新能源转换与控制技术全套课件

新能源转换与控制技术1

第2章电源变换和控制技术基础知识22.1电力电子器件及应用2.2AC-DC变换电路2.3DC-DC变换电路2.4DC-AC变换电路2.5AC-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3

◆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——IGBT2.1电力电子器件及应用42.1.1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）51974年美国学者W.Newell用于表征电力电子技术的倒三角62.1.2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

7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：①电力电子器件处理的电功率的大小是其主要的特征参数。②电力电子器件往往工作在开关状态；③在实际应用中因此需要驱动电路对控制信号进行放大。8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（PowerDiode）。9（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MCT—MOSFET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。10（3）全控型器件件：既可以通通过器件的控控制极（门极极）控制其导导通，又可控控制其关断的的器件。主要要有：功率晶晶体管（GTR）、绝缘栅双双极型晶体管管(IGBT)、门极可关断断晶闸管（GTO）和电力场效效应晶体管(P-MOS)等。112、按驱动信号号类型分类(1)电流驱动型：：通过对控制制极注入或抽抽出电流，实实现其开通或或关断的电力力电子器件称称为电流驱动动型器件，如如Thyrister，GTR，GTO等。(2)电压驱动型：：通过对控制制极和另一主主电极之间施施加控制电压压信号，实现现其开通或关关断的电力电电子器件称为为电压驱动型型器件，如P－MOSFET，IGBT等。12几种典型的电力电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晶体管――电力MOSFET绝缘栅双极型型晶体管――IGBT131、不可控器件件――电力二极管（1）电力二极管管的基本特性性：电力二极极管（PowerDiode）承受的反向向电压耐力与与阳极通流能能力均比普通通二极管大得得多，但它的的工作原理和和伏安（V－A）特性与普通通二极管基本本相同，都具具有正向导电电性和反向阻阻断性。电力力二极管的电电路符号和静静态特性（即即伏安特性））如下图所示示。图2-1电力二极管电电路符号及伏伏安（V－A）特性14（2）电力二极管管的主要参数数正向平均电流流IF(AV)：电力二极管管在连续运行行条件时，器器件在额定结结温和规定的的散热条件下下，允许流过过的最大工频频正弦半波电电流的平均值值。反向重复峰值值电压URRM：指对电力二二极管所能重重复施加的反反向最高峰值值电压，通常常是雪崩击穿穿电压URBO的2/3。15正向通态压降降UF：在额定结温温下，电力二二极管在导通通状态流过某某一稳态正向向电流（IF）所对应的正正向压降。正正向压降越低低，表明其导导通损耗越小小。反向恢复电流流IRP及反向恢复时时间trr：反向恢复时时间trr通常定义为从从电流下降为为零至反向电电流衰减至反反向恢复电流流峰值25％的时间。反反向恢复电流流IRP及恢复时间trr与正向导通时时的正向电流流IF及电流下降率率diF/dt密切相关。反向恢复过程程：受二极管PN结中空间电荷荷区存储电荷荷的影响，向向正向导通的的二极管施加加反向电压时时，二极管不不能立即转为为截止状态，，只有存储电电荷完全复合合后，二极管管才呈现高阻阻状态。162、半控型器件件――晶闸管图2-2晶闸管电路符符号及伏安（（V－A）特性优点：晶闸管可以承承受的电压、、电流在功率率半导体中均均为最高，具具有价格便宜宜、工作可靠靠的优点，尽尽管其开关频频率较低，但但在大功率、、低频电力电电子装置中仍仍占主导地位位。17（1）基本特性：：电流触发特性性：当晶闸管A－K极间承受正向向电压时，如如果G－K极间流过正向向触发电流，，就会使晶闸闸管导通。单向导电特性性：当承受反向向电压时，此此时无论门极极有无触发电电流，晶闸管管都不会导通通。半控型特性：晶闸管一旦旦导通，门极极就失去作用用；此时，不不论门极电流流是否存在、、触发电流极极性如何，晶晶闸管都维持持导通。要使使导通的晶闸闸管恢复关断断，可对其A－K极间施加反向向电压或使其其流过的电流流小于维持电电流（IH）。18（2）主要参数额定电压UT：晶闸管在额额定结温、门门极开路时，，允许重复施施加的正、反反向断态重复复峰值电压UDRM和URRM中较小的一个个电压值称为为晶闸管的额额定电压UT。正、反向断态态重复峰值电电压UDRM、URRM：晶闸管门极开开路(Ig=0)、器件在额定定结温时，允允许重复加在在器件上的正正、反向峰值值电压。一般般分别取正、、反向断态不不重复峰值电电压（UDSM、URSM）的90%。正向断态不不重复峰值电电压应小于转转折电压（Ubo）。通态平均电流流IT(AV)：在环境温度为为40℃和规定的散热热条件下、稳稳定结温不超超过额定结温温时，晶闸管管允许流过的的最大工频正正弦半波电流流的平均值。。这也是额定定电流的参数数。维持电流IH：维持晶闸管导导通所必需的的最小电流，，一般为几十十到几百mA。193、电力场效应应晶体管――电力MOSFET（1）基本特性图2-3电力MOSFET结构图和电路路图形符号20a)转移特性b)输出特性图2-4电力MOSFET的转移特性和和输出特性21（2）主要参数漏极电压UDS漏极直流电流流额定值ID和漏极脉冲电电流峰值IDM漏源通态电阻阻RDS(on)：在栅源间施施加一定电压压（10～15V），漏源间的的导通电阻。。栅源电压UGS：栅源之间的的绝缘层很薄薄，当|UGS|>20V时将导致绝缘缘层击穿。极间电容：MOSFET的3个电极之间分分别存在极间间电容CGS、CGD、CDS。一般生产厂厂商提供的是是漏源极短路路时的输入电电容Ciss、共源极输出出电容Coss和反向转移电电容Crss。Ciss=CGS+CGD（2-1）Crss=CGD（2-2）Coss=CDS+CGD（2-3）224、绝缘栅双极型型晶体管――IGBT（1）基本特性：图2-5IGBT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（一般为为5~15V），IGBT进入导通状态（（通态），当UCE大于一定值（一一般2V左右）时IC>0。优点：驱动功率率小、开关速度度高通流能力强强、耐压等级高高23（2）主要参数最大集射极间电电压BUCES：该参数决定了了器件的最高工工作电压，这是是由内部PNP晶体管所能承受受的击穿电压确确定的。最大集电极电流流ICM：包括在一定壳壳温下的额定直直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。最大集电极功耗耗PCM：在正常工作温温度下允许的最最大耗散功率。。集射极间饱和压压降UCE(sat)：对栅极与发射射极（G－E）间施加一定正正向电压，在一一定的结温及集集电极电流条件件下，集射极（（C－E）间的饱和通态态压降。此压降降在集电极电流流较小时，呈负负温度系数，在在电流较大时，，为正温度系数数，这一特性使使IGBT并联运行较为容容易。24现代电力电子的的应用◆电力电子变换与与控制技术（以以四大变换展开开）◆谐波抑制与功率率因素校正技术术◆电力电子技术的的典型应用案列列25电力电子变换与与控制系统1.主要由AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC四大基本变换及及其组合构成的的主电路拓扑。。2.现代电力电子装装置的控制系统统由微电子器件件（硬件）、控控制策略（软件件）和检测、保保护、驱动等组组成。26四大基本变化电电路AC-DC变换电路DC-DC变换电路DC-AC变换电路AC-AC变换电路272.2AC——DC变换电路交流――直流变换器（AC―DCConverter）的功能是将交交流电变换成直直流电，又称为为整流器。28a、二极管整流电电路――不控整流名称输出电压型输出电流型单相半波单相全波表2-1常用二极管整流流器的主要形式式29单相桥式三相半波三相桥式续表2-130b、晶闸管整流电电路――相控整流名称输出电压型输出电流型单相半波单相全波单相桥式半控表2-2常用晶闸管整流流器的主要形式式31单相桥式全控三相半波三相桥式半控三相桥式全控续表2-232c、PWM整流电路――斩波整流图2-6单相半桥整流器器图2-7单相全桥整流器器33图2-8三相电压型PWM整流器图2-9三相电流型PWM整流器342.3DC/DC变换电路直流――直流变换器（DC－DCConverter）的功能是将一一种直流电变换换为另一种固定定或可调电压的的直流电，又称称为直流斩波器器（DCChopper）。35a、不隔离式单管管DC－DC变换器Buck变换器是一种降压型DC－DC变换电路，输出出电压小于或等等于输入电压，，输入电流断续续。输出电压Uo=DyUin，占空比Dy=ton/Ts＝0～1(下同)。Boost变换器是一种升压型DC－DC变换电路，输出出电压大于输入入电压，VT的占空比Dy必须小于1，输入电流连续续。输出电压Uo=Uin/(1－Dy)。36Buck－Boost变换器一种升降压型DC－DC变换电路，输出出电压大于或小小于输入电压，，输出电压极性性和输入电压极极性相反，输入入电流断续。输输出电压Uo=－DyUin/(1－Dy)。Cúk变换器一种升降压型DC－DC变换电路，输出出电压大于或小小于输入电压，，输出电压极性性和输入电压极极性相反，输入入电流连续。输输出电压Uo=－(Dy/1－Dy)Uin。37Sepic变换器一种升降压型DC－DC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同，输入电流连续。输出电压Uo=(Dy/1－Dy)Uin。Zeta变换器一种升降压型DC－DC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同。输入电流断续。输出电压Uo=(Dy/1－Dy)Uin。38b、隔离型DC－DC变换器单端正激式DC－DC变换电路图2-10单端正激变换器器主电路图2-11正激变换器工作作波形39单端反激式DC－DC变换电路图2-12单端反激式DC-DC变换电路40a)电流连续模式(CCM)b)电流断续模式(DCM)图2-13反激式变换器工工作波形412.4DC－AC变换电路将直流电变换为为交流电的过程程称为逆变换或或DC－AC变换，实现逆变变的主电路称为为DC－AC变换电路。通常常将DC－AC变换电路、控制制电路、驱动及及保护电路组成成的DC－AC逆变电源称为逆逆变器（Inverter）。42a、常用的DC－AC逆变电路电压型单相半桥桥逆变电路直流母线电容滤滤波，直流电压压Ud经C1、C2分压，VT1、VT2交替导通/关断；负载上的的电压幅值为Ud的一半，功率为为全桥逆变器的的四分之一；开开关管VT1、VT2上承受的最大电电压为Ud；控制方式主要要是PWM脉宽调制控制，，移相控制等。。43电压型单相全桥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；加在负载载上的电压幅值值为Ud，输出功率为半半桥逆变器的四四倍；开关管VT1～VT4上承受的最大电电压为Ud；控制方式有单单极、双极式PWM脉宽调制控制，，移相控制，调调频控制等方式式。44电流型单相全桥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；负载上的的电流波形为方方波，幅值为Id；开关管VT1～VT4上承受的电压为为负载上的电压压。负载上的电电压幅值和相位位取决于负载阻阻抗大小和性质质。45电压型三相桥式式逆变电路直流母线电容Cd滤波，负载线电电压幅值为Ud，开关管VT1～VT6上承受的最大电电压为Ud，控制方式有PWM脉宽调制、移相相控制、调频控控制等方式，换换流方式有1800和1200两种。适合4kW以上的三相负载载。46b、归纳DC－AC逆变电路的主要要拓扑形式电压型逆变器电流型逆变器单相半桥逆变器器单相全桥逆变器器三相桥式逆变器器47c、逆变电路的参参数计算电压型单相半桥桥逆变电路的参参数计算逆变器的输入电电压为Ud，输出功率为P，可得通过负载载的电流有效值值为：对于阻感性负载载：选开关管VT1、VT2上的电压定额为为：选开关管VT1、VT2上的电流定额为为：对于电阻性负载载和谐振负载：：（2-4）（2-5）（2-6）（2-7）48电压型单相全桥桥逆变电路的参参数对于阻感性负载载：选开关管VT1、VT2上的电压定额为为：选开关管VT1、VT2上的电流定额为为：对于电阻性负载载和谐振负载：：（2-8）（2-9）（2-10）（2-11）49电流型单相全桥桥逆变电路的参参数计算等效导纳为：在谐振点工作时时，负载为等效效电阻Ro、谐振频率为（2-12）（2-13）50将代代入R0，得开关管VT1、VT2上的电压定额为为开关管VT1、VT2上的电流定额为为其中为逆变器输输入电流，由负负载输出功率P求得（2-17）（2-16）（2-15）（2-14）51电压型三相全桥桥逆变电路的参参数计算对于电阻性负载载对于电阻电感性性负载开关管VT1~VT6上的电流定额为为开关管VT1~VT6上的电压定额为为（2-21）（2-20）（2-19）（2-18）522.5AC－AC变换电电路交流――交流变变换器器（AC－ACConverter）分为为三大大类：：第一类类频频率率不变变仅改改变电电压大大小的的AC－AC电压变变换器器；第二类类直直接接将一一定频频率的的交流流电变变换为为较低低频率率交流流电的的相相控控式AC－AC直接变变换器器；在在直接接变频频的同同时也也可实实现电电压变变换，，实现现降频频降压压变换换；第三类类PWM斩波式式AC--AC变换器器，即即可实实现降降压又又可升升压，，还可可以实实现变变频控控制，，是一一种高高性能能的变变换器器，目目前处处于研研究阶阶段。。53a、单相相全控控AC-AC变换电电路电路特特点：：单相全全控型型电压压控制制器，，是最最基本本的交交流调调压电电路。。图中中2只普通通晶闸闸管（（T1、T2）可由由一只只双向向晶闸闸管取取代，，但有有效电电流定定额需需扩大大约70%。54b、单相相半控控AC-AC变换电电路电路特特点：：节省了了一个个晶闸闸管，，但移移相控控制运运行时时输出出电压压正负负半波波不对对称，，会给给交流流电网网带来来谐波波污染染，不不宜用用于较较大功功率的的调压压控制制场合合。55c、带中中性线线N，星形形联结结电路特特点：：带一根根电源源中性性线，，相当当于三三只单单相晶晶闸管管交流流调压压器的的组合合，适适合带带中线线的星星形平平衡负负载调调压或或调功功。缺缺点是是三相相不平平衡运运行时时，中中线含含有较较大电电流及及谐波波。56d、无中中性线线的三三相连连接电路特特点：：三相负负载可可为星星形、、三角角形联联结，，每相相电路路通过过另一一相形形成回回路。。不对对称运运行时时，Δ形负载载内部部有较较大环环流。。57e、内△联接的的控制制器电路特特点：：反并联联晶闸闸管与与各相相负载载串联联后再再接成成三角角形，，相当当于三三个单单相电电压控控制器器组成成三相相晶闸闸管交交流电电压控控制器器。优优点是是对电电网冲冲击小小，缺缺点是是要求求负载载有6个抽头头。582.6多极复复合形形式的的变换换电路路在众多多电源源变换换器中中AC－DC，DC－DC，DC－AC和AC－AC变换是是四种种最基基本的的电压压或频频率变变换电电路。。在新新能源源发电电技术术的实实际应应用中中，常常将两两个以以上的的基本本变换换电路路组合合在一一起，，构成成多级级复合合形式式的变变换电电路。。591．AC－DC－DC－AC变换电电路（（DC－DC降压型型）图2－15降压型型AC－DC－DC－AC变换电电路602．AC－DC－DC－AC变换电电路（（DC－DC升压型型）图2－16升压型型AC－DC－DC－AC变换电电路613．隔离离式DC－AC－DC变换电电路图2－17隔离式式DC－AC－DC变换电电路624．隔离离式AC－DC－AC－DC变换电电路图2－18隔离式式AC－DC－AC－DC变换电电路632.7半导体体功率率器件件的驱驱动与与保护护电路路实际的的电力力电子子变换换器是是由主主电路路、驱驱动器器及保保护电电路、、控制制电路路、检检测与与显示示电路路等多多个子子系统统构成成。驱驱动器器接受受控制制系统统输出出的控控制信信号，，经功功率放放大和和隔离离后，，驱动动功率率开关关器件件的导导通、、关断断，是是连接接功率率器件件与控控制系系统的的桥梁梁。由由于半半导体体功率率开关关器件件种类类繁多多，不不同的的开关关器件件对驱驱动器器的性性能要要求不不尽相相同，，典型型的驱驱动器器分为为电流驱驱动型型器件件和电压驱驱动型型器件件的两大大类驱驱动器器。电电流驱驱动型型器件件主要要有SCR、GTO和GTR，电压压驱动动型器器件主主要有有MOSFET、IGBT和SIT等。642.7.1晶闸管管SCR触发驱驱动器器图2－19采用变变压器器隔离离的SCR驱动器器图2－20采用光光耦隔隔离的的SCR驱动器器652.7.2IGBT和MOSFET驱动器器和双极极型晶晶体管管（GTR）不同同，功功率MOSFET和IGBT器件都都是属属于电电压驱驱动型型，输输入阻阻抗很很大，，为提提高器器件的的开关关速度度，电电压驱驱动型型器件件的栅栅极驱驱动器器除应应具有有更快快的响响应速速度（（ns级）外外，同同样需需要足足够大大的栅栅极驱驱动能能力（（一般般为＋＋15V）和反反向电电压（（一般般为－－5v），以以保证证瞬时时完成成对等等效栅栅极电电容的的充电电或放放电过过程。。66功率MOSFET和IGBT器件驱驱动器器应用用实例例1．TLP250功率驱驱动电电路及及应用用图2－22TLP250组成的的驱动动电路路672．UC3724/UC3725驱动电电路图2－23UC3724/3725功率MOSFET驱动电电路683．IHD680驱动电电路图2－24IHD680驱动电电路694．MAX4428驱动电电路图2－25MAX4428驱动电电路705．IR2110驱动电路图2－26IR2110驱动电路716．EXB841驱动电路图2－27EXB841内部电路722.7.3功率器件的保保护电路1．过电流保护护电路过电流保护在在电源变换电电路中是一个个很重要的环环节，直接影影响到装置的的可靠性。MOSFET和IGBT的过流允许值值一般为2倍的电流额定定值，IGBT允许过流时间间一般≤20μs，MOSFET允许过流时间间还要小。考考虑到过电流流发生和硬件件保护电路需需要一定的时时间，因此要要求过电流检检测的电流传传感器（一般般用霍尔传感感器）响应速速度要快。除了在驱动电电路中加过流流保护功能外外，还要在整整流电路输出出、逆变电路路输入、负载载回路加过流流检测进行过过流保护。73电流传感器的的安装位置可可选择为：①与直流母线串串联，可以检检测直流母线线后的逆变电电路或负载回回路的过电流流。②与负载串联，，可检测负载载回路的过电电流。③与每一个IGBT串联，可直接接检测IGBT的过电流，但但使用的电流流传感器多，，成本高，一一般不用。图2－28电流传感器的的安装位置742．过电压保护护电路过电压的抑制制方法常利用用电容对电压压冲击的缓冲冲作用，设计计合适的缓冲冲电路吸收du/dt或采用软开关关技术。采用用性能良好的的缓冲电路，，可使功率MOSFET或IGBT工作在较理想想的开关状态态，缩短开关关时间，减少少开关损耗，，对装置的运运行效率、可可靠性、安全全性都有重要要的意义。75典型缓冲吸收收电路实例a)b)c)d)图2－30缓冲电路的主主要形式76第3章风能、风力发发电与控制技技术7778本章主要内容容3.1风的特性及风风能利用3.2风力发电机组组及工作原理理3.3风力发电机组组的控制策略略3.4风力发电机组组的并网运行行和功率补偿偿3.5风力发电的经经济技术性评评价79绪论在新能源发电电技术中，风风力发电是其其中最接近实实用和推广的的一种。风力力发电是一个个综合性较强强的系统，涉涉及空气动力力学、机械、、电机和控制制技术等领域域。风风力发电是在在大量利用风风力提水的基基础上发展起起来的，它首首先起源于丹丹麦，目前丹丹麦已成为世世界上生产风风力发电设备备的大国。20世纪70年代世界连续续出现石油危危机，随之而而来的环境问问题迫使人们们考虑可再生生能源利用问问题，风力发发电很快重新新提上了议事事日程。风力力发电是近期期内最具开发发利用前景的的可再生能源源，也将是21世纪中发展最最快的一种可可再生能源。。80感性认识：各各式风机818283843.1风的特性及风风能利用3.1.1风的产生风是地球上的的一种自然现现象，由太阳阳辐射热和地地球自转、公公转和地表差差异等引起，，大气是这种种能源转换的的媒介。图3-1地球上风的运运动853.1.2风的特性与风风能1、随机性2、风随高度的的变化而变化化不同高度风速速的表达式：：式中ν——距地面高度为为h处的风速（m／s）；ν0——高度为h0处的风速（m／s），一般取h0为10m；k——修正指数，它它取决于大气气稳定度和地地面粗糙度等等，其值约为为0.125～0.5。863.1.3风的表示及应应用1、风向风向一般用16个方位表示，，也可以用角角度表示。图图示方向方位位图图3-2风向方位图872、风速由于风时有时时无、时大时时小，每一瞬瞬时的速度都都不相同，所所以风速是指指一段时间内内的平均值，，即平均风速速。3、风力风力等级是根根据风对地面面或海面物体体影响而引起起的各种现象象，按风力的的强度等级来来估计风力的的大小。国际际上采用的为为蒲福风级，，从静风到飓飓风共分为13个等级。风力等级与风风速的关系：式中VN——N级风的平均风风速(m/s)；N——风的级数。884、风能（1）风能密度，空气在一秒钟钟内以速度ν流过单位面积积产生的动能能。表达式为：（2）风能，空气在一秒秒钟时间内以以速度ν流过面积为S截面的动能。。表达式为：（3）风能利用，风能的利用用主要是将大大气运动时所所具有的动能能转化化为其他形式式的能量。89风能转换及应应用情况如图所示。图3-5风能转换与应应用情况903.2风力发电机组组及工作原理理3.2.1风力发电机组组的结构及分分类1、风力发电机机组的分类风力发电机组组的分类一般般有3种，如下表所所示。91按风轮轴的安安装型式按风力发电机机的功率按运行方式水平轴风力发发电机组和垂垂直轴风力发发电机组微型（额定功功率50～1000W）、小型（额额定功率1.0～10kW）、中型（额额定功率10～100kW）和大型（额额定功率大于于100kW）独立运行和并并网运行922、风力发电机机组的结构风力发电机组组中，水平轴轴式风力发电电机组是目前前技术最成熟熟、产量最大大的形式；垂垂直轴风力发发电机组因其其效率低、需需起动设备等等技术原因应应用较少，因因此下面主要要介绍水平轴轴风力发电机机组的结构。。93（1）独立运行的风风力发电机组组水平轴独立运运行的风力力发电机组主主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支支架、电缆、、充电控制器器、逆变器、、蓄电池组等等组成，其主主要结构见右右图。图3-6水平轴独立运运行的风力发发电机组主要要结构94并网运行的水水平轴式风力力发电机组由由风轮、增速速齿轮箱、发发电机、偏航航装置、控制制系统、塔架架等部件组成成，其结构如如右图所示（2）并网运行行的风力发电电机组图3-7并网运行的水水平轴风力发发电机组的原原理框图95并网运行的大大型风力发电电机组的基本本结构，它由由叶片、轮毂毂、主轴、增增速齿轮箱、、调向机构、、发电机、塔塔架、控制系系统及附属部部件（机舱、、机座、回转转体、制动器器）等组成，，结构如右图图。（3）大型风力力发电机组图3-8大型风力发电电机组的基本本结构963.2.2风力机风力机又称为为风轮，主要要有水平轴风风力机和垂直直轴风力机。。1、水平轴风力力机：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972、垂直轴风力机机：a.萨窝纽斯式b.达里厄式c.旋翼式图-10垂直轴风力机98水平轴垂直轴993.2.3风力机的气动原原理风力发电机组中中的风轮之所以以能将风能转化化为机械能，原原因是因为风力力机具有特殊的的翼型。图示为为现代风力机叶叶片的翼型及翼翼型受力分析图图。图3-11风力机的叶片翼翼型及受力100现分析风轮不动动时受到风吹的的情况：当风以速度矢量量ν吹向叶片时，在在翼型的上表面面，风速减小，，形成低压区，，翼型的下表面面，风速增大，，形成高压区，，上下表面间形形成压差，产生生垂直于翼弦的的力F，力F可以分解为与相相对风速方向平平行的阻力FD和垂直于风向的的升力FL，升力使风力机机旋转，实现能能量的转换。101风力机的输出功功率当风吹向风力机机的叶片时，风风力机的主要作作用是将风能转转化为机械能，，风力机的机械械输出功率可用用式子表示为：：102对应于最大的风风力机利用系CPm有一个叶尖速比比λm，因风速经常变变化，为实现风风能的最大捕获获，风力机应变变速运行，以维维持叶尖速比λm不变。在桨距角一定时时，CP与叶尖速比λ的关系如下图所所示。图3-13风力机的利用系系数与叶尖速比比的关系1033.2.4风力发电机在由机械能转换换为电能的过程程中，发电机及及其控制器是整整个系统的核心心。独立运行的风力力发电机组中所所用的发电机主主要有直流发电电机、永磁式交交流发电机、硅硅整流自励式交交流发电机及电电容式自励异步步发电机。并网网运行的风力发发电机机组中使使用的发电机主主要有同步发电电机、异步发电电机、双馈发电电机、低速交流流发电机、无刷刷双馈发电机、、交流整流子发发电机、高压同同步发电机及开开关磁阻发电机机等。1041、独立运行风风力发电机组中中的发电机独立运行的风力力发电机一般容容量较小，与蓄蓄电池和功率变变换器配合实现现直流电和交流流电的持续供给给。独立运行的的交流风力发电电系统结构如下下图所示。图3-14独立运行的交流流风力发电机系系统结构105（1）直流发电机直流发电机从磁磁场产生（励磁磁）的角度来分分，可分为永磁磁式直流发电机机和电磁式直流流发电机，典型型结构如图示。。直流发电机可可直接将电能送送给蓄电池蓄能能，可省去整流流器，随着永磁磁材料的发展及及直流发电机的的无刷化，永磁磁直流发电机的的功率不断做大大，性能大大提提高，是一种很很有发展前途的的发电机。图3-15电磁式直流发电电机结构106（2）永磁式交流同同步发电机永磁式交流同步步发电机的转子子上没有励磁绕绕组，因此无励励磁绕组的铜损损耗，发电机的的效率高；转子子上无集电环，，发电机运行更更可靠；采用钕钕铁硼永磁材料料制造的发电机机体积小，重量量轻，制造工艺艺简便，因此广广泛应用于小型型及微型风力发发电机中。图3-17凸极式永磁发电电机结构示意图图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107（3）硅整流自励式式交流同步发电电机如下图，硅整流流自励式交流同同步发电机电路路原理图。硅整流自励式交交流同步发电机机一般带有励磁磁调节器，通过过自动调节励磁磁电流的大小，，来抵消因风速速变化而导致的的发电机转速变变化对发电机端端电压的影响，，延长蓄电池的的使用寿命，提提高供电质量。。图3-18硅整流自励式交交流同步发电机机电路原理图108（4）电容自励式异异步发电机电容自励式异步步发电机是在异异步发电机定子子绕组的输出端端接上电容，以以产生超前于电电压的容性电流流建立磁场，从从而建立电压。。其电路示意图图如下图所示。。图3-19电容自励式异步步发电机电路原原理109并网运行的风力力发电机组中所所用的发电机（1）异步发电机风力异步发电机机并入电网运行行时，只要发电电机转速接近同同步转速就可以以并网，对机组组的调速要求不不高，不需要同同步设备和整步步操作。异步发发电机的输出功功率与转速近似似成线性关系，，可通过转差率率来调整负载。。（2）同步发电机当发电机的转速速一定时，同步步发电机的频率率稳定，电能质质量高；同步发发电机运行时可可通过调节励磁磁电流来调节功功率因数，既能能输出有功功率率，也可提供无无功功率，可使使功率因数为1，因此被电力系系统广泛接受。。110111（3）双馈异步发电电机双馈异步发电机机是当今最有发发展前途的一种种发电机，其结结构是由一台带带集电环的绕线线转子异步发电电机和变频器组组成，变频器有有交－交变频器器、交－直－交交变频器及正弦弦波脉宽调制双双向变频器三种种，系统结构如如下图所示。图3-25双馈异步发电机机的系统结构112113双馈异步发电机机工作原理：异步发电机中定定、转子电流产产生的旋转磁场场始终是相对静静止的，当发电电机转速变化而而频率不变时，，发电机转子的的转速和定、转转子电流的频率率关系可表示为为：式中f1——定子电流的频率率（Hz），f1=pn1/60，n1为同步转速；p——发电机的极对数数；n——转子的转速（r/min）；f2——转子电流的频率率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差频率率。114根据双馈异步发发电机转子转速速的变化，双馈馈异步发电机可可以有三种运行行状态：1）亚同步运行状状态。此时n<n1，转差率s>0，频率为f2的转子电流产生生的旋转磁场的的转速与转子转转速同方向，功功率流向如图所所示。1152）超同步运行状状态。此时n>n1，转差率s<0，转子中的电流流相序发生了改改变，频率为f2的转子电流产生生的旋转磁场的的转速与转子转转速反方向，功功率流向如图所所示。3）同步运行状态态。此时n=n1，f2=0，转子中的电流流为直流，与同同步发电机相同同。116双馈异步发电机机的转子通过双双向变频器与电电网连接，可实实现功率的双向向流动，功率变变换器的容量小小，成本低；既既可以亚同步运运行，也可以超超同步运行，因因此调速范围宽宽；可跟踪最佳佳叶尖速，实现现最大风能捕获获；可对有功功功率和无功功率率进行控制，提提高功率因数；；能吸收阵风能能量，减小转矩矩脉动和输出功功率的波动，因因此电能质量高高，是目前很有有发展潜力的变变速恒频发电机机。117（4）无刷双馈异步步发电机无刷双馈异步发发电机(BrushlessDoubly－FedMachine，简称BDFM)的基本原理与双双馈异步发电机机相同，不同之之外是取消了电电刷和集电环，，系统运行的可可靠性增大，但但系统体积也相相应增大，常用用的有级联式和和磁场调制型两两种类型。图3-27级联式无刷双馈馈异步发电机图3-28磁场调制型无刷刷双馈异步发电电机118（5）开关磁阻发电电机开关磁阻发电机机又称为双凸极极式发电机（简简称SRG），定、转子的的凸极均由普通通硅钢片叠压而而成，定子极数数一般比转子的的极数多，转子子上无绕组，定定子凸极上安放放有彼此独立的的集中绕组，径径向独立的两个个绕组串联起来来构成一相。图3-29三相（6/4极）开关磁阻发发电机结构119开关磁阻发电机机用作为风力发发电机时，其系系统一般由风力力机、开关磁阻阻发电机及其功功率变换器、控控制器、蓄电池池、逆变器、负负载以及辅助电电源等组成，其其系统构成如图图所示。开关磁阻发电机机的结构简单，，控制灵活，效效率高而且转矩矩密度大，在风风力发电系统中中可用于直接驱驱动、变速运行行，有一定的开开发、研究价值值。图3-30开关磁阻风力发发电机系统的构构成1203.3风力发电机组的的控制策略与一般工业控制制系统不同，风风力发电机组的的控制系统是一一个综合性复杂杂控制系统。尤尤其是对于并网网运行的风力发发电机组，控制制系统不仅要监监视电网、风况况和机组运行数数据，对机组进进行并网与脱网网控制，以确保保运行过程的安安全性和可靠性性，还需要根据据风速和风向的的变化，对机组组进行优化控制制，以提高机组组的运行效率和和发电质量，而而这正是风力发发电机组控制中中的关键技术，，现代风力发电电机组一般都采采用微机控制，如下图所示。1212－A/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－液压调速油缸缸11－调向电机12－其他传感器图3-32风力发电机组的的微机自控原理理框图1223.3.1风力发电电的特点点及控制制要求风力发电电系统控控制的目目标主要要有四个个：保证系统统的可靠靠运行、、能量利利用率最最大、电电能质量量高、机机组寿命命延长。。风力发电电系统常常规的控控制功能能有七个个：①在运行行的风速速范围内内，确保保系统的的稳定运运行；②低风速速时，跟跟踪最佳佳叶尖速速比，获获取最大大风能；；③高风速速时，限限制风能能的捕获获，保持持风力发发电机组组的输出出功率为为额定值值；④减小阵阵风引起起的转矩矩波动峰峰值，减减小风轮轮的机械械应力和和输出功功率的波波动，避避免共振振；123⑤减小功功率传动动链的暂暂态响应应；⑥控制器器简单，，控制代代价小，，对一些些输入信信号进行行限幅；；⑦调节机机组的功功率，确确保机组组输出电电压和频频率的稳稳定。为实现上上述所要要求的部部分或全全部控制制功能，，风力发发电机组组的控制制技术经经历了三三个主要要发展阶阶段：从从最初的的定桨距距失速恒恒频控制制到后来来的变桨桨距恒速速恒频控控制，目目前主要要发展变变桨距或或定桨距距变速恒恒频控制制。1243.3.2并网型风风力发电电机的功功率调节节控制风力机的的功率调调节方式式有定桨桨距失速速调节、、变桨距距调节和和主动失失速调节节三种。1、定桨距距失速调调节定桨距失失速调节节一般用用于恒速速控制，，其风力力机的结结构特点点是：桨桨叶与轮轮毂的连连接是固固定的，，桨距角角固定不不变，当当风速变变化时，，桨叶的的迎风角角度不能能随之变变化。在在风速超超过额定定风速后后利用桨桨叶翼型型本身的的失速特特性，维维持发电电机组的的输出功功率在额额定值附附近。125定桨距失失速控制制的优点点是失速速调节简简单可靠靠，由风风速变化化引起的的输出功功率的控控制只通通过桨叶叶的被动动失速调调节实现现，没有有功率反反馈系统统和变桨桨距机构构，使控控制系统统大为简简化，整整机结构构简单、、部件小小、造价价低。其其缺点是是叶片重重量大、、成形工工艺复杂杂，桨叶叶、轮毂毂、塔架架等部件件受力较较大，机机组的整整体效率率较低。。2、变桨距距风力发发电机组组的调节节与控制制变桨距风风力机的的整个叶叶片可以以绕叶片片中心轴轴旋转，，使叶片片的攻角角在一定定范围（（0～90º）变化，，变桨距距调节是是指通过过变桨距距机构改改变安装装在轮毂毂上的叶叶片桨距距角的大大小，使使风轮叶叶片的桨桨距角随随风速的的变化而而变化，，一般用用于变速速运行的的风力发发电机，，主要目目的是改改善机组组的起动动性能和和功率特特性。126（1）根据其其作用可可分为三三个控制制过程：：起动时时的转速速控制，，额定转转速以下下（欠功功率状态态）的不不控制和和额定转转速以上上（额定定功率状状态）的的恒功率率控制。。a.起动时的的转速控控制变距风轮轮的桨叶叶在静止止时，桨桨距角β为90º，当风速速达起动动风速时时，桨叶叶向0º方向转动动，直到到气流对对桨叶产产生一定定的攻角角，风力力机获得得最大的的起动转转矩，实实现风力力发电机机的起动动b.额定转速速以下（（欠功率率状态））的控制制为了改善善低风速速时的桨桨叶性能能，近几几年来，，在并网网运行的的异步发发电机上上，利用用新技术术，根据据风速的的大小调调整发电电机的转转差率，，使其尽尽量运行行在最佳佳叶尖速速比上，，以优化化功率输输出。127c.额定转速速以上（（额定功功率状态态）的恒恒功率控控制当风速过过高时，，通过调调整桨叶叶节距，，改变气气流对叶叶片的攻攻角，使使桨距角角β向迎风面面积减小小的方向向转动一一个角度度，β增大，功功角α减小，如如图所示示。从而而改变风风力发电电机组获获得的空空气动力力转矩，，使功率率输出保保持在额额定值附附近，这这时风力力机在额额定点的的附近具具有较高高的风能能利用因因数。128a）变桨距风风力发电电机组的的功率曲曲线b）定桨距距风力发发电机组组的功率率曲线由图可见见，在额额定风速速以下，，两者相相似，但但在额定定风速以以上，变变桨距风风力发电电机的输输出功率率维持恒恒定，而而定桨距距风力发发电机组组的输出出功率由由于风力力机的失失速当风风速增大大时而减减小。1293、变桨距距风力发发电机组组的控制制系统传统的变变桨距风风力发电电机组的的控制系系统框图图如图所所示。在在起动时时实现转转速控制制，由速速度控制制器起作作用，起起动结束束后，在在额定风风速以下下，转速速环开环环，系统统不进行行控制。。当风速速达到或或超过额额定风速速时，切切换到功功率控制制，功率率控制器器根据给给定与反反馈的功功率信号号比较后后进行功功率控制制，以维维持额定定功率不不变。图3-38传统的变变桨距风风力发电电机组的的控制系系统框图图130新型控制制系统与与传统控控制系统统的主要要区别是是采用了了两个速速度控制制器及增增加了转转子电流流的控制制。其中中一个速速度控制制器的作作用与传传统的速速度控制制器相同同，既起起动时和和同步转转速附近近的转速速控制。。另一个速速度控制制器的作作用是在在并网后后，和功功率控制制器一起起通过转转子电流流的控制制实现电电机转差差即转速速的控制制。带转转子电流流控制器器的绕线线转子异异步发电电机的系系统结构构如图所所示。图3-39带转子电电流控制制器的绕绕线转子子异步发发电机的的系统结结构131转子电流流控制器器安装在在绕线转转子异步步发电机机的转子子轴上，，通过集集电环与与转子电电路相连连，转子子电路中中外接三三相电阻阻，通过过一组电电力电子子器件来来调整转转子回路路电阻，，从而调调节发电电机的转转差率，，实现调调速的目目的，其其控制系系统原理理如下图图所示。。图中的开开关S代表机组组启动并并网前的的控制方方式，为为转速闭闭环控制制；开关关R代表机组组并网后后的控制制方式，，为功率率闭环控控制；RCC为异步发发电机的的转子电电流控制制器。132图3-40转差可调调异步发发电机控控制原理理框图133变速恒频频风力发发电机组组的调节节与控制制1、原理变速恒频频是指发发电机的的转速随随风速变变化，通通过适当当的控制制得到输输出频率率恒定的的电能。。2、特点1.可大范围围的调节节转速，，使功率率系数保保持在最最佳值，，从而最最大限度度地吸收收风能，，系统效效率高；；2.能吸收和和存贮阵阵风能量量，减少少阵风冲冲击对风风力发电电机产生生的疲劳劳损坏、、机械应应力和转转矩脉动动，延长长机组寿寿命，减减少噪声声；3.可以控制制有功功功率和无无功功率率，电能能质量高高。1343、调节控控制过程程(1)起动时通通过调节节桨距控控制发电电机的转转速，使使发电机机转速在在同步转转速附近近，寻找找最佳时时机并网网；(2)并网后，，在额定定风速以以下，通通过调节节发电机机的电磁磁制动转转矩使发发电机转转子的转转速跟随随风速的的变化，，保持最最佳叶尖尖速比，，确保风风能的最最大捕获获，表现现为跟踪踪控制问问题；(3)在额定风风速以上上，采用用发电机机转子变变速和桨桨叶节距距双重调调节，利利用风轮轮转速的的变化，，存贮或或释放部部分能量量，限制制风力机机获取能能量，提提高传动动系统的的柔性，，使风力力发电机机保持在在额定值值下发电电，保证证发电机机输出功功率的更更加平稳稳。1354、变速恒恒频风力力发电机机的基本本结构和和主要类类型(1)笼型异步步发电机机变速恒恒频风力力发电系系统不足：系系统的成成本和体体积较大大，在大大容量发发电机组组中难以以实现；；需加电电容补偿偿装置，，其电压压和功率率因数的的控制较较难。136(2)同步发电电机变速速恒频风风力发电电系统特点：变变频器容容量较大大，但其其控制比比笼型异异步发电电机简单单，可通通过转子子励磁电电流的控控制来实实现转矩矩、有功功功率和和无功功功率的控控制。137(3)双馈异步步发电机机变速恒恒频风力力发电系系统特点：大大大降低低了变频频器的成成本和控控制难度度；定子子直接上上网，系系统具有有很强的的抗干扰扰性和稳稳定性；；通过改改变转子子电流的的相位和和幅值来来调节有有功功率率和无功功功率。。缺点是是发电机机仍有电电刷和集集电环，，工作可可靠性受受影响。。图3-45双馈异异步发发电机机变速速恒频频风力力发电电系统统138(4)无刷双双馈异异步发发电机机变速速恒频频风力力发电电系统统特点：：变频频器的的容量量较小小；除除实现现变速速恒频频控制制外，，还可可以实实现有有功功功率和和无功功功率率的灵灵活控控制，，以补补偿电电网的的功率率因数数；发发电机机上无无电刷刷和集集电环环，系系统运运行的的可靠靠性增增大。。但发发电机机结构构和控控制器器较复复杂图3-46无刷双双馈异异步发发电机机变速速恒频频风力力发电电系统统1395、变速速恒频频风力力发电电系统统的控控制策策略变速恒恒频风风力发发电系系统的的基本本控制制策略略一般般确定定为：：①低于于额定定风速速时，，跟踪踪最大大风能能利用用系数数，以以获得得最大大能量量；②高于于额定定风速速时，，跟踪踪最大大功率率，并并保持持输出出功率率稳定定。140(1)转速控控制策策略一般通通过控控制发发电机机的电电磁转转矩实实现转转速的的控制制，图图为最最佳转转矩－－转速速曲线线。141为实现现对最最佳转转矩—转速曲曲线的的跟踪踪，一一般有有间接接速度度控制制和直直接速速度控控制两两种方方法，，分别别如下下图所所示。。图3-48a)间接速速度控控制策策略142图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两两种方方法：：①控制制发电电机的的电磁磁转矩矩来改改变发发电机机的转转速，，从而而改变变风轮轮的叶叶尖速速比，，维持持功率率不变变；②改变变桨叶叶节距距角来来改变变空气气动力力转矩矩；或或将两两种方方法结结合起起来，，以改改善性性能。。144图3-49功率控控制系系统总总框图图145图3-50改变桨桨叶节节距角角的控控制系系统图图1466、双馈馈异步步发电电机变变速恒恒频风风力发发电系系统的的控制制实现变变速恒恒频的的方法法很多多，其其中双双馈异异步发发电机机的方方案最最具优优势。。双馈馈异步步发电电机系系统中中的变变频器器采用用双PWM变频器器，发发电机机根据据风力力机转转速的的变化化调节节转子子励磁磁电流流的频频率，，实现现恒频频输出出；再再通过过矢量量变换换控制制实现现发电电机的的有功功和无无功功功率的的独立立调节节，进进而控控制发发电机机组的的转速速实现现最佳佳风能能的捕捕获。。采用用矢量量控制制技术术的双双馈异异步发发电机机变速速恒频频风力力发电电系统统的结结构图图如图图所示示，图图中DFIG为双馈馈异步步发电电机的的简称称。147图3-51采用矢矢量控控制技技术的的双馈馈异步步发电电机变变速恒恒频风风力发发电系系统的的结构构148图3-52由IGBT电力电电子器器件组组成的的双PWM变频器器的主主电路路1497、风力力发电电系统统的智智能控控制(1)模糊控控制模糊控控制可可将专专家的的经验验和知知识表表示为为语言言规划划用于于控制制器的的设计计，不不需要要被控控对象象精确确的数数学模模型，，能克克服非非线性性因素素的影影响，，对被被控对对象的的参数数具有有较强强的鲁鲁棒性性，非非常适适用于于风力力发电电系统统的控控制。。对于变变速恒恒频控控制的的风力力发电电系统统，可可针对对机组组的不不同状状态设设计相相应的的模糊糊控制制器，，以达达到最最大风风能捕捕获和和功率率稳定定的控控制，，图为为模糊糊逻辑辑控制制器框框图。。150图3-57模糊逻逻辑控控制器器框图图R—给定值值E—偏差U—控制器器Y—被控制制量151(2)模型参参考自自适应应控制制针对风风力发发电系系统的的复杂杂性、、不确确定性性、不不稳定定性和和模型型很难难建立立的特特点，，采用用模型型参考考自适适应控控制，，通通过参参考模模型的的建立立和自自适应应机构构进行行控制制器参参数的的适时时修正正来降降低不不确定定性对对系统统的影影响，，实现现风力力发电电机组组的转转速和和功率率的控控制。。模型参参考自自适应应控制制系统统的结结构如如图所所示，，152图3-58模型参参考自自适应应控制制系统统ωopt为希望望转速速，ω为发电电机的的实际际转速速，ωw为风力力机的的转速速，υ为风速速，ω*为参考考转速速，e为参考考转速速与发发电机机实际际转速速之间间的偏偏差153除了上上述的的二种种智能能控制制方法法外，，还有有神经经网络络控制制、滑滑模变变结构构控制制、H∞控制等等新型型的智智能控控制方方法在在风力力发电电系统统的控控制中中也有有一定定的应应用研研究，，随着着新技技术的的发展展和人人们对对风力力发电电的重重视，，风力力发电电的控控制技技术会会得到到更大大的发发展。。154(3)神经网网络控控制人工神神经网网络具具有可可任意意逼近近任何何非线线性模模型的的非线线性映映射能能力，，利用用其学学习和和自收收敛性性可设设计自自适应应控制制器，，可提提高系系统的的控制制精度度，增增强系系统对对环境境的适适应能能力，，因此此在风风力发发电系系统中中也有有相应应的应应用研研究。。神经经网络络控制制还可可以与与模糊糊控制制相结结合，，设计计成模模糊神神经网网络控控制器器来控控制风风力发发电机机组。。除了上述的三种种智能控制方法法外，还有滑模模变结构控制、、H∞控制等新型的智智能控制方法在在风力发电系统统的控制中也有有一定的应用研研究，随着新技技术的发展和人人们对风力发电电的重视，风力力发电的控制技技术会得到更大大的发展。1553.4风力发电机组的的并网技术和功功率补偿由于风能是一个个不稳定的能源源，风力发电本本身难以提供稳稳定的电能输出出，因此风力发电必必须采用储能装装置或与其他发发电装置互补运运行。10kW以下的小型风力力发电机组主要要采用直流发电电系统并配合蓄蓄电池储能装置置独立运行。为解决风力发电电稳定供电的问问题，目前一般般采用的方法是是：1000kW以上的大型风力力发电机组并网网运行；几十kW～几百kW的风力发电机组组可以并网运行行，或者与其他发电装置互互补运行（如风风光互补、风力力－柴油发电联合运行）；156大中型风力发电电机组主要是并并网运行，由于于发电机并网过过程是一个瞬变变过程，它受制制于并网前的发发电状况，影响响并网后发电机机的运行和电网网电能质量，在在并网运行方式式中主要解决的的问题是并网控控制和功率调节节问题。对并网网运行的不同风风力发电机组其其控制方法和控控制重点不同。。1573.4.1风力同步发电机机组的并网运行行和功率补偿同步发电机的转转速和频率之间间有着严格不变变的固定关系，，同步发电机在运运行过程中，可可通过励磁电流流的调节，实现现无功功率的补补偿