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    后缀doc是什么文件【风力发电系统及其变流技术总结filetype:doc】

    时间：2019-10-03 10:34:03 来源：024文库网 本文已影响人 024文库网手机站

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    篇一：电力电子变流技术在风力发电中的应用综述

    《现代电力电子技术》课程报告

    电力电子变流技术在风力发电中的应用综述

    姓 名：黄振中

    学 号：107550900956

    学科专业：控制理论与控制工程

    年 级：2009级

    学 期：2009/2010学年第二学期

    完成时间：2010年 6月 24日

    摘要：在风力发电的推广应用中，风力发电技术经历了从恒速恒频到变速恒频的发展，期间电力电子变流技术发挥了巨大的作用。本文选取直驱型风力发电系统作用研究对象，对其中涉及的变流技术进行了详细阐述。同时，采用直驱型风力发电系统及其拓扑结构进行阐述，是因为其中用的变流技术种类繁多、方案灵活、代表性前，代表了风力发电技术的崭新发展方向。在此值得一提的是，随着机组单机容量的不断增大，新型大型变流技术已经成为大功率风力发电机组的关键技术。

    关键词：风力发电 电力电子变流技术 直驱型风力发电系统 拓扑结构

    0 引言

    随着人类社会的发展,思想汇报专题能源与环境问题已成为全球可持续发展所面临的主要问题,风力发电以其无污染和可再生性,日益受到世界各国的重视,并保持增长最快的能源地位。近年来,风电技术取得了突飞猛进的发展。单机容量不断提高,兆瓦级风电机组实现商品化;风力机的变桨距功率调节取代了定桨距调节,发电机的变速恒频运行取代了传统的恒速恒频运行,系统效率进一步提高;实现了风电场的实时监控、远程测控及计算机群控,提高了分布或并网运行的稳定性和电能质量。

    在风力发电系统的机电能量转换过程中,发电机及其控制系统具有十分关键的作用,它不仅直接影响整个系统的性能、效率和供电质量,而且也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此,研究适合于风电转换的运行可靠、效率高、控制简单及供电性能良好的发电系统具有重要的理论意义和应用价值。目前,风电机组朝着高可靠性、低维护量、少组件、低成本、高集成度方向发展,传统风电机组中齿轮箱的存在成为制约其进一步发展的重要因素之一。上世纪末,许多欧洲国家开展了无齿轮箱的直驱式风电机组研究,其市场份额迅速扩大,德国在2004 年安装的风电机组中,就有40.9%采用了无齿轮箱系统。直驱式风电系统通过将风力机与发电机转子直接耦合,机组性能得到改善:

    (1)由于省去了齿轮箱,没有传动磨损和漏油所造成的机械故障,最全面的范文参考写作网站减少了机组维护,降低了噪声污染,提高了机组的可靠性和使用寿命。

    (2)取消了齿轮箱传动轴,机组水平方向长度大大缩短,增加机组稳定性。

    (3)直驱式永磁风力发电系统不需要电励磁装置,提高了发电效率,具有重量轻、可靠性好等优点。

    本文从发电机的性能、设计、可控性及功率控制等方面,对不同类型的多极永磁同步电动机在直驱式风电领域的应用进行分析比较,并介绍了相关的发电控制技术。可以相信,随着电力半导体器件和铁磁材料的发展,在直驱式风力发电系统中,占成本比例相对较高的功率变换器和发电机,其性价比不断提高,这种省去齿轮箱的直驱式风电系统将成为今后大功率风力发电的主要发展方向[1]。

    1 电力电子器件

    电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发展，而先进的电力电子器件为其在风力发电中的应用奠定了坚实的基础。

    1.1 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

    在二十多年的发展历程中，除了保持IGBT 基本结构、基本原理的特点不变之外，它经历了六代有各自特色的演变。迄今为止IGBT 仍是风力发电工程中使用的最广泛的功率器件。在风力发电中，因为风速经常变化，IGBT 模块在很短的时间内温度波动起伏大，会导致芯片和铜底片之间以及铜底片和基板之间的焊接部分承受大量的周期性的热-机械应力，范文TOP100所以提高模块应力十分重要。此外，在风力发电机舱中空间的节省不是一个小问题，提高模块功率密度也不容忽视。采用IGBT 的电压源换流器,具有关断电流的能力，可以应用脉宽

    调制技术(PWM)进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。

    文献[2]针对风力系统特点而设计了一种采用由IGBT 组成的“H”型SPWM 逆变器，通过控制“H”型逆变器中IGBT 的开关波形，可以控制输出电流；通过控制SPWM 的起始角θ，可以使逆变器以功率因数为1 的方式向电网输送能源，并使谐波因数、畸变因数达到设计要求。

    1.2 交-直-交变频器

    在变速恒频风力发电系统中，需要变频装置来完成由发电机到电网的能量传递。交直交变频器有效地克服了交交变频器的输出电压谐波多，输入侧功率因数低，使用功率元件数量多等缺点，易于控制策略的实现和双向变流，特别适合变速恒频双馈电机风力发电系统和无刷双馈电机风力发电系统。此外，海上风电场采用电力电子变频器能够实现有功和无功的控制，使风电机组运行在变速状态以捕获最大的风能同时降低机械应力和噪音。[2]

    1.3 矩阵变换器

    矩阵变换器是一种交交直接变频器，没有中间直流环节，功率电路简单，可输出幅值、频率均可控的电压，谐波含量较小。应用于风力发电中的矩阵式变换器，通过调节其输出频率、电压、电流和相位，以实现变速恒频控制、最大风能捕获控制、以及有功功率和无功功率的解耦控制等，目前矩阵式变换器的控制多采用空间矢量变换控制方法。

    2 储能技术

    因风能是不可直接储存的能源，对于离网型风力发电系统，为了保证供电的稳定可靠，可在多风期间将风能储存起来，以供其他装置使用。即使在风能资源丰富的地区，若以风力发电作为获得电能的主要方式，也必须配有适当的储能系统。再者，在风力和其他能源联合供电时，也需要储能技术的介入。

    2．1蓄电池

    风力发电机在与其它发电装置互补运行或独立运行时通常使用蓄电池进行储能。

    在风力－柴油发电系统联合运行中，采用配备蓄电池短时储能的措施，可避免由于风力及负荷的变化而造成的柴油机的频繁起动与停机。此外，蓄电池还可以减少柴油机的轻载运行，使其绝大部分时间运行在比较合适的功率范围内。同样的，在风光互补发电中，也使用蓄电池作为主要的储能方式。文献[3]中描述了在独立运行风力发电系统中，蓄电池可以决定风力发电系统除了满足负载使用外的输出的功率调整。文献[4]对于蓄电池在独立运行风力发电系统中的选型及容量确定等作了更深入的研究。范文写作鉴于蓄电池成本考虑，在风力发电系统中，多采用铅酸蓄电池或碱性蓄电池作为储存电能的装置。

    2．2超导储能器(SMES)

    开发超导线圈储能的可行性，美国在20 世纪90 年代就开始研究了。超导线圈可在超导温度下流过极高电流密度的大电流而不消耗电能，是储存电能的最佳选择之一。利用超导储能可以吸收或发出有功和无功功率，响应快，容量大，大大减少了电路的损耗。文献[5][6]都提出了使用超导储能技术使风力发电机组输出电压和频率稳定。从而使电网稳定。文献[7]在详细介绍了超导储能SMES 的调节原理及其最优控制方法的基础上，提出在并网型风力发电系统中，建立了SMES 模型，同时用基因算法对SMES 的控制参数进行寻优，仿真结果表明，SMES 单元用于并网形风力发电系统可实现对电压和频率的同时控制，提高了输出稳定性。文献[8]指出风电系统中配备储能设备可以提高风电并入电网的容量。

    2．3不间断电源(UPS)

    不间断电源(UPS)是指当交流输入电源发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。现代UPS 普遍采用脉宽调制技术和IGBT、功率M0SFET 等现代电力电子器件，效率和可靠性得以提高。并引入微处理器软硬件技术，实

    现了智能化管理，可进行远程维护和远程诊断。风能的随机性较大，发电的稳定性也受到限制，对较偏远地区或者单独运行的风电场来说，不间断电源的使用很有必要。

    3 直驱型风力发电系统结构

    图1是以永磁发电机和全功率变换器为核心的直驱式风力发电系统拓扑。由于采用永磁体励磁,发电机不必从电网或发电机侧变流器得到无功功率;中间直流环节的存在,发电机与电力系统没有无功能量交换;根据风能变化,通过变速恒频控制优化系统输出功率;网侧变流器可以改善功率因数,并在一定范围调节输出电压。

    [1]

    图1 直驱式永磁风力发电系统拓扑

    根据发电机结构的不同,直驱式风电系统有内转子型和外转子型两种拓扑。内转子型是一种常规发电机形式,风力机和永磁体内转子同轴安装。这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好,温度低,定子外形尺寸小;外转子型是风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合,定子电枢安装在静止轴上。这种结构易于永磁体安装固定,缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利,永磁体转子直径大,不易密封防护。

    4 实用大功率直驱型风力发电系统拓扑[9]

    该系统是新疆金风科技股份公司1.2MW直驱风力发电系统，原理图如图2所示。该系统前端采用不控整流桥整流为直流，DC—DC部分采用3个工作于电流连续模式

    的(CCM)BOOST变流器并联，逆变器采用了组合变流器结构。该系统具有工作稳定，控制简单，网侧功率因数高达9 8％，对电网谐波影响小的特点，被现今大功率直驱系统普遍采用[8]。

    图2 实用大功率直驱型风力发电系统拓扑

    5 不可控整流器后接电流源型逆变器型拓扑结构

    直驱型风力发电系统需要全功率变换器，而在现有器件耐压水平未取得突破性进展以前，多电平技术因其可以减小开关管电压应力和等效开关频率，而非常适合应用于直驱型风力发电系统。近年来，多电平变流器在高压、大功率领域受到了国内外学者的普遍关注。多电平变流器的思想最早于1981年Nablae等人提出的，它的基本思路是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。多电平变流器作为一种新型的高压大容量功率变流器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量输出波形的同时，克服了两电平变流器的诸多缺点，无须输出变压器和动态均压电路，开关频率低，并有开关器件应力小，系统效率高等一系列优点。

    随着开关器件容量的上升，开关导通特性的改善，多电平变流器的优点越来越显著。其优点主要体现在减少输入输出谐波，减小了输入滤波器的体积与容量，降低电磁干扰(EMI)。相对两电平变流器，多电平变流器开关频率降低了25％，因此可以减少开关损耗。多电平变流器的主要缺点在于直流电压得平衡问题。针对该问题，有硬件和软件的解决方法。硬件法需要额外的开关管，增加系统的成本并减少稳定性，软件法需要对调制信号进行控制增加了计算负担。对多电平的均压问题，各国学者以有比较成熟的解决方案[10-12]。

    风力机市场的趋势是额定容量、电压电流等级不断提高。这使得多电平变流器很适合应用于新型的风力机。随着电压等级的增加，多电平变流器可以直接接人分布式电网，省去沉重的升压变压器。多电平变流器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑，归纳起来主要有以下三种：二极管箝位型多电平变流器(diode—clamped multi—level converter)、级联H桥型多电平变流器(cascade H pidge multi—level converter)和飞跨电容型多电平变流器(flying—capacitor multi—level converter)。

    系统采用与电压源型逆变器不一样的电流源型逆变器是因为电流源型逆变器具有四象限运行能力，系统更可靠，不存在击穿故障等优点，但是也存在逆变器和负载之间的相互影响较多，必须对称承压，带多个复杂或者并联并不容易实现，动态响应慢等缺点[13]。

    5．1 二极管箝位型多电平变流器在直驱系统中的应用

    二极管箝位型变流器与直驱系统结合应用如图3所示，系统前端及后段均可以采用二极管箝位型变流器，分别如图3(a)、(b)所示。

    篇二：风力发电中的电力电子变流技术B

    风力发电中的电力电子变流技术试题(B)

    一、单项选择题（本大题共5小题，每小题5分，共25分）

    在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。

    1.电阻性负载三相半波可控整流电路中，该输入电源相电压有效值为U2，晶闸管所承受的最大反向电压URm等于多少 ( )

    A．URm=√3 U2

    C．URm=2√2 U2 B．URm=√6 U2

    D．URm=2√3 U2

    2．三相全控桥式整流电路中，共阴极组的三个晶闸管的触发脉冲相位互差（）

    A．60° B．90°

    C．120° D．150°

    3．单相全控桥式整流电阻性负载电路中，控制角α的最大移相范围是（）

    A．90° B．120°

    C．150° D．180°

    4．变流电路能进行有源逆变的条件之一是（）

    A．直流侧接有续流二极管 B．电阻性负载

    C．直流侧接有RC保护电路 D．直流侧有直流电动势Ed

    5．目前国际主要的商用风力发电机容量是（）

    A．0.1MW B．1.5MW

    C．15MW D．150MW

    二、填空题（本大题共5小题，每空3分，共15分）

    请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。

    1.单相全桥相控电阻性负载电路中，设触发角为α，则晶闸管的导通角为___________。

    2.按照控制信号的性质来分，晶闸管是属于___________驱动型电力电子器件。

    3.将直流电转换为交流电能，直接提供给交流___________的逆变电路称为无源逆变器。

    4.对同一只晶闸管，擎住电流IL和维持电流IH的大小关系为___________。

    5.对于单相桥式电压源型无源逆变电路，采用180导电方式，输出电压最低谐波为___________次。

    三、简答题（本大题共3小题，每小题10分，共30分）

    1.试阐述变速恒频发电机的并网方式。

    2.请简要描述空间矢量调制的基本思想

    3.简要描述晶闸管的特性。

    五、计算题（本大题共2小题，每小题15分，共30分）

    1.降压型斩波电路中，直流源电压Ud=100V，占空比Kt=0.6，负载电阻R=2?，试回答下列问题：(1)输出电压的平均值 (2)负载消耗的平均功率。

    2.有一单相桥式全控整流电路,负载为纯电阻，要求控制角α=60°时，Ud=135V，Id=27A。试计算整流变压器二次电流的有效值I2和变压器容量。

    风力发电中的电力电子变流技术试题(B)答案

    三、简答题

    1．答案要点：一、空载并网方式；二、带独立负载并网方式；三、孤岛并网方式；

    2．答案要点：以三相对称正弦电压供电时三相对称电机定子的理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量去逼近基准磁链圆，并由他们比较的结果决定逆变器的开关状态。

    3．答案要点：见课本。

    四、计算题

    1．

    答案要点：

    解：（1）U0=αE

    （2）P=（UxU/R

    2．

    答案要点：

    解：（1）I=I 2= U 2/R√(1/2πsin2α+(π-α)/ π)

    （2）S= U 2 I 2

    篇三：风力发电中的电力电子变流技术A

    风力发电中的电力电子技术变流试题(A)

    一、单项选择题（本大题共5小题，每小题5分，共25分）

    在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。

    1．电阻性负载三相半波可控整流电路，在合理的控制角范围内，当控制角α为何值时，输出负载电压会出现断续（）

    A．<30°

    C．45° B．30° D．90°

    2．三相桥式不可控整流电路中，二极管在自然换相点按1、2、3、4、5、6、1的顺序每隔多少度换相一次（）

    A．45° B．60°

    C．90° D．120°

    3．单相全波可控整流阻感性负载电路中，在理想的条件下（）

    A．电感消耗的能量大于电阻消耗的能量 B．电感消耗的能量等于电阻消耗的能量

    C．电感消耗的能量小于电阻消耗的能量° D．电感本身不消耗能量

    4．下面给出的四个电力半导体器件中，哪个是全控型电力半导体器件（）

    A．二极管 B．晶闸管

    C．功率晶体管 D．逆导晶闸管

    5．目前，E.ON标准中对于低电压穿越技术的电压恢复的是时间度是（）

    A．30ms B．300ms

    C．3000ms D．3s

    二、填空题（本大题共4小题，每空3分，共15分）

    请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。

    1.单相全控桥式整流电路电阻负载，控制角α=___________时，整流输出电压平均值Ud=0。

    2.单相半波可控整流纯电阻负载电路，控制角α=___________时，负载电流的平均值最大。

    3.电阻性负载三相全控桥式整流电路，在一个输入电源周期内，整流输出电压有___________个波头。

    4.电压型式三相桥式逆变电路中，采用180°导电控制方式时，同一相上、下两桥臂控制信号的相位差___________度。

    5.直流降压斩波电路中，控制开关占空比Kt =___________时。

    三、简答题（本大题共3小题，每小题10分，共30分）

    1试阐述变速恒频风力发电系统与恒速恒频风力发电系统相比有点有哪些？

    2.简述异步发电机的并网方式。

    3.简述不可控整流电路的缺点及措施。

    四、计算题（本大题共2小题，每小题15分，共30分）

    1.降压型斩波电路中，直流源电压Ud=200V，占空比Kt=0.8，负载电阻R=4?，试回答下列问题：(1)输出电压的平均值 (2)负载消耗的平均功率。

    2.有一单相桥式全控整流电路,负载为纯电阻，要求控制角α=45°时，Ud=140V，Id=30A。试计算整流变压器二次电流的有效值I2和变压器容量。

    风力发电中的电力电子变流技术试题(A)答案

    一、单项选择题

    1．B2．B3．D4．C5．B

    二、填空题

    1．180°2．0° 3．64．120 5．0

    三、简答题

    1．答案要点：一、减少机械应力，阵风能量可以被风力机的转动惯量吸收；二、较简单的浆距控制；三、提高了系统的风能利用率。

    2．答案要点：一、直接并网方式；二、准同步并网方式；三、降压并网方式；四、软并网方式。

    3．答案要点：不可控整流桥会向发电机注入大量的谐波，电流的畸变率很大，约百分之十。大量的谐波电流会在发电机内部产生大量的损耗，使发电机温度上升，缩短发电机寿命，系统效率更低。因此，如果能使发电机输出电流正弦化，减少电流谐波，就能减少发电机损耗，增加系统效率。

    四、计算题

    1．

    答案要点：

    解：（1）U0=αE

    （2）P=（UxU/R

    2．

    答案要点：

    解：（1）I=I 2= U 2/R√(1/2πsin2α+(π-α)/ π)

    （2）S= U 2 I 2

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