风力发电基础课件

1、1 风力机能量转换过程风力机能量转换过程2 翼型的空气动力学翼型的空气动力学单元六单元六 风力发电基本理论风力发电基本理论3 叶片基本理论叶片基本理论4 变流技术变流技术风力发电基础理论风力发电基础理论气流动能为：气流动能为：一、风力发电机机能量转换过程一、风力发电机机能量转换过程221mve 321sve m-空气质量，空气质量，v -气流速度气流速度单位时间内气流流过截面积为单位时间内气流流过截面积为s的气体所具有的动能为：的气体所具有的动能为：1.风能的计算风能的计算 在国际单位制中，在国际单位制中， 的单位是的单位是 kg/m3； 的单位是的单位是m/s， 的单位是的单位是w。 ve

2、风能的大小与风能的大小与气流密度气流密度和通过的和通过的面积面积成正比，与成正比，与气流速气流速度的立方度的立方成正比。其中成正比。其中 和和 是随地理位置、海拔、地形是随地理位置、海拔、地形等因素而变。等因素而变。 v重播重播风力发电机基础理论风力发电机基础理论2.理想风轮与贝兹理想风轮与贝兹(betz)理论理论s s1v v1s sv vs s2v v2假设条件：假设条件：1）气体通过风轮时没有阻力；）气体通过风轮时没有阻力；2）气流经过风轮扫掠面时是均匀的；）气流经过风轮扫掠面时是均匀的；3）气流通过风轮前后的速度为轴向方向。）气流通过风轮前后的速度为轴向方向。因此：因此：前后空气体积相

3、等：前后空气体积相等：s1v1=sv=s2v2风力发电机基础理论风力发电机基础理论2.理想风轮与贝兹理想风轮与贝兹(betz)理论理论s s1v v1s sv vs s2v v2假设条件：假设条件：1）气体通过风轮时没有阻力；）气体通过风轮时没有阻力；2）气流经过风轮扫掠面时是均匀的；）气流经过风轮扫掠面时是均匀的；3）气流通过风轮前后的速度为轴向方向。）气流通过风轮前后的速度为轴向方向。因此：因此：前后空气体积相等：前后空气体积相等：s1v1=sv=s2v2风力发电机基础理论风力发电机基础理论s s1v v1s sv vs s2v v2单位时间内风轮上的受力：单位时间内风轮上的受力：f= m

4、v= mv1-mv-mv2)(21vvsv 风轮吸收的功率：风轮吸收的功率：)(212vvsvfvp 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化：风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化：)(212221vvsvep 221vvv 221vvv )(41212221vvvvsp 求其最大功率可令求其最大功率可令 得得 ，0dd2 vp1231vv 31max278svp 593. 02716)27/8(312131maxmax vsvsep s s1v v1s sv vs s2v v22.理想风轮与贝兹理想风轮与贝兹(betz)理论理论经过风轮风速变化产生的功率为经过风轮风速

5、变化产生的功率为：风力机的理论最大效率：风力机的理论最大效率：贝兹理贝兹理论的极论的极限值限值最大理想功率为：最大理想功率为： 风力发电机从自然风中所能索取的能量是有限的，其风力发电机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分为留在尾流中的旋转动能。功率损失部分为留在尾流中的旋转动能。风力发电机基础理论风力发电机基础理论psscvp3121 3.风力机的主要特性系数风力机的主要特性系数vrvrn 20.200.10.30.40.51310241568切出风速12141618切入风速额定风速26109875431恒定功率cp1) 风能利用系数风能利用系数 ：pc风力机的实际功率风力机的实际

6、功率：593. 0pc2) 叶尖速比叶尖速比 ： 表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量与风速比来衡量风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度 且且风轮的转速，单位风轮的转速，单位: r/sn 风轮角频率风轮角频率，单位单位: rad/sr风轮半径风轮半径，单位单位: mv上游风速上游风速，单位单位: m/s风力发电机基础理论风力发电机基础理论3.风力发电机的主要特性系数风力发电机的主要特性系数3) 转矩系数转矩系数 ：tc气流作用下的风轮机产生的转矩气流作用下的风轮机产生的转矩 srvtsrvtc

7、t22221 4) 推力系数推力系数 ：fc气流作用下的风轮机产生的推力气流作用下的风轮机产生的推力 svfsvfcf22221 风力发电机基础理论风力发电机基础理论实际实际4.动量定理动量定理风力发电机基础理论风力发电机基础理论593. 02716)27/8(312131maxmax vsvsep 风力机的理论最大效率：风力机的理论最大效率：s1v1svs2v2理想理想4.动量定理动量定理风力发电机基础理论风力发电机基础理论作用在风轮平面作用在风轮平面d dr r 圆环上的轴向力圆环上的轴向力( (推力推力) ) 21ddvvmfrvrsvmd2ddrraavfd14d21a = va /v

8、 1 rrraavff021d14d作用在整个风轮上作用在整个风轮上的轴向力的轴向力( (推力推力) ) 作用在风轮平面作用在风轮平面d dr r 圆环上的转矩圆环上的转矩rrvrvmtttd2dd32b实际实际rrrabvtt031d14d作用在整个风轮作用在整个风轮上的转矩上的转矩 4.动量定理动量定理风力发电机基础理论风力发电机基础理论rrraavff021d14d作用在整个风轮上作用在整个风轮上的轴向力的轴向力( (推力推力) ) 作用在风轮平面作用在风轮平面d dr r 圆环上的转矩圆环上的转矩rrvrvmtttd2dd32b作用在整个风轮作用在整个风轮上的转矩上的转矩 rrrabv

9、tt031d14d实际实际4.动量定理动量定理风力发电机基础理论风力发电机基础理论rrraavff021d14d作用在整个风轮上作用在整个风轮上的轴向力的轴向力( (推力推力) ) 作用在整个风轮作用在整个风轮上的转矩上的转矩 rrrabvtt031d14d风轮轴功率风轮轴功率rrrabvtpp0312d14ddrrrabsv0331d121风轮功率系数风轮功率系数 rprrabrc0342d18实际实际风力发电机基础理论风力发电机基础理论一般旋转尾迹的这部一般旋转尾迹的这部分动能将随转子力矩分动能将随转子力矩的增大而增加。所以，的增大而增加。所以，低转速风轮（小转速、低转速风轮（小转速、大转

10、矩）大转矩）要比要比高转速高转速（低转矩）（低转矩）产生大的产生大的尾迹旋转损失。（功尾迹旋转损失。（功率不变）率不变）叶片的几何参数叶片的几何参数叶片长度叶片长度是叶是叶片展向方向上片展向方向上的最大长度的最大长度 叶片弦长叶片弦长是叶片各剖是叶片各剖面处面处翼型的弦长翼型的弦长。用。用c c（或或l）来表示来表示 1. 叶片的几何参数叶片的几何参数 叶片是风轮的主要部件，是机组捕捉风能部件，叶片是风轮的主要部件，是机组捕捉风能部件，叶片的横向剖面叫翼型叶片的横向剖面叫翼型。叶片的几何参数叶片的几何参数1) 叶片的翼型叶片的翼型l2. 翼型的几何参数与气流角翼型的几何参数与气流角 0 i风向

11、风向v叶片的几何参数叶片的几何参数弦长弦长攻角攻角升力升力角角零升零升力角力角攻角：来流方向与弦长线的夹角攻角：来流方向与弦长线的夹角升力角：升力角：来流方向与零升力线夹角来流方向与零升力线夹角零升力角：零升力角：弦长线与零升力线夹角弦长线与零升力线夹角弦长：弦长：两端点连两端点连线方向上翼型的线方向上翼型的最大长度最大长度a前缘前缘b后缘后缘1) 叶片的翼型叶片的翼型2. 翼型的几何参数与气流角翼型的几何参数与气流角叶片的几何参数叶片的几何参数最大最大厚度厚度 最大厚度最大厚度：即弦长法线方向之翼型最大厚度：即弦长法线方向之翼型最大厚度 ablcf翼型中线翼型中线最大弯度最大弯度 弯度：弯度

12、：翼型中线与弦长翼型中线与弦长间的距离。间的距离。 翼型翼型中线中线 升力如何产生？升力如何产生？叶片的几何参数叶片的几何参数v升力与阻力升力与阻力(d为阻力，为阻力，l为升力为升力 ) 平板与气流平板与气流方向垂直时方向垂直时的情况，此的情况，此时平板受到时平板受到的的阻力最大阻力最大，升力为零，升力为零 当平板与气流方向有当平板与气流方向有夹角夹角时，在平板的向风面会受到时，在平板的向风面会受到气流的压力，在平板的下风面会形成低压区，平板两气流的压力，在平板的下风面会形成低压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力面的压差就产生了侧向作用力f，该力可分解为阻力，该力可分解为阻力d与升力与升力l

13、。 当夹角较小时，平板受到的阻力当夹角较小时，平板受到的阻力d较小；此时平板较小；此时平板受到的作用力主要是升力受到的作用力主要是升力l。 截面为流线型的翼片阻力很小，即使与气流方向平截面为流线型的翼片阻力很小，即使与气流方向平行也会有升力行也会有升力，因为翼片上方气流速度比下方快，因为翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。小，翼片就受到向上的升力作用。叶片的几何参数叶片的几何参数 压力中心压力中心即即气动合力的气动合力的作用点，作用点，是是合力作用线与翼合力作用线与翼弦的交点。弦的交点。

14、作用在压力中心作用在压力中心上的只有升力与阻力，而无上的只有升力与阻力，而无力矩力矩。 压力中心的位置通常用压力中心的位置通常用距前缘的距前缘的 距离表示，大多数距离表示，大多数普通翼型的气动中心位于普通翼型的气动中心位于0.25倍倍弦长处。弦长处。压力中心（又称气动中心）压力中心（又称气动中心）vab2) 叶片上的气动力叶片上的气动力221svcfr 总的气动力总的气动力，c cr r总气动系数总气动系数c221svcfll 221svcfdd 升力：升力：与气流方向垂直与气流方向垂直 c cl升力系数升力系数阻力：阻力：与气流方向平行与气流方向平行 c cd d阻力系数阻力系数221slv

15、cmm 相对前缘点由相对前缘点由f f产生的产生的力矩力矩 c cd d、c cl是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。的原始依据。叶片的几何参数叶片的几何参数2. 翼型的几何参数和气流角翼型的几何参数和气流角压力压力中心中心前缘前缘后缘后缘ilcdc2.升力和阻力的变化曲线升力和阻力的变化曲线-30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40omiminlc对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造成阻力增加。对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造成阻力增加。叶片的几何参数叶片的几何参数0.80.60.40.2-0.2升力系

16、数与阻力系数是随升力系数与阻力系数是随攻角攻角变化的变化的升力系数随攻角的增加而增升力系数随攻角的增加而增加，使得桨叶的升力增加，加，使得桨叶的升力增加，但但当增加到某个角度后升力开始当增加到某个角度后升力开始下降；阻力系数开始上升。下降；阻力系数开始上升。失速点失速点截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。度等都会影响升力系数与阻力系数。翼型几何参数对翼型空气动力特性的影响翼型几何参数对翼型空气动力特性的影响前缘半径的影响前缘半径的影响它对翼型的最它对翼型的最大升力系数有大升力系数有重要影响：雷重要影

17、响：雷诺数为诺数为9106，翼型的最大升翼型的最大升力系数力系数clmax变变化图可知：化图可知：前前缘半径较大时，缘半径较大时，翼型有更高的翼型有更高的最大升力系数。最大升力系数。相对厚度的影响相对厚度的影响翼型相对厚度对翼型最大升力系数翼型相对厚度对翼型最大升力系数clmax的影响图的影响图同一翼型系列中，同一翼型系列中，当当相对厚度增加时，将相对厚度增加时，将使最小阻力增大。使最小阻力增大。另另外，最大厚度的位置外，最大厚度的位置靠后时，可以减小最靠后时，可以减小最小阻力。小阻力。相对厚度对相对厚度对俯仰力矩系数的影响俯仰力矩系数的影响很小。很小。弯度的影响弯度的影响一般情况下，一般情况

18、下，增加弯度可以增大翼型的最大升力系数增加弯度可以增大翼型的最大升力系数clmax ，特，特别是对前缘钝度较小和较薄的翼型尤为明显。另外，别是对前缘钝度较小和较薄的翼型尤为明显。另外，当最大弯度当最大弯度的位置靠前时，最大升力系数较大。的位置靠前时，最大升力系数较大。翼型几何参数对翼型空气动力特性的影响翼型几何参数对翼型空气动力特性的影响表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响由于受到沙尘、油污和由于受到沙尘、油污和雨滴的浸蚀，使风力机雨滴的浸蚀，使风力机叶片表面，特别是前缘叶片表面，特别是前缘变得粗糙。而翼型表面变得粗糙。而翼型表面粗糙度，特别是前缘粗粗糙度，特别是前缘粗糙度对翼型空气动力特糙度对翼

19、型空气动力特性有重要影响。性有重要影响。翼型几何参数对翼型空气动力特性的影响翼型几何参数对翼型空气动力特性的影响 使边界层转捩位置前使边界层转捩位置前移，转捩后边界层厚度增移，转捩后边界层厚度增厚，减少了翼型的弯度，厚，减少了翼型的弯度，从而从而减小最大升力系数减小最大升力系数；使层流边界层转捩成湍流使层流边界层转捩成湍流边界层，使摩擦阻力增加。边界层，使摩擦阻力增加。另外，当在翼型的适当位另外，当在翼型的适当位置，如在翼型下表面后缘置，如在翼型下表面后缘贴粗糙带时，则可以贴粗糙带时，则可以增大增大升阻比升阻比。翼型表面结冰的影响翼型表面结冰的影响翼型几何参数对翼型空气动力特性的影响翼型几何参

20、数对翼型空气动力特性的影响风力机在冬季寒冷风力机在冬季寒冷地区运行时，当低地区运行时，当低温的小水滴碰撞风温的小水滴碰撞风轮叶片，在风轮叶轮叶片，在风轮叶片上会生成霜冰或片上会生成霜冰或光冰，使光冰，使风轮叶片风轮叶片剖面形状改变剖面形状改变。 虽然霜冰增加了风力轮叶虽然霜冰增加了风力轮叶片的表面粗糙度，但是由于霜片的表面粗糙度，但是由于霜冰形成非常流线型的形状，因冰形成非常流线型的形状，因此，此，对翼型空气动力特性影响对翼型空气动力特性影响较小。较小。 当翼型表面生成光冰时，当翼型表面生成光冰时，则叶片前缘的形状发生改变，则叶片前缘的形状发生改变，叶片上的升力减小，阻力增大，叶片上的升力减小

21、，阻力增大，焦点位置也发生改变。焦点位置也发生改变。这样，这样，不但影响风力机的功率输出，不但影响风力机的功率输出，还影响风力机的控制，严重时还影响风力机的控制，严重时会造成风力机损坏。会造成风力机损坏。3. 旋转叶片的气动力旋转叶片的气动力(叶素分析叶素分析)基本思想基本思想 1) 将叶片沿展向分成若干微段将叶片沿展向分成若干微段叶片元素叶片元素(简称叶素简称叶素)；2) 视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；3) 作用在每个叶素上的力互不干扰；作用在每个叶素上的力互不干扰；4) 将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮将作用在叶素上的气动力元

22、沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。上的气动扭矩与轴向推力。 取一长度为取一长度为dr的叶素，在半径的叶素，在半径r处的弦长为处的弦长为l。 叶片的几何参数叶片的几何参数vab221svcfr c221svcfll 221svcfdd 3. 旋转叶片的气动力旋转叶片的气动力(叶素分析叶素分析)叶片的几何参数叶片的几何参数i 3. 旋转叶片的气动力旋转叶片的气动力(叶素分析叶素分析)风向风向v- uw运动旋转方向运动旋转方向安装角（节距角）：安装角（节距角）：回转平面与叶片截面回转平面与叶片截面弦长的夹角弦长的夹角irnru 2 d df f气流气流w产生的气动力产生的气动力d d

23、l l气流升力气流升力d dd d气流阻力气流阻力swclld21d2 驱动功率驱动功率dpw=dt叶片的几何参数叶片的几何参数相对相对速度速度倾斜倾斜角角风输入的总气动功率风输入的总气动功率:p=vfa旋转轴得到的功率旋转轴得到的功率:pu=t风轮效率风轮效率=pu/pswcddd21d2 i 3. 旋转叶片的气动力旋转叶片的气动力(叶素分析叶素分析)风向风向v- uw运动旋转方向运动旋转方向irnru 2 d df f气流气流w产生的气动力产生的气动力d dl l气流升力气流升力d dd d气流阻力气流阻力swclld21d2 i轴向推力轴向推力dfa=dlcosi+ddsinii旋转力矩

24、旋转力矩dt=r(dlsini-ddcosi)驱动功率驱动功率dpw=dt叶片的几何参数叶片的几何参数swcddd21d2 叶片的基本理论叶片的基本理论四、涡流理论四、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机叶片数的影响及实际风力机cp曲线曲线） 对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两个主要的涡区：一个在个主要的涡区：一个在轮毂轮毂附近，一个在附近，一个在叶尖叶尖。有限叶片数有限叶片数由由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机效率有所于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机效率有所下降。下降。 1) 中心涡，集中在转轴上

25、；中心涡，集中在转轴上； 2) 每个叶片的边界涡；每个叶片的边界涡； 3) 每个叶片尖部形成的螺旋涡每个叶片尖部形成的螺旋涡。涡流理论涡流理论 叶片叶片静止静止时，据赫姆霍兹定理，叶片时，据赫姆霍兹定理，叶片附着涡附着涡和和后缘尾涡后缘尾涡组成马蹄涡系。简化后，将叶片分成无限多沿展向宽度很小组成马蹄涡系。简化后，将叶片分成无限多沿展向宽度很小的微段。的微段。 当叶片当叶片旋转旋转时，从后缘拖出的尾涡系将变成一个由螺旋形时，从后缘拖出的尾涡系将变成一个由螺旋形涡面组成的复杂涡系。而且随着涡与涡之间的相互干扰，该涡涡面组成的复杂涡系。而且随着涡与涡之间的相互干扰，该涡系不断变形。系不断变形。涡流理

26、论涡流理论涡流理论涡流理论 叶片数无限多，且实度一定，从而叶片尖部后缘拖出的尾涡叶片数无限多，且实度一定，从而叶片尖部后缘拖出的尾涡形成一个管状的螺旋形涡面。形成一个管状的螺旋形涡面。叶片的基本理论叶片的基本理论四、涡流理论四、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机叶片数的影响及实际风力机cp曲线曲线） 有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机效率有所下降。风力机效率有所下降。 pcbetz极限极限理想的理想的cp曲线曲线实际的实际的cp曲线曲线型阻损失型阻损失0实际风力机曲线如下图所示：实际风力机曲线如下图所示：失速损失失速损

27、失变流技术变流技术变流技术变流技术 用电力电子器件构成各种电力变换的电路，用电力电子器件构成各种电力变换的电路，对电路进行控制，以及用这些技术构成更为复杂对电路进行控制，以及用这些技术构成更为复杂的电力电子装置和系统。的电力电子装置和系统。 变流技术变流技术变流技术变流技术：一种电力变换的技术，相对于电力：一种电力变换的技术，相对于电力电子器件制造技术而言，是一种电力电子器件制造技术而言，是一种电力电子器件的应用技术。电子器件的应用技术。整流技术整流技术 内容内容斩波技术斩波技术 逆变技术逆变技术 变流技术变流技术整流技术整流技术 不可控电路不可控电路 半控电路半控电路 全控电路全控电路 由由

28、不可控二极管不可控二极管组成，电路结构组成，电路结构一定之后其直流一定之后其直流整流电压和交流整流电压和交流电源电压值的比电源电压值的比是固定不变的。是固定不变的。 由由可控元件可控元件和和二二极管极管混合组成，混合组成，在这种电路中，在这种电路中，负载电源极性不负载电源极性不能改变，但平均能改变，但平均值可以调节。值可以调节。 整流元件都是整流元件都是可可控控的，其输出直的，其输出直流电压的平均值流电压的平均值及极性可以通过及极性可以通过控制元件的导通控制元件的导通状况而得到调节状况而得到调节变流技术变流技术整流技术整流技术 不可控电路不可控电路 半控电路半控电路 全控电路全控电路 由由不可

29、控二极管不可控二极管组成，电路结构组成，电路结构一定之后其直流一定之后其直流整流电压和交流整流电压和交流电源电压值的比电源电压值的比是固定不变的。是固定不变的。 由由可控元件可控元件和和二二极管极管混合组成，混合组成，在这种电路中，在这种电路中，负载电源极性不负载电源极性不能改变，但平均能改变，但平均值可以调节。值可以调节。 整流元件都是整流元件都是可可控控的，其输出直的，其输出直流电压的平均值流电压的平均值及极性可以通过及极性可以通过控制元件的导通控制元件的导通状况而得到调节状况而得到调节常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相

30、控整流电路，对电网注入了大量谐波及无功，流电路，对电网注入了大量谐波及无功，造成电网造成电网“污染污染”。 pwm技术技术+整流技术整流技术 pwm整流器整流器 变流技术变流技术整流技术整流技术 pwm整流器整流器负载图6-30cualsiarsv1v2v4v3abvd3vd1vd2vd4+udcv5vd5v6vd6ubibucic三相桥式三相桥式pwm整流电路整流电路三相桥式三相桥式pwm整流电路，是最基本的整流电路，是最基本的pwm整流电路之一，应整流电路之一，应用最广。用最广。优点：优点：交流输入侧能交流输入侧能得到较高的功率因数得到较高的功率因数；减小电流的畸变并减小电流的畸变并且能够

31、将再生能量回且能够将再生能量回馈给交流侧；馈给交流侧；保持直保持直流侧的电压恒定流侧的电压恒定( (由整由整流器本身的特点决定流器本身的特点决定) ) 变流技术变流技术变流技术变流技术：一种电力变换的技术，相对于电力：一种电力变换的技术，相对于电力电子器件制造技术而言，是一种电力电子器件制造技术而言，是一种电力电子器件的应用技术。电子器件的应用技术。斩波技术斩波技术 整流技术整流技术 内容内容逆变技术逆变技术 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。基本斩波电路：基本斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路、升压斩波电路升压斩波电路、 升降压斩波电路、

32、升降压斩波电路、cuk斩波电路、斩波电路、sepic斩波电路斩波电路和和zeta斩波电路。斩波电路。变流技术变流技术斩波技术斩波技术 降压斩波电路降压斩波电路（buck chopper） 升压斩波电路升压斩波电路（boost chopper）典型用途典型用途拖动直流电动机拖动直流电动机，也，也可带可带蓄电池负载蓄电池负载。变流技术变流技术斩波技术斩波技术 降压斩波电路降压斩波电路（buck chopper） 升压斩波电路升压斩波电路（boost chopper）变流技术变流技术斩波技术斩波技术 降压斩波电路降压斩波电路（buck chopper） 升压斩波电路升压斩波电路（boost chop

33、per）典型用途典型用途用于直流电动机传动用于直流电动机传动用作用作单相功率因数校正单相功率因数校正（pfc）电路电路用于其他交直流电源中用于其他交直流电源中变流技术变流技术斩波技术斩波技术 降压斩波电路降压斩波电路（buck chopper） 升压斩波电路升压斩波电路（boost chopper）变流技术变流技术变流技术变流技术：一种电力变换的技术，相对于电力：一种电力变换的技术，相对于电力电子器件制造技术而言，是一种电力电子器件制造技术而言，是一种电力电子器件的应用技术。电子器件的应用技术。整流技术整流技术 内容内容斩波技术斩波技术 逆变技术逆变技术 与整流相对应，直流电变成交流电与整流相

34、对应，直流电变成交流电交流侧接交流侧接电网电网，为，为有源有源逆变逆变交流侧接交流侧接负载负载，为，为无源无源逆变逆变逆变技术逆变技术 变流技术变流技术电压逆变电路电压逆变电路 电流逆变电路电流逆变电路 直流侧电源性质直流侧电源性质直流侧为电压源或并联大电直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本容，直流侧电压基本无脉动无脉动。输出电压为输出电压为矩形波矩形波，输出电，输出电流因负载阻抗不同而不同。流因负载阻抗不同而不同。阻感负载时阻感负载时需提供需提供无功功率。无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

35、臂并联反馈二极管。电压型全桥逆变电路电压型全桥逆变电路特点特点逆变技术逆变技术 变流技术变流技术电压逆变电路电压逆变电路 电流逆变电路电流逆变电路 180180导电方式导电方式每桥臂导电每桥臂导电180，同一相上下两臂交替同一相上下两臂交替导电，各相开始导电导电，各相开始导电的角度相差的角度相差120任一瞬间有三个桥任一瞬间有三个桥臂同时导通臂同时导通每次换流都是在同一每次换流都是在同一相上下两臂之间进行相上下两臂之间进行直流侧电源性质直流侧电源性质逆变技术逆变技术 变流技术变流技术电压逆变电路电压逆变电路 电流逆变电路电流逆变电路 直流侧电源性质直流侧电源性质特点特点u直流侧串大电感，电流基

36、本直流侧串大电感，电流基本无脉动无脉动，相当于电流源。，相当于电流源。u交流输出电流为交流输出电流为矩形波矩形波，与，与负载阻抗角无关。输出电压波负载阻抗角无关。输出电压波形和相位因负载不同而不同。形和相位因负载不同而不同。u直流侧电感起缓冲无功能量直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并的作用，不必给开关器件反并联二极管。联二极管。电流型三相桥式逆变电路电流型三相桥式逆变电路逆变技术逆变技术 变流技术变流技术电压逆变电路电压逆变电路 电流逆变电路电流逆变电路 直流侧电源性质直流侧电源性质目前中小功率的逆变电路几乎都采用目前中小功率的逆变电路几乎都采用pwm技术技术。逆变电路是逆变电

37、路是pwm控制技术控制技术最为重要的应用场合。最为重要的应用场合。pwm逆变电路也可分为逆变电路也可分为电压型电压型和和电流型电流型两种，目两种，目前实用的前实用的pwm逆变电路几乎都是逆变电路几乎都是电压型电压型电路。电路。逆变技术逆变技术 变流技术变流技术电压逆变电路电压逆变电路 电流逆变电路电流逆变电路 直流侧电源性质直流侧电源性质三相桥式三相桥式pwm型逆变电路型逆变电路 三相三相的的pwm控制控制公用三角波载波公用三角波载波uc三相的调制信号三相的调制信号uru、urv和和urw依次相差依次相差120典型的变流技术典型的变流技术不可控整流不可控整流+boost+boost+逆变方案逆

38、变方案 风力机与永磁同步发电机直接连接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，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，经过值变化的交流电，经过整流之后变为直流电，经过boostboost电路升电路升压后，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再经过三相逆变器变换为三相恒幅交流电连接到电网。 实现最大功率跟踪、最大效率利用风能实现最大功率跟踪、最大效率利用风能 在小功率和兆瓦级直驱型风力发电系统中均有应用在小功率和兆瓦级直驱型风力发电系统中均有应用 典型的变流技术典型的变流技术双双pwmpwm背靠背方案背靠背方案 风力机与永磁同步发电机直接

39、连接，风力机与永磁同步发电机直接连接，发电机定子通过发电机定子通过背靠背变流器和电网连接。背靠背变流器和电网连接。 实现对发电机调速和输送到电网电能的优良控制实现对发电机调速和输送到电网电能的优良控制 九洲电气股份有限公司九洲电气股份有限公司 典型的变流技术典型的变流技术不控整流不控整流+boost+igbt+boost+igbt逆变全功率变流器逆变全功率变流器 变流器采用变流器采用“二级管不控整流二级管不控整流+升压斩波升压斩波+pwm逆变逆变”的结的结构构 实现将变压变频的交流电转化实现将变压变频的交流电转化为符合并网要求的交流电，完成风为符合并网要求的交流电，完成风力发电机组的并网力发电

40、机组的并网 1.5mw全功率风电变流器控制箱全功率风电变流器控制箱 安全保护系统安全保护系统控制系统保护控制系统保护微机控制器抗干扰保护微机控制器抗干扰保护抗抗干干扰扰系系统统铁皮屏蔽罩传感器输入信号输出执行控制光电隔离、信号线屏蔽机舱微机控制器抗干扰电路及工艺设计光纤通信输入输出信号线屏蔽、光电隔离电量等各种输入信号控制输出信号隔离电源塔筒微机控制器抗干扰电路及工艺设计隔离电源微机控制器微机控制器 注意总线的驱动能力；注意总线的驱动能力；总线的终端负载；防止总线的终端负载；防止总线竞争。总线竞争。在有干扰时在有干扰时，采取措施，保证微机，采取措施，保证微机正常工作正常工作 原则原则安全保护系

41、统安全保护系统控制系统保护控制系统保护微机控制器抗干扰保护微机控制器抗干扰保护抗抗干干扰扰系系统统铁皮屏蔽罩传感器输入信号输出执行控制光电隔离、信号线屏蔽机舱微机控制器抗干扰电路及工艺设计光纤通信输入输出信号线屏蔽、光电隔离电量等各种输入信号控制输出信号隔离电源塔筒微机控制器抗干扰电路及工艺设计隔离电源微机控制器微机控制器 原则原则信号传输信号传输 信号传输线路使用信号传输线路使用屏蔽电缆；屏蔽电缆；注意传注意传输线最大长度的限输线最大长度的限制。制。电源电路电源电路 减少电源变压器的减少电源变压器的泄漏磁通；泄漏磁通；采用性采用性能好的稳压电源。能好的稳压电源。安全保护系统安全保护系统控制系

42、统保护控制系统保护紧急停机安全链保护紧急停机安全链保护 微机控制器抗干扰保护微机控制器抗干扰保护 系统的系统的紧急紧急安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，也也是计算机系统的是计算机系统的最后一级最后一级保护措施，保护措施，即使控制系统发生异即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。常，也不会影响安全链的正常动作。 分为分为交变脉冲干扰交变脉冲干扰和和单脉冲干扰单脉冲干扰两种，以电或磁的形式干两种，以电或磁的形式干扰控制系统扰控制系统。 掉电往往出现在天气恶劣、风力较强时，紧急停机将会对风掉电往往出现在天气恶劣、风力较强时，紧急停机将会对风力发