IGBT及其集成控制器在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用
作者：微葉科技 時(shí)間：2015-06-02 11:02
風(fēng)力機(jī)由風(fēng)能收集器、升速齒輪箱、控制機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)和支撐部件等幾部分組成。，現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)還包括發(fā)電、儲(chǔ)能等輔助系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)上，風(fēng)力機(jī)分為水平軸式和垂直軸式兩種，其中，絕大部分的風(fēng)力機(jī)為水平軸、三葉片、下風(fēng)向式結(jié)構(gòu)。MW級(jí)的大型風(fēng)力機(jī)也有采用兩葉片式結(jié)構(gòu)的。
發(fā)電機(jī)由交流發(fā)電機(jī)、整流器、控制器、逆變器（變頻器）和蓄電池等幾部分組成。在10kW以下的小容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，常采用永磁式或自勵(lì)式交流發(fā)電機(jī)；在100kW以上的大容量并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，常采用同步發(fā)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。
一 離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組
離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理框圖如圖1所示。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又稱(chēng)獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。它是將葉片收集來(lái)的風(fēng)能經(jīng)交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為交流電電能，再經(jīng)整流—升壓電路轉(zhuǎn)換為300V以上的直流電壓，為蓄電池充電。若用戶(hù)需要交流電時(shí)，通過(guò)逆變器變換為50Hz、220v的交流
圖1 離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理框圖
蓄電池作為獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的儲(chǔ)能系統(tǒng)，通常采用鉛酸蓄電池或堿性蓄電池。鉛酸蓄電池的單體電壓為2V，堿性蓄電池的單體電壓為1.2V。根據(jù)逆變器要求的直流測(cè)輸入電壓來(lái)選擇蓄電池組串聯(lián)運(yùn)行時(shí)所需單體蓄電池的個(gè)數(shù)。
二 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 10 kW以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式有兩種：恒速恒頻方式和變速恒頻方式。
1.恒速恒頻方式
恒速恒頻方式的特點(diǎn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速保持恒定，不隨風(fēng)速的大小而變化，輸出恒幅恒頻的交流電。由于有簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，恒速恒頻方式在早期得到廣泛的應(yīng)用。它的缺點(diǎn)是對(duì)風(fēng)力的利用不充分，只有在一定的葉尖速比的情況下，才能得到最高的風(fēng)能利用率。
恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的原理框圖如圖2 所示。葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過(guò)變速齒輪帶動(dòng)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速略大于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率s和轉(zhuǎn)矩te變負(fù)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，利用調(diào)向機(jī)構(gòu)來(lái)控制轉(zhuǎn)速。
圖2 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的原理框圖
凋向機(jī)構(gòu)的作用是調(diào)整風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與空氣流動(dòng)方向的相對(duì)位置。當(dāng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面迎對(duì)空氣流動(dòng)的方向，即兩者相互垂直時(shí)，風(fēng)力機(jī)獲得的風(fēng)能最大，風(fēng)輪葉片轉(zhuǎn)速最大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率最大。在中小型風(fēng)電場(chǎng)中，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)裝置來(lái)完成調(diào)向，而伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)來(lái)自風(fēng)信標(biāo)。風(fēng)信標(biāo)給出正負(fù)信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)便正反轉(zhuǎn)，所以調(diào)向機(jī)構(gòu)可以?xún)蓚€(gè)方向調(diào)向。由于風(fēng)速不斷變化，需要不問(wèn)斷地調(diào)向，調(diào)向機(jī)構(gòu)多次反復(fù)動(dòng)作，極容易疲勞損壞。再者，當(dāng)大風(fēng)速時(shí)，仍要保持恒速，風(fēng)力機(jī)需要承受大的機(jī)械應(yīng)力，要求具有高強(qiáng)度。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)適用于1000 千瓦以下的中小型風(fēng)電場(chǎng)。
2．變速恒頻方式
與恒速恒頻方式不同，變速恒頻方式是采用同步發(fā)電機(jī)或雙饋發(fā)電機(jī)（也叫繞線(xiàn)異步發(fā)電機(jī)），當(dāng)風(fēng)速變化較小時(shí)，與恒速恒頻方式一樣，通過(guò)調(diào)向機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。當(dāng)強(qiáng)風(fēng)來(lái)到時(shí)，通過(guò)傾角控制器調(diào)節(jié)風(fēng)輪葉片的傾角達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。在低風(fēng)速時(shí)利用調(diào)向機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在高風(fēng)速時(shí)利用傾角控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，兩個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置交替應(yīng)用，相對(duì)來(lái)說(shuō)，減少了調(diào)向機(jī)構(gòu)和傾角控制器使用次數(shù)，動(dòng)作次數(shù)的減少也就是延長(zhǎng)了使用壽命。
發(fā)電機(jī)輸出的交流電經(jīng)過(guò)交一直一交變頻器，得到50Hz、220V的交流電并人電網(wǎng)。根據(jù)并人電網(wǎng)的方式的不同，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)又分為采用同步發(fā)電機(jī)的直接在線(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)和采用雙饋發(fā)電機(jī)的雙饋發(fā)電系統(tǒng)。兩者的原理框圖分別表示在圖3和圖4中。
圖3 采用同步發(fā)電機(jī)的直接在線(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的原理框圖
圖4 采用雙饋發(fā)電機(jī)的雙饋發(fā)電系統(tǒng)的原理框圖
在圖3中，同步發(fā)電機(jī)輸出的交流電，其幅值和頻率與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，經(jīng)IGBT單象限電壓源型交—直—交變頻器變換成與電網(wǎng)同幅、同頻的交流電，與電網(wǎng)并網(wǎng)。其中，交—直變換可以采用不可控橋式整流器，后接多級(jí)Boost 電路交錯(cuò)并聯(lián)以求得功率傳輸能力，并降低開(kāi)關(guān)頻率。同步發(fā)電機(jī)的直接在線(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)直接耦合，省去了齒輪變速箱，降低了運(yùn)行噪聲，提高了系統(tǒng)可靠性。若將不可控橋式整流器用PWM 整流器代替，可以避免不可控橋式整流器存在的整流器輸出側(cè)電流嚴(yán)重畸變現(xiàn)象，得到恒定的直流輸出。此時(shí)，可以采用Boost型PWM 整流器，具有整流和升壓雙重功能。
在圖4 中，雙饋發(fā)電機(jī)（線(xiàn)繞異步發(fā)電機(jī)）的定子直接與電網(wǎng)相連，而轉(zhuǎn)子經(jīng)IGBT四象限電壓源型交—直—交變頻器與電網(wǎng)相連。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于同步速時(shí)，轉(zhuǎn)差率s<0，轉(zhuǎn)差功率由交—直—交變頻器流出，與定子送往電網(wǎng)的功率相加，即送往電網(wǎng)的總功率要大于定子功率。而當(dāng)轉(zhuǎn)速低于同步速時(shí)，轉(zhuǎn)差率s>0，轉(zhuǎn)差功率由 電 網(wǎng)經(jīng)交—直—交變頻器送往轉(zhuǎn)子，電 網(wǎng)得到的功率為定子功率與轉(zhuǎn)差功率之差，電 網(wǎng)得到的功率要小于定子功率。由此可見(jiàn)，交—直—交變頻器應(yīng)具有雙向功率傳輸功能，必須是四象限雙PWM變頻器，即由兩套 IGBT變換器組成。與采用同步發(fā)電機(jī)的直接在線(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)不同，在交—直—交變頻器中只流過(guò)轉(zhuǎn)差功率，可以選用小容量的變頻器，通常選取其容量為發(fā)電機(jī)總功率的25%（相對(duì)于轉(zhuǎn)速變化范圍為土33%）。這樣，降低了交—直—交變頻器投資。但是由于采用雙饋發(fā)電機(jī)，要比永磁發(fā)電機(jī)重，效率低。由于采用同步發(fā)電機(jī)的直接在線(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)和采用雙饋發(fā)電機(jī)的雙饋發(fā)電系統(tǒng)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中都有應(yīng)用。
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