发展，我国的华锐风电、金风科技两家企业进入2008年全球大型风电机组制造商前10名。目前，国内风电制造技术发展呈现的

17、主要特点为：兆瓦级风电机组已成为主流机型；变桨距、变速恒频技术得到广泛采用；双馈异步发电技术仍占主流；直驱型风电机组发展迅速。综观世界风力发电近几年迅猛发展的轨迹，呈现出如下发展趋势及发展动态：1)大型化；2)定桨距、定速恒频向变桨距、变速恒频方向发展；3)海上专用风电机组研究及近海风电大规模开发；4)多级增速齿轮箱传动向直驱型(无齿轮箱，风轮直接驱动多级发电机)、半直驱型(风轮经单级增速齿轮箱驱动多级发电机)方向发展；5)应用全功率变流的并网技术；6)低电压穿越技术；7)实现风力发电系统功率优化、稳定可靠运行的智能控制技术；8)桨叶的空气动力特性、新材料新工艺应用及控制策略研究；9)风电场远

18、程监控系统及无线网络技术应用。1.3 风力发电机组的基本结构和工作原理典型的风力发电机组主要由风轮(包括叶片、轮毂)、(增速)齿轮箱、发电机、对风装置(偏航系统)、塔架等构成如图11所示。其工作原理为：风以一定的速度和攻角流过桨叶，使风轮获得旋转力矩而转动，风轮通过主轴联接齿轮箱，经齿轮箱增速后带动发电机发电。图11 风力发电机组结构示意图(上风向、水平轴式)由于风力发电机组频繁起停，风轮转动惯量又很大(大型风力发电机组的单个叶片重达数吨)，故风轮的转速设计值较低，通常为20一30 rmin(机组容量越大，转速越低)；另一方面，为了限制发电机的体积和重量，其极对数较少，故在风轮与发电机间通常设

19、置增速齿轮箱，将风轮输入的较低转速增速到1 0001 500 rmin以满足发电机所需。风力机按风轮主轴的方向分为水平轴、垂直轴两大类；对水平轴风力机，需要风轮保持迎风状态，根据风轮是在塔架前还是在塔架后迎风旋转分为上风向和下风向两类。现代风力发电机组大多数采用上风向(风轮在塔架前面迎着风向旋转)、水平轴式(风轮的旋转平面与风向垂直、旋转轴与地面平行)、3叶片，且在大型机组中采用变桨距风轮，即桨叶与轮毂不象传统的定桨距失速型那样采用刚性联接，而是通过可转动的推力轴承或回转支撑联接，以使叶片攻角可随风速变化进行调整从而对风轮进行调速(限速)。偏航系统是上风向水平轴式风力机风轮始终保持迎风状态及提

20、供安全运行所需锁紧力矩的特有伺服系统，其通过驱动机舱围绕塔架的垂直轴转动以使风轮主轴保持与稳定的风向一致；另外，当因偏航动作导致机舱内引出电缆扭绞时，偏航系统应能自动解除扭绞。风力发电机组中的发电机一般为异步发电机(包括笼型、绕线型)或同步发电机(包括永磁、电励磁)，采用何种形式的发电机主要取决于风力发电系统的形式。根据风力机的基础理论，风力机从自然风中捕获风能所获得的机械功率为式中：机械功率，W；空气密度，kg；距离风机一定距离的上游风速，ms；风轮的扫风面积，；风能利用系数。风能利用系数是体现风轮气动特性优劣的主要参数，其是叶尖速比和桨叶桨距角的非线性函数，而叶尖速比为风轮叶片叶尖的线速度

21、与风速之比，即式中：风轮的转速，rrain；风轮的角速度，rads；风轮的半径，m；上游风速，ms。图12和图13分别为基于某定桨距风力机四参数模型、某变桨距风力机七参数模型的一线.图12表明，当桨距角保持不变时，风能利用系数只在对应最佳叶尖速比叫点处获得最大值。显然，在不同的风速下，若通过调节风轮的转速使其叶尖速比，则可维持风力机在最大风能利用率下运行，这正是变速风力发电机组转速控制的基本目标。图13表明，同一叶尖速比下，不同的桨距角对应不同的风能利用系数，因此，通过改变桨距角可控制风力发电机组的功率。事实上，与功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风电机组相比，桨距角可控制的变桨距风电机组具

22、有如下优势：在额定功率点以上输出功率平稳；在额定点风能利用系数较高；可保证在高风速段输出额定功率；优良的起动、制动性能。图12 定桨距风力机一曲线图13 变桨距风力机一曲线1.4 风力发电系统的基本结构和工作原理风力发电系统从形式上有离网型、并网型。离网型的单机容量小(约为015 kW，一般不超过10 kW)，主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行；并网型的单机容量大(可达MW级)，且由多台风电机组构成风力发电机群(风电场)集中向电网输送电能。另外，中型风力发电机组(几十kW到几百kW)可并网运行，也可与其它能源发电方式相结合(如风电一水电互补、风电一柴油机组发电联合)形成微电网。并

23、网型风力发电的频率应保持恒等于电网频率，按其发电机运行方式可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。1.4.1 恒速恒频风力发电系统恒速恒频风力发电系统中主要采用三相同步发电机(运行于由电机极对数和频率所决定的同步转速)、鼠笼式异步发电机(SCIG)。且在定桨距并网型风电机组中，一般采用SCIG，通过定桨距失速控制的风轮使其在略高于同步转速的转速(一般在(1105)n)之间稳定发电运行。如图14所示采用SCIG的恒速恒频风力发电系统结构示意图，由于SCIG在向电网输出有功功率的同时，需从电网吸收滞后的无功功率以建立转速为的旋转磁场，这加重了电网无功功率的负担、导致电网功率因数下降

24、，为此在SCIG机组与电网之间设置合适容量的并联电容器组以补偿无功。在整个运行风速范围内(3 ms 25 ms),气流的速度是不断变化的，为了提高中低风速运行时的效率，定桨距风力发电机普遍采用三相(笼型)异步双速发电机，分别设计成4极和6极，其典型代表是NEGMICON 750 kW机组。图14 采用SCIG的恒速恒频风力发电系统恒速恒频风力发电系统具有电机结构简单、成本低、可靠性高等优点，其主要缺点为：运行范围窄；不能充分利用风能(其风能利用系数不可能保持在最大值)；风速跃升时会导致主轴、齿轮箱和发电机等部件承受很大的机械应力。1.4.2 变速恒频风力发电系统为了克服恒速恒频风力发电系统的缺

25、点，20世纪90年代中期，基于变桨距技术的各种变速恒频风力发电系统开始进入市场，其主要特点为：低于额定风速时，调节发电机转矩使转速跟随风速变化，使风轮的叶尖速比保持在最佳值，维持风电机组在最大风能利用率下运行；高于额定风速时，调节桨距以限制风力机吸收的功率不超过最大值；恒频电能的获得是通过发电机与电力电子变换装置相结合实现的。目前，变速恒频风电机组主要采用绕线转子双馈异步发电机，低速同步发电机直驱型风力发电系统亦受到广泛重视。（1）基于绕线转子双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统绕线转子双馈异步发电机(DFIG)的转子侧通过集电环和电刷加入交流励磁，既可输入电能也可输出电能。图5为基于绕线转子

26、双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统结构示意图，其中，DFIG的转子绕组通过可逆变换器与电网相连，通过控制转子励磁电流的频率实现宽范围变速恒频发电运行，其工作原理为：转子通入三相低频励磁电流形成低速旋转磁场，该磁场的旋转速度与转子机械转速相叠加，等于定子的同步转速，即=从而在DFIG定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当发电机转速随风速变化而变化时(一般的变化范围为的30，可双向调节)，调节转子励磁电流的频率即可调节以补偿的变化，保持输出电能频率恒定。图15所示变速恒频方案由于是在转子电路中实现的而流过转子电路的功率是由DFIG转速运行范围所决定的转差功率，一般只为额定功率的1413，故

27、显著降低了变换器的容量、成本。此外，调节转子励磁电流的有功、无功分量，可独立调节发电机的有功、无功功率，以调节电网的功率因数、补偿电网的无功需求。事实上，由于DFIG转子采用了可调节频率、幅值、相位的交流励磁，发电机和电力系统构成了“柔性连接”。德国Dewind公司生产的D6型机组(其额定功率为1 250 kW，起动、额定、切出风速分别为25 ms，13 ms，28 ms)是采用这种变速恒频方案的典型产品。图15基于DFIG的变速恒频风力发电系统（2）基于低速同步发电机的直驱型风力发电系统直驱型风力发电系统中，风轮与永磁式(或电励磁式)同步发电机直接连接，省去了常用的升速齿轮箱。图6为永磁直驱

28、型变速恒频风力发电系统结构示意图，风能通过风机和永磁同步发电机(PMSG)转换为PMSG定子绕组中频率、幅值变化的交流电，输入到全功率变换器中(其通常采用可控PWM整流或不控整流后接DCAC变换)，先经整流为直流，然后经三相逆变器变换为三相工频交流电输出。该系统通过定子侧的全功率变换器对系统的有功、无功功率进行控制，并控制发电机的电磁转矩以调节风轮转速，实现最大功率跟踪。与基于DFIG的风力发电系统相比，该系统可在较宽的转速范围内并网，但其全功率变换器的容量较大。与带齿轮箱的风力发电系统相比，该系统提高了效率与可靠性、降低了运行噪声，但发电机转速低，为获得一定的功率，发电机应具备较大的电磁转矩

29、，故其体积大、成本高。图6永磁直驱型变速恒频风力发电系统第二章 风力发电机组并网运行方式分析随着风力发电机组容量的增大并网对电网的冲击越来越大。这种冲击严重时不仅引起电力系统电压的大幅度下降而且可能对发电机和机械部件(塔架、桨叶及增速器等)造成损坏。如果并网冲击时间过长，还可能使系统瓦解或威胁其他挂网机组的正常运行。因此风力发电系统并入电网时，对风电的电压幅值、相位和相序与电网电压都有严格要求，并且还需要对并网逆变技术进行研究。2.1 风力发电机组类型分析风力发电机组的并网方式，首先要考虑风电场所选风力发电机的类型。不同的风力发电机组其工作原理不相同，因此并网反方式也有所差异。目前国内风电场选

30、用的机型主要有4种，每种机型各有不同。2.1.1 异步风力发电机在国内已运行的风电场大部分机组是风力发电机。主要特点是结构简单，运行可靠，价格较便宜，此种发电机为定速恒频机组。运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小，因而，发电能力比新型机组低。同时，运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为满足电网对风电场功率因数的要求，采用在机端并联补偿电容器，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量电容器。由于风速大小随机变化，驱动异步发电机的风力机不可能经常在额定风速下运转，为了充分利用低风速时的风能，增加全年发电量，近年广泛应用双速异步发电机。此种电机可以改变极对数，有大小电

31、机2种运行方式，采用4极或6极电机，运行速度为1500r/min或1000r/min。2.1.2双馈异步风力发电机在现代兆瓦级以上的大型并网风力发电机组选用双馈异步风力发电机，实现风力机叶片桨距调节及变速运行，此种机型称为变速恒频发电系统。由于风力机变速运行，其运行速度能在一个较宽的范围内调节到风力机的最优化效率数值，使风机风能利用系数Cp得到优化，获得较高的系统效率；可以实现发电机较平滑的电功率输出，达到优化系统内的电网质量，减少发电机温度变化，发电机本身不需要另外附加无功补偿设备，可实现功率因素一定范围内的调节，例如功率因素从0.95领先到0.95滞后范围内，因而具有调节无功功率出力的能力

32、，实现几个相同的独立运行机组的并联运行。2.1.3 直驱式交流永磁同步发电机大型风电机组实际运行经验中，齿轮箱是故障率较高部件。采用无齿轮箱结构则避免了这种故障的出现，可以大大提高风电机组的可靠性，降低风电机组载荷，提高风力机组寿命。目前我国部分风电场使用直接驱动永磁式同步发电机，运行时全部功率经A-D-A变换，接入电力系统并网运行。与其他机型比较，需考虑谐波治理问题。2.1.4 高压同步发电机此类发电机是将同步发电机的输出端电压提高到1020KV，甚至高达40KV以上，可以不用变压器而直接与电网连接。由于不用增加齿轮箱，以低速运转，减少了齿轮箱运行时的能量损耗，同时由于省去了一台升压变压器，

33、免除了变压器运行的损耗，效率可提高5左右。但由于使用大量的永磁材料，对用词材料的性能稳定性要求高。2.2 风力发电机组并网条件风力发电机的并网直接影响到风力发电机能否向输电电网输送电能以及机组是否受到并网时冲击电流的影响，为了使发电机能并网发电必须满足以下条件：（1）发电机发出电源的相序与电网汇流排相序相同。否则，不但发电机不能进入同步，而且会产生很大的拍振电流使发电机绕组承受过大的电动力，使线圈变形绝缘短路。（2）发电机的电压有效值与电网汇流排的电压有效值相等或接近相等(电压差10)否则，而由于电位差而产生内部无功环流生成很大的电磁冲出力。（3）发电机的频率应与电力系统电源的频率基本相同等(

34、频率差不能超过0.5一lHz)否则会因为拍振电流和拍振电压的有功分量在发电机轴上产生力矩使发电机产生机械振动造成机组损坏。（4）发电机的电压相位与电力系统电源的电压相位相等(相位差10)，否则将产生有功和无功电流冲击，使发电机烧毁。（5）波形相同，发电机和电网同样是正弦波波形。2.3风力发电机的并网方式分析随着风电装机容量的增大，尤其在大量新型风力发电机组开始投入运行后，风力发电已经在电网中占有了一定的比重，它的运行状况直接关系到整个电网的安全性和可靠性。为了更加安全、充分的利用风力资源，迫切需要深入研究大规模风电场并网运行的相关技术问题。2.3.1 异步发电机组的并网目前国内及国外与电网并联

35、运行的风力发电机组中，多采用异步发电机但异步发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流(约为异步发电机额定电流的47倍)，并使电网电压瞬时下降。随着风力发电机组单机容量的不断增大，这种冲击电流对发电机自身部件的安垒及对电网的影响也愈加严重。过大的冲击电流，有可能使发电机与电网连接的主回路中的自动开关断开，而电网电压的较大幅度下降，则可能会使电压保护回路动作，从而导致异步发电机根本不能并网。风力发电系统中采用的异步发电机并网方式有以下几种：（1）直接并网选种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力驱动的异步发电机转速接近同步转速时即可自动并入电网；自动井网的信号由测速装置给出。而后者通

36、过自动空气开关台闸完成并网过程。显见选种并网方式比同步发电机的准同步并网简单。但如上所述直接并网时会出现较大的冲击电流及电网电压的下降，固此这种并网方法只适用于异步发电机容量在百千瓦级以下或电网容量较大的情况下。中国最早引进的55KW风力发电机组及自行研制的50KW风力发电机组都是采用这种方法并网的。（2）降压并网这种并网方法是在异步电机与电网之间串接电阻或电抗器，或者接入自耦变压器，以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。因为电阻、电抗器等元件要消耗功率在发电机并入电网以后，进入稳定运行状态时，必须将其迅速切除，这种并网方法适用于百千瓦级以上，容量较大的机组，显见选种并网方法

37、的经济性较差，中国引进的200KW异步风力发电机组，就是采用这种并网方式，并网时发电机每相绕组与电网之间皆串接有大功率电阻。（3）准同期并网方式与同步发电机准同步并网方式相同，在转速接近同步转速时，先用电容励磁，建立额定电压，然后对已励磁建立的发电机电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。当发电机的电压、频率、相位与系统一致时，将发电机投入电网运行。采用这种方式，若按传统的步骤经整步到同步并网，则仍须要高精度的调速器和整步、同期设备，不仅要增加机组的造价，而且从整步到达准同步并网所花费的时间很长，这是我们所不希望的。该并网方式合闸瞬间尽管冲击电流很小，但必须控制在最大允许的转矩范围内运行，以

38、免造成网上飞车。由于它对系统电压影响极小，所以适合于电网容量比风力发电机组大不了几倍的地方使用。（4）通过可控的晶闸管软并网这种并网方法是在异步发电机定于与电网之间通过每相串入一只双向晶闸管连接起来三相均有晶闸管控制。接入双向晶闸管的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许的限度内。其并网过程如下：当风力发电机组接收到由控制系统内微处理机发出的启动命令后，先检查发电机的相序与电网的相序是否一致，若相序正确，则发出风力发电机组开始启动的命令。当发电机转速接近同步转速时(约为99100同步转速)，双向晶闸管的控制角同时由到逐渐同步打开；与此同时，双向晶闸管的导通角则同时由到逐渐增大，异步发电机即

39、通过晶闸管平稳地并入电网，随着发电机转速继续升高，电机的滑差率近新趋于零，当滑差率为零时，并网自动开关动作，双向晶闸管被短接，异步发电机的输出电流将不再经双向晶闸管而是通过已闭合的自动开关直接流入电网。在发电机并网后，应立即在发电机端并入补偿电容，将发电机的功率因数()提高到0.95以上。这种软井网方法的特点是通过控制晶闸管的导通角，将发电机并网瞬间的冲击电流值限制在规定的范围内(一般为1 5倍额定电流以下，从而得到一个平滑的并网暂态过程。通过晶闸管软并网方法将风力驱动的异步发电机并入电网是目前国内外中型及大型风力发电机组中普遍采用的，中国引进和自行开发研制生产的250KW 300KW 600

40、KW的并网型异步风力发电机组，都是采用这种并网技术。风力发电系统中常见的几种异步发电机的并网（1）双速异步发电机的并网目前在与电网运行的风力发电系统中，由于风能的随机性，风速的大小经常变化，为满足风速的变化，充分利用低速时的风能，增加全年的发电量，近年来广泛采用双速异步发电机。其并网方法是当风速传感器测量的风速达到启动风速，(一般为3.04 .0ms)以上，并连续维持达510min时，控制系统计算机发出启动信号，风力机开始启动此时发电机被切换到小容量低速绕组。根据预定的启动电流当转速接近同步转速时，通过晶闸管接入电网，异步发电机进入低功率发电状志。若风速传感器测量的1min平均风速远超过启动风

41、速，则风力机启动后，发电机被切换到大容量高速绕组，当发电机转速接近同步转速时，根据预定的启动电流通过晶闸管接入电网，异步发电机进入高功率发电状志。（2）双馈异步发电机的并网应用具有绕线转子的双馈异步发电机与电力电子技术的IGBT变频器及PWM控制技术结合起来，实现变速运行的风力发电机组发出恒频恒压的电能，并与电网连接。其并网方法为双馈发电机定子三相绕组直接与电网相联转干绕组经交交循环变流器联入电网。这种系统并网运行的特点如下：1）风力机启动后带动发电机至接近同步转速时，由循环变流器控制进行电压匹配，同步和相位控制，以便迅速地并入电网，并网时基本上无电流冲击。对于无初始起动转矩的风力发电机组“如

42、达里厄型风力发电机组)风力发电机组在静止状可由双馈电机运行于电动机工况形势下的启动实现。2）风力发电机的转速可随风负载的变化及时做出相应口调整，使风力发电机组以最佳叶尖速比运行，产生最大的电能输出。3）双馈发电机里励磁可调量有3个：励磁电流的频率，幅值和相位。调节励磁电流的频率，保证发电机在变速运行的情况下发出恒定频率的电力；通过改变励磁电流的幅值和相位，可达到调节输出有功功率和无功功率的目的。当转子电流相位改变时。由转子电流产生的转子磁场在电机气隙空间的位置有一个位移，从而改变了双馈电机定子电动势与电网电压向量的相对位置也即改变了电机的功率角，所以调节励磁不仅可以调节无功功率也可以调节有功功

43、率。2.3.2 同步发电机组的并网同步发电机在运行的时，由于它既能输出有功功率，又能提供无功功率，周波稳定，电能质量高，已被电力系统广泛应用。然而，把它移植到风力发电机组上使用却不甚理想，这是由于风速时大时小，随机变化，作用在转子上的转矩极不稳定，并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度，并网后若不进行有效地控制，常会发生无功振荡与失步等问题，在重载下尤为严重，这就是相当长的时间内，国内外风力发电机组很少采用同步发电机的原因。但近年来随着电力电子技术的发展，通常在同步发电机与电网之间采用变频装置，从技术上解决了这些问题，采用同步发电机的方案又引起了人们的重视。同步发电机常用的并网方式有：

44、（1）准同期并网方式准同期就是准确周期。用准同期法进行并列操作，发电机组电压必须相同，频率相同以及相位一致，这可通过装在同期盘上的两块电压表、两块频率表以及同期表和非同期指示灯来监视。（2）自同期并网方式自同期并列操作是将一台未加励磁电流的发电机组升速到接近于电网频率，滑差角频率不超过允许值且机组的加速度小于某一给定值的条件下，首先合上断路器开关接着合上励磁开关，给转子上加励磁电流，在发电机电动势逐渐增长的过程中由系统将发电机拉入同步运行。风力发电系统中常见的几种同步发电机的并网：（1）同步发电机的并网同步发电机的并网由风力机驱动同步发电机经变频装置与电网并联这种系统并联运行的特点如下：1）由

45、于采用频率变换装置进行输出控制，因此并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。2）为采用交一直一交转换方式，同步发电机组工作频率与电网频率是彼此独立的风轮及其发电机的转速可以变化，不必担心发生同步发电机直接井网运行可能出现的失步问题。3）由于频率变换装置采用静态自励式逆变，虽然可以调节无功功率，但是有高频电流流向器电网。4）在风电系统中使用阻抗匹配和功率跟踪反馈来调节输出负荷，可使风力发电机组按最佳效率运行，向电网输送更多的电能。（2）直驱交流永磁同步发电机组的并网由风力机直接驱动低速交流发电机，通过工作速度快驱动功率小、导通压降低的IGBT逆变器井网。这种系统并联运行的特点如下：1）由于不采用

46、齿轮箱，机组水平轴向的长度大夫减小，电能生产的机械传动路径缩短，避免了因齿轮箱旋转而产生的损耗，噪音等。2）由于发电机具有大的表面，散热条件更有利，使发电机运行时的温升减低减小发电机温升的起伏。2.3.3风力发电机的并网方式的选择并网运行是目前风力发电的主要形式各种并网方案有其自身的优缺点。随着风力发电机组容量的增大存并网时对电网的冲击也越来越大。这种冲击严重时不仅引起电力系统电压的大幅度下降而且可能对发电机和机械部件(塔架、桨叶及增速器等)造成损坏。如果并网冲击时间过长，还可能使系统瓦解或威胁其他挂网机组的正常运行。因此根据本设计所给资料和以上情况分析可得选择直驱交流永磁低速同步发电机比较合

47、理，由风力机直接驱动低速交流发电机通过工作速度快，驱动功率小，导通压降的IGBT逆变器并网。通过交直交转换方式后，使随风速变化的交流电变为满足并网要求的交流电，采用准同期的并网方式降风力发电机并入电网。图21 直驱并网结构图第三章 风力发电机并网逆变电路的研究与设计本章从各方面研究了风力发电并网系统的电路结构。对于本论文来说，逆变器的负载是无穷大的电网，其电能形势为三相交流电。3.1 风力发电机变流方案的确定由于风能具有不稳定性和随机性，风力发电机发出的电能是电压、频率随机变化的交流电，必须采取有效的电力变换措施后才能够将风电送入电网。为了改进风力发电机发电系统的运行性能，近年来发展了基于交-直-交变流器的变速风力发电系统。交-直-交变速风力发电系统，整流器和逆变器分别采用PWM整流器及基于全控型器件的PWM逆变器。为了解决在低风速时整流以后