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）基本本特性性图2-3电力MOSFET结构图图和电电路图图形符符号20a)转移特特性b)输出特特性图2-4电力MOSFET的转移移特性性和输输出特特性21（2）主要要参数数漏极电电压UDS漏极直直流电电流额额定值值ID和漏极极脉冲冲电流流峰值值IDM漏源通通态电电阻RDS(on)：在栅栅源间间施加加一定定电压压（10～15V），漏漏源间间的导导通电电阻。。栅源电电压UGS：栅源源之间间的绝绝缘层层很薄薄，当当|UGS|>20V时将导导致绝绝缘层层击穿穿。极间电电容：：MOSFET的3个电极极之间间分别别存在在极间间电容容CGS、CGD、CDS。一般般生产产厂商商提供供的是是漏源源极短短路时时的输输入电电容Ciss、共源源极输输出电电容Coss和反向向转移移电容容Crss。Ciss=CGS+CGD（2-1）Crss=CGD（2-2）Coss=CDS+CGD（2-3）224、绝缘缘栅双双极型型晶体体管――IGBT（1）基本本特性性：图2-5IGBT电路符符号图图形静态特特性与与P-MOSFET类似；；UGE=0时IC=0，IGBT处于阻阻断状状态（（断态态）；；UGE足够大大（一一般为为5~15V），IGBT进入导导通状状态（（通态态），，当UCE大于一一定值值（一一般2V左右））时IC>0。优点：：驱动动功率率小、、开关关速度度高通通流能能力强强、耐耐压等等级高高23（2）主要要参数数最大集集射极极间电电压BUCES：该参参数决决定了了器件件的最最高工工作电电压，，这是是由内内部PNP晶体管管所能能承受受的击击穿电电压确确定的的。最大集集电极极电流流ICM：包括括在一一定壳壳温下下的额额定直直流电电流IC和1ms脉宽最最大电电流ICP。最大集集电极极功耗耗PCM：在正正常工工作温温度下下允许许的最最大耗耗散功功率。。集射极极间饱饱和压压降UCE(sat)：对栅栅极与与发射射极（（G－E）间施施加一一定正正向电电压，，在一一定的的结温温及集集电极极电流流条件件下，，集射射极（（C－E）间的的饱和和通态态压降降。此此压降降在集集电极极电流流较小小时，，呈负负温度度系数数，在在电流流较大大时，，为正正温度度系数数，这这一特特性使使IGBT并联运运行较较为容容易。。24现代电电力电电子的的应用用◆电力电电子变变换与与控制制技术术（以以四大大变换换展开开）◆谐波抑抑制与与功率率因素素校正正技术术◆电力电电子技技术的的典型型应用用案列列25电力电电子变变换与与控制制系统统1.主要由由AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC四大基基本变变换及及其组组合构构成的的主电电路拓拓扑。。2.现代电电力电电子装装置的的控制制系统统由微微电子子器件件（硬硬件））、控控制策策略（（软件件）和和检测测、保保护、、驱动动等组组成。。26四大基基本变变化电电路AC-DC变换电电路DC-DC变换电电路DC-AC变换电电路AC-AC变换电电路272.2AC——DC变换电电路交流――直流变变换器器（AC――DCConverter）的功功能是是将交交流电电变换换成直直流电电，又又称为为整流流器。。28a、二二极极管管整整流流电电路路―――不控控整整流流名称输出电压型输出电流型单相半波单相全波表2-1常用用二二极极管管整整流流器器的的主主要要形形式式29单相桥式三相半波三相桥式续表表2-130b、晶晶闸闸管管整整流流电电路路―――相控控整整流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常用用晶晶闸闸管管整整流流器器的的主主要要形形式式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表2-232c、PWM整流流电电路路―――斩波波整整流流图2-6单相相半半桥桥整整流流器器图2-7单相相全全桥桥整整流流器器33图2-8三相相电电压压型型PWM整流流器器图2-9三相相电电流流型型PWM整流流器器342.3DC/DC变换换电电路路直流流―――直流流变变换换器器（（DC－DCConverter）的的功功能能是是将将一一种种直直流流电电变变换换为为另另一一种种固固定定或或可可调调电电压压的的直直流流电电，，又又称称为为直直流流斩斩波波器器（（DCChopper）。。35a、不不隔隔离离式式单单管管DC－DC变换换器器Buck变换换器器是一一种种降降压压型型DC－DC变换换电电路路，，输输出出电电压压小小于于或或等等于于输输入入电电压压，，输输入入电电流流断断续续。。输输出出电电压压Uo=DyUin，占占空空比比Dy=ton/Ts＝0～1(下同同)。Boost变换换器器是一一种种升升压压型型DC－DC变换换电电路路，，输输出出电电压压大大于于输输入入电电压压，，VT的占占空空比比Dy必须须小小于于1，输输入入电电流流连连续续。。输输出出电电压压Uo=Uin/(1－Dy)。36Buck－Boost变换器一种升降降压型DC－DC变换电路路，输出出电压大大于或小小于输入入电压，，输出电电压极性性和输入入电压极极性相反反，输入入电流断断续。输输出电压压Uo=－DyUin/(1－Dy)。Cúk变换器一种升降降压型DC－DC变换电路路，输出出电压大大于或小小于输入入电压，，输出电电压极性性和输入入电压极极性相反反，输入入电流连连续。输输出电压压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、隔离型型DC－DC变换器单端正激激式DC－DC变换电路路图2-10单端正激激变换器器主电路路图2-11正激变换换器工作作波形39单端反激激式DC－DC变换电路路图2-12单端反激激式DC-DC变换电路路40a)电流连续续模式(CCM)b)电流断续续模式(DCM)图2-13反激式变变换器工工作波形形412.4DC－AC变换电路路将直流电电变换为为交流电电的过程程称为逆逆变换或或DC－AC变换，实实现逆变变的主电电路称为为DC－AC变换电路路。通常常将DC－AC变换电路路、控制制电路、、驱动及及保护电电路组成成的DC－AC逆变电源源称为逆逆变器（（Inverter）。42a、常用的的DC－AC逆变电路路电压型单单相半桥桥逆变电电路直流母线线电容滤滤波，直直流电压压Ud经C1、C2分压，VT1、VT2交替导通通/关断；负负载上的的电压幅幅值为Ud的一半，，功率为为全桥逆逆变器的的四分之之一；开开关管VT1、VT2上承受的的最大电电压为Ud；控制方方式主要要是PWM脉宽调制制控制，，移相控控制等。。43电压型单单相全桥桥逆变电电路直流母线线电容Cd滤波，VT1、VT4和VT2、VT3交替导通通/关断；加加在负载载上的电电压幅值值为Ud，输出功功率为半半桥逆变变器的四四倍；开开关管VT1～VT4上承受的的最大电电压为Ud；控制方方式有单单极、双双极式PWM脉宽调制制控制，，移相控控制，调调频控制制等方式式。44电流型单单相全桥桥逆变电电路直流母线线电感Ld滤波，VT1、VT4和VT2、VT3交替导通通/关断；负负载上的的电流波波形为方方波，幅幅值为Id；开关管管VT1～VT4上承受的的电压为为负载上上的电压压。负载载上的电电压幅值值和相位位取决于于负载阻阻抗大小小和性质质。45电压型三三相桥式式逆变电电路直流母线线电容Cd滤波，负负载线电电压幅值值为Ud，开关管管VT1～VT6上承受的的最大电电压为Ud，控制方方式有PWM脉宽调制制、移相相控制、、调频控控制等方方式，换换流方式式有1800和1200两种。适适合4kW以上的三三相负载载。46b、归纳DC－AC逆变电路路的主要要拓扑形形式电压型逆逆变器电流型逆逆变器单相半桥桥逆变器器单相全桥桥逆变器器三相桥式式逆变器器47c、逆变电电路的参参数计算算电压型单单相半桥桥逆变电电路的参参数计算算逆变器的的输入电电压为Ud，输出功功率为P，可得通通过负载载的电流流有效值值为：对于阻感感性负载载：选开关管管VT1、VT2上的电压压定额为为：选开关管管VT1、VT2上的电流流定额为为：对于电阻阻性负载载和谐振振负载：：（2-4）（2-5）（2-6）（2-7）48电压型单单相全桥桥逆变电电路的参参数对于阻感感性负载载：选开关管管VT1、VT2上的电压压定额为为：选开关管管VT1、VT2上的电流流定额为为：对于电阻阻性负载载和谐振振负载：：（2-8）（2-9）（2-10）（2-11）49电流型单单相全桥桥逆变电电路的参参数计算算等效导纳纳为：在谐振点点工作时时，负载载为等效效电阻Ro、谐振频频率为（2-12）（2-13）50将代代入R0，得开关管VT1、VT2上的电压压定额为为开关管VT1、VT2上的电流流定额为为其中为逆逆变器输输入电流流，由负负载输出出功率P求得（2-17）（2-16）（2-15）（2-14）51电压型三三相全桥桥逆变电电路的参参数计算算对于电阻阻性负载载对于电阻阻电感性性负载开关管VT1~VT6上的电流流定额为为开关管VT1~VT6上的电压压定额为为（2-21）（2-20）（2-19）（2-18）522.5AC－AC变换电路路交流――交流变换换器（AC－ACConverter）分为三三大类：：第一类频频率率不变仅仅改变电电压大小小的AC－AC电压变换换器；第二类直直接接将一定定频率的的交流电电变换为为较低频频率交流流电的相相控式AC－AC直接变换换器；在在直接变变频的同同时也可可实现电电压变换换，实现现降频降降压变换换；第三类PWM斩波式AC--AC变换器，即可可实现降压又又可升压，还还可以实现变变频控制，是是一种高性能能的变换器，，目前处于研研究阶段。53a、单相全控AC-AC变换电路电路特点：单相全控型电电压控制器，，是最基本的的交流调压电电路。图中2只普通晶闸管管（T1、T2）可由一只双双向晶闸管取取代，但有效效电流定额需需扩大约70%。54b、单相半控AC-AC变换电路电路特点：节省了一个晶晶闸管，但移移相控制运行行时输出电压压正负半波不不对称，会给给交流电网带带来谐波污染染，不宜用于于较大功率的的调压控制场场合。55c、带中性线N，星形联结电路特点：带一根电源中中性线，相当当于三只单相相晶闸管交流流调压器的组组合，适合带带中线的星形形平衡负载调调压或调功。。缺点是三相相不平衡运行行时，中线含含有较大电流流及谐波。56d、无中性线的的三相连接电路特点：三相负载可为为星形、三角角形联结，每每相电路通过过另一相形成成回路。不对对称运行时，，Δ形负载内部有有较大环流。。57e、内△联接的控制器器电路特点：反并联晶闸管管与各相负载载串联后再接接成三角形，，相当于三个个单相电压控控制器组成三三相晶闸管交交流电压控制制器。优点是是对电网冲击击小，缺点是是要求负载有有6个抽头。582.6多极复合形式式的变换电路路在众多电源变变换器中AC－DC，DC－DC，DC－AC和AC－AC变换是四种最最基本的电压压或频率变换换电路。在新新能源发电技技术的实际应应用中，常将将两个以上的的基本变换电电路组合在一一起，构成多多级复合形式式的变换电路路。591．AC－DC－DC－AC变换电路（DC－DC降压型）图2－15降压型AC－DC－DC－AC变换电路602．AC－DC－DC－AC变换电路（DC－DC升压型）图2－16升压型AC－DC－DC－AC变换电路613．隔离式DC－AC－DC变换电路图2－17隔离式DC－AC－DC变换电路624．隔离式AC－DC－AC－DC变换电路图2－18隔离式AC－DC－AC－DC变换电路632.7半导体功率率器件的驱驱动与保护护电路实际的电力力电子变换换器是由主主电路、驱驱动器及保保护电路、、控制电路路、检测与与显示电路路等多个子子系统构成成。驱动器器接受控制制系统输出出的控制信信号，经功功率放大和和隔离后，，驱动功率率开关器件件的导通、、关断，是是连接功率率器件与控控制系统的的桥梁。由由于半导体体功率开关关器件种类类繁多，不不同的开关关器件对驱驱动器的性性能要求不不尽相同，，典型的驱驱动器分为为电流驱动型型器件和电压驱动型型器件的两大类驱驱动器。电电流驱动型型器件主要要有SCR、GTO和GTR，电压驱动动型器件主主要有MOSFET、IGBT和SIT等。642.7.1晶闸管SCR触发驱动器器图2－19采用变压器器隔离的SCR驱动器图2－20采用光耦隔隔离的SCR驱动器652.7.2IGBT和MOSFET驱动器和双极型晶晶体管（GTR）不同，功功率MOSFET和IGBT器件都是属属于电压驱驱动型，输输入阻抗很很大，为提提高器件的的开关速度度，电压驱驱动型器件件的栅极驱驱动器除应应具有更快快的响应速速度（ns级）外，同同样需要足足够大的栅栅极驱动能能力（一般般为＋15V）和反向电电压（一般般为－5v），以保证证瞬时完成成对等效栅栅极电容的的充电或放放电过程。。66功率MOSFET和IGBT器件驱动器器应用实例例1．TLP250功率驱动电电路及应用用图2－22TLP250组成的驱动动电路672．UC3724/UC3725驱动电路图2－23UC3724/3725功率MOSFET驱动电路683．IHD680驱动电路图2－24IHD680驱动电路694．MAX4428驱动电路图2－25MAX4428驱动电路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功率器件的的保护电路路1．过电流保保护电路过电流保护护在电源变变换电路中中是一个很很重要的环环节，直接接影响到装装置的可靠靠性。MOSFET和IGBT的过流允许许值一般为为2倍的电流额额定值，IGBT允许过流时时间一般≤20μs，MOSFET允许过流时时间还要小小。考虑到到过电流发发生和硬件件保护电路路需要一定定的时间，，因此要求求过电流检检测的电流流传感器（（一般用霍霍尔传感器器）响应速速度要快。。除了在驱动动电路中加加过流保护护功能外，，还要在整整流电路输输出、逆变变电路输入入、负载回回路加过流流检测进行行过流保护护。73电流传感器器的安装位位置可选择择为：①与直流母线线串联，可可以检测直直流母线后后的逆变电电路或负载载回路的过过电流。②与负载串联联，可检测测负载回路路的过电流流。③与每一个IGBT串联，可直直接检测IGBT的过电流，，但使用的的电流传感感器多，成成本高，一一般不用。。图2－28电流传感器器的安装位位置742．过电压保保护电路过电压的抑抑制方法常常利用电容容对电压冲冲击的缓冲冲作用，设设计合适的的缓冲电路路吸收du/dt或采采用用软软开开关关技技术术。。采采用用性性能能良良好好的的缓缓冲冲电电路路，，可可使使功功率率MOSFET或IGBT工作作在在较较理理想想的的开开关关状状态态，，缩缩短短开开关关时时间间，，减减少少开开关关损损耗耗，，对对装装置置的的运运行行效效率率、、可可靠靠性性、、安安全全性性都都有有重重要要的的意意义义。。75典型型缓缓冲冲吸吸收收电电路路实实例例a)b)c)d)图2－30缓冲冲电电路路的的主主要要形形式式76第3章风能能、、风风力力发发电电与与控控制制技技术术7778本章章主主要要内内容容3.1风的的特特性性及及风风能能利利用用3.2风力力发发电电机机组组及及工工作作原原理理3.3风力力发发电电机机组组的的控控制制策策略略3.4风力力发发电电机机组组的的并并网网运运行行和和功功率率补补偿偿3.5风力力发发电电的的经经济济技技术术性性评评价价79绪论论在新新能能源源发发电电技技术术中中，，风风力力发发电电是是其其中中最最接接近近实实用用和和推推广广的的一一种种。。风风力力发发电电是是一一个个综综合合性性较较强强的的系系统统，，涉涉及及空空气气动动力力学学、、机机械械、、电电机机和和控控制制技技术术等等领领域域。。风风力力发发电电是是在在大大量量利利用用风风力力提提水水的的基基础础上上发发展展起起来来的的，，它它首首先先起起源源于于丹丹麦麦，，目目前前丹丹麦麦已已成成为为世世界界上上生生产产风风力力发发电电设设备备的的大大国国。。20世纪纪70年代代世世界界连连续续出出现现石石油油危危机机，，随随之之而而来来的的环环境境问问题题迫迫使使人人们们考考虑虑可可再再生生能能源源利利用用问问题题，，风风力力发发电电很很快快重重新新提提上上了了议议事事日日程程。。风风力力发发电电是是近近期期内内最最具具开开发发利利用用前前景景的的可可再再生生能能源源，，也也将将是是21世纪纪中中发发展展最最快快的的一一种种可可再再生生能能源源。。80感性认识识：各式式风机818283843.1风的特性性及风能能利用3.1.1风的产生生风是地球球上的一一种自然然现象，，由太阳阳辐射热热和地球球自转、、公转和和地表差差异等引引起，大大气是这这种能源源转换的的媒介。。图3-1地球上风风的运动动853.1.2风的特性性与风能能1、随机性性2、风随高高度的变变化而变变化不同高度度风速的的表达式式：式中ν——距地面高高度为h处的风速速（m／s）；ν0——高度为h0处的风速速（m／s），一般般取h0为10m；k——修正指数数，它取取决于大大气稳定定度和地地面粗糙糙度等，，其值约约为为0.125～0.5。863.1.3风的表示示及应用用1、风向风向一般般用16个方位表表示，也也可以用用角度表表示。图图示方向向方位图图图3-2风向方位位图872、风速由于风时时有时无无、时大大时小，，每一瞬瞬时的速速度都不不相同，，所以风风速是指指一段时时间内的的平均值值，即平平均风速速。3、风力风力等级级是根据据风对地地面或海海面物体体影响而而引起的的各种现现象，按按风力的的强度等等级来估估计风力力的大小小。国际际上采用用的为蒲蒲福风级级，从静静风到飓飓风共分分为13个等级。。风力等级级与风速速的关系系：式中VN——N级风的平平均风速速(m/s)；N——风的级数数。884、风能（1）风能密度度，空气在一一秒钟内内以速度度ν流过单位位面积产产生的动动能。表达式为为：（2）风能，空气在在一秒钟钟时间内内以速度度ν流过面积积为S截面的动动能。表达式为为：（3）风能利用用，风能的的利用主主要是将将大气运运动时所所具有的的动能转转化化为为其他形形式的能能量。89风能转换换及应用用情况如图所示示。图3-5风能转换换与应用用情况903.2风力发电电机组及及工作原原理3.2.1风力发电电机组的的结构及及分类1、风力发发电机组组的分类类风力发电电机组的的分类一一般有3种，如下下表所示示。91按风轮轴轴的安装装型式按风力发发电机的的功率按运行方方式水平轴风风力发电电机组和和垂直轴轴风力发发电机组组微型（额额定功率率50～1000W）、小型型（额定定功率1.0～10kW）、中型型（额定定功率10～100kW）和大型型（额定定功率大大于100kW）独立运行行和并网网运行922、风力发发电机组组的结构构风力发电电机组中中，水平平轴式风风力发电电机组是是目前技技术最成成熟、产产量最大大的形式式；垂直直轴风力力发电机机组因其其效率低低、需起起动设备备等技术术原因应应用较少少，因此此下面主主要介绍绍水平轴轴风力发发电机组组的结构构。93（1）独立运行行的风力力发电机机组水平轴独独立运行行的风力力发电电机组主主要由风风轮(包括尾舵舵)、发电机机、支架架、电缆缆、充电电控制器器、逆变变器、蓄蓄电池组组等组成成，其主主要结构构见右图图。图3-6水平轴独独立运行行的风力力发电机机组主要要结构94并网运行行的水平平轴式风风力发电电机组由由风轮、、增速齿齿轮箱、、发电机机、偏航航装置、、控制系系统、塔塔架等部部件组成成，其结结构如右右图所示示（2）并网网运行的的风力发发电机组组图3-7并网运行行的水平平轴风力力发电机机组的原原理框图图95并网运行行的大型型风力发发电机组组的基本本结构，，它由叶叶片、轮轮毂、主主轴、增增速齿轮轮箱、调调向机构构、发电电机、塔塔架、控控制系统统及附属属部件（（机舱、、机座、、回转体体、制动动器）等等组成，，结构如如右图。（3）大型型风力发发电机组组图3-8大型风力力发电机机组的基基本结构构963.2.2风力机机风力机机又称称为风风轮，，主要要有水水平轴轴风力力机和和垂直直轴风风力机机。1、水平平轴风风力机机：a.荷兰式式b.农庄式式c.自行车车式d.桨叶式式图3-9水平轴轴风力力机972、垂直直轴风风力机机：a.萨窝纽纽斯式式b.达里厄厄式c.旋翼式式图-10垂直轴轴风力力机98水平轴轴垂直轴轴993.2.3风力机机的气气动原原理风力发发电机机组中中的风风轮之之所以以能将将风能能转化化为机机械能能，原原因是是因为为风力力机具具有特特殊的的翼型型。图图示为为现代代风力力机叶叶片的的翼型型及翼翼型受受力分分析图图。图3-11风力机机的叶叶片翼翼型及及受力力100现分析析风轮轮不动动时受受到风风吹的的情况况：当风以以速度度矢量量ν吹向叶叶片时时，在在翼型型的上上表面面，风风速减减小，，形成成低压压区，，翼型型的下下表面面，风风速增增大，，形成成高压压区，，上下下表面面间形形成压压差，，产生生垂直直于翼翼弦的的力F，力F可以分分解为为与相相对风风速方方向平平行的的阻力力FD和垂直直于风风向的的升力力FL，升力力使风风力机机旋转转，实实现能能量的的转换换。101风力机机的输输出功功率当风吹吹向风风力机机的叶叶片时时，风风力机机的主主要作作用是是将风风能转转化为为机械械能，，风力力机的的机械械输出出功率率可用用式子子表示示为：：102对应于于最大大的风风力机机利用用系CPm有一个个叶尖尖速比比λm，因风风速经经常变变化，，为实实现风风能的的最大大捕获获，风风力机机应变变速运运行，，以维维持叶叶尖速速比λm不变。。在桨距距角一一定时时，CP与叶尖尖速比比λ的关系系如下下图所所示。。图3-13风力机机的利利用系系数与与叶尖尖速比比的关关系1033.2.4风力发发电机机在由机机械能能转换换为电电能的的过程程中，，发电电机及及其控控制器器是整整个系系统的的核心心。独立运运行的的风力力发电电机组组中所所用的的发电电机主主要有有直流流发电电机、、永磁磁式交交流发发电机机、硅硅整流流自励励式交交流发发电机机及电电容式式自励励异步步发电电机。。并网网运行行的风风力发发电机机机组组中使使用的的发电电机主主要有有同步步发电电机、、异步步发电电机、、双馈馈发电电机、、低速速交流流发电电机、、无刷刷双馈馈发电电机、、交流流整流流子发发电机机、高高压同同步发发电机机及开开关磁磁阻发发电机机等。。1041、独独立运运行风风力发发电机机组中中的发发电机机独立运运行的的风力力发电电机一一般容容量较较小，，与蓄蓄电池池和功功率变变换器器配合合实现现直流流电和和交流流电的的持续续供给给。独独立运运行的的交流流风力力发电电系统统结构构如下下图所所示。。图3-14独立运运行的的交流流风力力发电电机系系统结结构105（1）直流流发电电机直流发发电机机从磁磁场产产生（（励磁磁）的的角度度来分分，可可分为为永磁磁式直直流发发电机机和电电磁式式直流流发电电机，，典型型结构构如图图示。。直流流发电电机可可直接接将电电能送送给蓄蓄电池池蓄能能，可可省去去整流流器，，随着着永磁磁材料料的发发展及及直流流发电电机的的无刷刷化，，永磁磁直流流发电电机的的功率率不断断做大大，性性能大大大提提高，，是一一种很很有发发展前前途的的发电电机。。图3-15电磁式式直流流发电电机结结构106（2）永磁磁式交交流同同步发发电机机永磁式式交流流同步步发电电机的的转子子上没没有励励磁绕绕组，，因此此无励励磁绕绕组的的铜损损耗，，发电电机的的效率率高；；转子子上无无集电电环，，发电电机运运行更更可靠靠；采采用钕钕铁硼硼永磁磁材料料制造造的发发电机机体积积小，，重量量轻，，制造造工艺艺简便便，因因此广广泛应应用于于小型型及微微型风风力发发电机机中。。图3-17凸极式式永磁磁发电电机结结构示示意图图1—定子齿齿2—定子轭轭3—永磁体体转子子4—转子轴轴5—气隙6—定子绕绕组107（3）硅整整流自自励式式交流流同步步发电电机如下图图，硅硅整流流自励励式交交流同同步发发电机机电路路原理理图。。硅整流流自励励式交交流同同步发发电机机一般般带有有励磁磁调节节器，，通过过自动动调节节励磁磁电流流的大大小，，来抵抵消因因风速速变化化而导导致的的发电电机转转速变变化对对发电电机端端电压压的影影响，，延长长蓄电电池的的使用用寿命命，提提高供供电质质量。。图3-18硅整流流自励励式交交流同同步发发电机机电路路原理理图108（4）电容容自励励式异异步发发电机机电容自自励式式异步步发电电机是是在异异步发发电机机定子子绕组组的输输出端端接上上电容容，以以产生生超前前于电电压的的容性性电流流建立立磁场场，从从而建建立电电压。。其电电路示示意图图如下下图所所示。。图3-19电容自自励式式异步步发电电机电电路原原理109并网运运行的的风力力发电电机组组中所所用的的发电电机（1）异步步发电电机风力异异步发发电机机并入入电网网运行行时，，只要要发电电机转转速接接近同同步转转速就就可以以并网网，对对机组组的调调速要要求不不高，，不需需要同同步设设备和和整步步操作作。异异步发发电机机的输输出功功率与与转速速近似似成线线性关关系，，可通通过转转差率率来调调整负负载。。（2）同步发电机机当发电机的的转速一定定时，同步步发电机的的频率稳定定，电能质质量高；同同步发电机机运行时可可通过调节节励磁电流流来调节功功率因数，，既能输出出有功功率率，也可提提供无功功功率，可使使功率因数数为1，因此被电电力系统广广泛接受。。110111（3）双馈异步步发电机双馈异步发发电机是当当今最有发发展前途的的一种发电电机，其结结构是由一一台带集电电环的绕线线转子异步步发电机和和变频器组组成，变频频器有交－－交变频器器、交－直直－交变频频器及正弦弦波脉宽调调制双向变变频器三种种，系统结结构如下图图所示。图3-25双馈异步发发电机的系系统结构112113双馈异步发发电机工作作原理：异步发电机机中定、转转子电流产产生的旋转转磁场始终终是相对静静止的，当当发电机转转速变化而而频率不变变时，发电电机转子的的转速和定定、转子电电流的频率率关系可表表示为：式中f1——定子电流的的频率（Hz），f1=pn1/60，n1为同步转速速；p——发电机的极极对数；n——转子的转速速（r/min）；f2——转子电流的的频率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差差频率。114根据双馈异异步发电机机转子转速速的变化，，双馈异步步发电机可可以有三种种运行状态态：1）亚同步运运行状态。。此时n<n1，转差率s>0，频率为f2的转子电流流产生的旋旋转磁场的的转速与转转子转速同同方向，功功率流向如如图所示。。1152）超同步运运行状态。。此时n>n1，转差率s<0，转子中的的电流相序序发生了改改变，频率率为f2的转子电流流产生的旋旋转磁场的的转速与转转子转速反反方向，功功率流向如如图所示。。3）同步运行行状态。此此时n=n1，f2=0，转子中的的电流为直直流，与同同步发电机机相同。116双馈异步发发电机的转转子通过双双向变频器器与电网连连接，可实实现功率的的双向流动动，功率变变换器的容容量小，成成本低；既既可以亚同同步运行，，也可以超超同步运行行，因此调调速范围宽宽；可跟踪踪最佳叶尖尖速，实现现最大风能能捕获；可可对有功功功率和无功功功率进行行控制，提提高功率因因数；能吸吸收阵风能能量，减小小转矩脉动动和输出功功率的波动动，因此电电能质量高高，是目前前很有发展展潜力的变变速恒频发发电机。117（4）无刷双馈馈异步发电电机无刷双馈异异步发电机机(BrushlessDoubly－FedMachine，简称BDFM)的基本原理理与双馈异异步发电机机相同，不不同之外是是取消了电电刷和集电电环，系统统运行的可可靠性增大大，但系统统体积也相相应增大，，常用的有有级联式和和磁场调制制型两种类类型。图3-27级联式无刷刷双馈异步步发电机图3-28磁场调制型型无刷双馈馈异步发电电机118（5）开关磁阻阻发电机开关磁阻发发电机又称称为双凸极极式发电机机（简称SRG），定、转转子的凸极极均由普通通硅钢片叠叠压而成，，定子极数数一般比转转子的极数数多，转子子上无绕组组，定子凸凸极上安放放有彼此独独立的集中中绕组，径径向独立的的两个绕组组串联起来来构成一相相。图3-29三相（6/4极）开关关磁阻发发电机结结构119开关磁阻阻发电机机用作为为风力发发电机时时，其系系统一般般由风力力机、开开关磁阻阻发电机机及其功功率变换换器、控控制器、、蓄电池池、逆变变器、负负载以及及辅助电电源等组组成，其其系统构构成如图图所示。。开关磁阻阻发电机机的结构构简单，，控制灵灵活，效效率高而而且转矩矩密度大大，在风风力发电电系统中中可用于于直接驱驱动、变变速运行行，有一一定的开开发、研研究价值值。图3-30开关磁阻阻风力发发电机系系统的构构成1203.3风力发电电机组的的控制策策略与一般工工业控制制系统不不同，风风力发电电机组的的控制系系统是一一个综合合性复杂杂控制系系统。尤尤其是对对于并网网运行的的风力发发电机组组，控制制系统不不仅要监监视电网网、风况况和机组组运行数数据，对对机组进进行并网网与脱网网控制，，以确保保运行过过程的安安全性和和可靠性性，还需需要根据据风速和和风向的的变化，，对机组组进行优优化控制制，以提提高机组组的运行行效率和和发电质质量，而而这正是是风力发发电机组组控制中中的关键键技术，，现代风风力发电电机组一一般都采采用微机机控制，如下图所所示。1212－A/D转换模块块3－风向标标4－风速计计5－频率计计6－电压表表7－电流表表8－控制机机构9－执行机机构10－液压调调速油缸缸11－调向电电机12－其他传传感器图3-32风力发电电机组的的微机自自控原理理框图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）定定桨桨距距风风力力发发电电机机组组的的功功率率曲曲线线由图图可可见见，，在在额额定定风风速速以以下下，，两两者者相相似似，，但但在在额额定定风风速速以以上上，，变变桨桨距距风风力力发发电电机机的的输输出出功功率率维维持持恒恒定定，，而而定定桨桨距距风风力力发发电电机机组组的的输输出出功功率率由由于于风风力力机机的的失失速速当当风风速速增增大大时时而而减减小小。。1293、变变桨桨距距风风力力发发电电机机组组的的控控制制系系统统传统统的的变变桨桨距距风风力力发发电电机机组组的的控控制制系系统统框框图图如如图图所所示示。。在在起起动动时时实实现现转转速速控控制制，，由由速速度度控控制制器器起起作作用用，，起起动动结结束束后后，，在在额额定定风风速速以以下下，，转转速速环环开开环环，，系系统统不不进进行行控控制制。。当当风风速速达达到到或或超超过过额额定定风风速速时时，，切切换换到到功功率率控控制制，，功功率率控控制制器器根根据据给给定定与与反反馈馈的的功功率率信信号号比比较较后后进进行行功功率率控控制制，，以以维维持持额额定定功功率率不不变变。。图3-38传统统的的变变桨桨距距风风力力发发电电机机组组的的控控制制系系统统框框图图130新型型控控制制系系统统与与传传统统控控制制系系统统的的主主要要区区别别是是采采用用了了两两个个速速度度控控制制器器及及增增加加了了转转子子电电流流的的控控制制。。其其中中一一个个速速度度控控制制器器的的作作用用与与传传统统的的速速度度控控制制器器相相同同，，既既起起动动时时和和同同步步转转速速附附近近的的转转速速控控制制。。另一一个个速速度度控控制制器器的的作作用用是是在在并并网网后后，，和和功功率率控控制制器器一一起起通通过过转转子子电电流流的的控控制制实实现现电电机机转转差差即即转转速速的的控控制制。。带带转转子子电电流流控控制制器器的的绕绕线线转转子子异异步步发发电电机机的的系系统统结结构构如如图图所所示示。。图3-39带转转子子电电流流控控制制器器的的绕绕线线转转子子异异步步发发电电机机的的系系统统结结构构131转子子电电流流控控制制器器安安装装在在绕绕线线转转子子异异步步发发电电机机的的转转子子轴轴上上，，通通过过集集电电环环与与转转子子电电路路相相连连，，转转子子电电路路中中外外接接三三相相电电阻阻，，通通过过一一组组电电力力电电子子器器件件来来调调整整转转子子回回路路电电阻阻，，从从而而调调节节发发电电机机的的转转差差率率，，实实现现调调速速的的目目的的，，其其控控制制系系统统原原理理如如下下图图所所示示。。图中中的的开开关关S代表表机机组组启启动动并并网网前前的的控控制制方方式式，，为为转转速速闭闭环环控控制制；；开开关关R代表表机机组组并并网网后后的的控控制制方方式式，，为为功功率率闭闭环环控控制制；；RCC为异异步步发发电电机机的的转转子子电电流流控控制制器器。。132图3-40转差可可调异异步发发电机机控制制原理理框图图133变速恒恒频风风力发发电机机组的的调节节与控控制1、原理理变速恒恒频是是指发发电机机的转转速随随风速速变化化，通通过适适当的的控制制得到到输出出频率率恒定定的电电能。。2、特点点1.可大范范围的的调节节转速速，使使功率率系数数保持持在最最佳值值，从从而最最大限限度地地吸收收风能能，系系统效效率高高；2.能吸收收和存存贮阵阵风能能量，，减少少阵风风冲击击对风风力发发电机机产生生的疲疲劳损损坏、、机械械应力力和转转矩脉脉动，，延长长机组组寿命命，减减少噪噪声；；3.可以控控制有有功功功率和