风力发电电能变换装置的研究设计

毕业设计论文
题目风力发电电能变换装置的研究（院）系电气与信息工程系
湖南工程学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：风力发电电能变换装置的研究
姓名系别电气与信息工程系专业电气工程及其自动化班级0004学号 0001120531 指导老师浣喜明教研室主任
一、基本任务及要求：
在规定时间内，完成以下工作：
1．整体方案的确定；
2．主电路设计、元器件选择；软件设计；
3．装置工艺设计：画出布置图和电气接线图；
4．装置调试与实验：写出调试和实验报告。

5．提交设计说明书和图纸。

二、进度安排及完成时间：
（1）第二周至第四周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告；
（2）第五周至第六周：毕业实习；
（3）第六周至第七周：总体方案的确定；
（4）第八周至十二周：主电路设计与元器件的选择；软件设计；
（5）第十三周至第十四周：装置工艺设计；
（6）第十五周至第十六周：装置调试与实验；
（7）第十七周至第十九周：撰写设计说明书
（8）第二十周：毕业设计答辩
目录
摘要 (1)
概述 (1)
第1章风力发电的电能变换装置及其工作原理 (1)
1.1风力发电的特点和风力发电机的系统 (1)
1.2风力发电的电能变换装置的组成 (2)
1.3风力发电的电能变换装置的工作原理 (4)
第2章整流电路 (5)
2.1 单相可控整流电路 (5)
2.2 三相可控整流电路 (7)
2.3 三相不可控整流电路 (9)
2.4 直流滤波电路 (11)
第3章蓄电池组 (14)
3.1 蓄电池的种类和特性 (14)
3.2 铅酸蓄电池的基本概念 (14)
3.3 免维护铅酸蓄电池的特性 (17)
3.4 铅酸蓄电池的工作原理 (18)
第4章充电电路 (19)
4.1 充放电装置的设计要求 (19)
4.2 充放电控制过程分析 (20)
第5章斩波电路 (22)
5.1 Cuk变换器工作原理 (22)
5.2 有变压隔离器的Cuk变换器 (25)
5.3 DC/DC变换器主回路的线路结构 (27)
5.4 DC/DC的驱动电路 (28)
第6章逆变电路 (29)
6.1 换流方式 (29)
6.2 电压型逆变电路 (30)
6.3 电流型逆变电路 (34)
6.4 PWM控制技术在逆变电路中的应用 (36)
第7章静态开关 (38)
7.1单继电器做静态开关 (38)
7.2 电子式静态开关 (39)
第8章控制检测保护电路 (42)
8.1单相正弦脉宽调制(SPWM)电路 (42)
8.2三相正弦脉宽调制(SPWM)电路 (45)
8.3 保护电路 (46)
第9章结束语 (48)
致谢
参考文献
摘要
风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁、可再生的新型能源，而且无污染，因此当今世界各国都把开发风力发电作为现代科技的新兴产业。

本文主要研究风力发电的电能变换及其装置，介绍和比较各电力电子电路的特性，选择风力发电电能变换装置适合的电路，使风能通过整流，充电电路，蓄电池组的储能，逆变器电路和斩波电路再通过静态开关的切换和控制电路的控制检测保护电路的控制监测使其能够输出恒久稳定的电压，从而利用风力发电电能变换装置达到风力发电的要求和目标。

关键词：风力发电电能变换整流逆变静态开关
Abstract
Wind power is a kind of regeneration new energy sources which supply is inexhaustible and inexhaustible. Because of no pollution, all of the countries take the development of wind power electricity as modern science and technology of new rising estate in modern time. The Electric power transformation and its devices of the main research in this text wind power, introduction with the characteristic of each electric power electronics electric circuit, choose the electric circuit that wind power electric power transformation equip in keeping with, make wind energy passed to commutate, refresh the electric circuit, storage battery a control for keeping can, changing machine electric circuit with an electric circuit again passing the switch of static state cutting over with controlling electric circuit examination protection the control of the electric circuit monitors to make its can output the endurable and stable electric voltage, from but make use of the wind power electric power transformation equip to attain the request of the wind power with target.
Keywords: The Wind Power Electric, Power Transformation Commutates,
Rectification, Inversion, Static State Switching
第1章风力发电的电能变换装置及其工作原理
1.1风力发电的特点和风力发电机的系统
1.1.1风力发电的特点
由于风能的特殊性，与常规的水火电系统相比风电系统具有很大的差别，主要表现在三个方面：
(1)风能的随机性
风速随着大气的气温、气压、湿度、干度、太阳及月亮的活动和风电场地形地貌等因素的不同而不同，是随机和不可控的，这样作用在风力机叶片上的风能也就是随机的和不可控制的。

(2) 风力机转动惯量大
风能密度分布相对比较低，为了尽可能捕获较多的风能，风力机转动的叶片直径必须做的很大，典型的商业化中大型风力发电机组转动叶片直径大概在20m～60m之间。

显然，巨大的转子叶片的直径，必然使得风力机具有较大的转动惯量。

(3) 风力机与发电机之间的柔性连接
为了有效的转换风能，风力机转子由于受到风能转换效率（理论极限值是0.59）的限制，叶尖速率比不λ可能很大，风力机的转子转动的速度不会很高，与发电机转动的速度相差比较大，发电机与风力机之间不能直接相连，必须通过一定变比的升速齿轮箱进行传动。

这样发电机与风力机之间的刚性度大大降低。

换句话说，风力机和发电机两大系统之间是柔性连接的。

(4) 异步发电机
目前，大规模的风力发电机系统一般采用异步发电机直接并网的运行方式。

通常机端配备有补偿电容器组，以提供异步发电机在启动和运行时所需要的激磁无功。

异步发电机的频率由大系统来决定，风能的变化将引起异步发电机转差的变化，相应地其注入电网的有功和吸收的无功也要随着风速的变化而变化，这将导致系统，特别是风电场附近电网母线电压的波动，严重时还可能引起电压闪变。

随着电力电子的发展，新型的风力发电机可以选用变速恒频交流励磁双馈发电机，则无须配备补偿电容器组。

这种交流励磁双馈发电机不仅能发有功功率，而且还能发无功功率，且能方便地调节有功功率，使得风力发电系统具有良好的性能
1.1.2风力发电机的系统
目前风力发电机技术越来越得到风力发电工作者的注意，因此都考虑采用交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统。

变速恒频风力发电机采用采用双馈型发电机，它与饶县型感应电机相似，其定子接入电网，转子绕组由频率、相位、幅值都可调节的电源供给三相低频交流励磁电流(如图1.1所示)。

低频励磁电流在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度w S与转子机械转速w r相加等于定子磁场的同步转速w1，即w1=w r+w S，从而发电机定子感应出共频电压。

当风速变化引起发电机转速w r变化时，改变转子绕组电流的频率和旋转磁场的转速w s，可是定子旋转磁场w1保持恒定，达到变速恒定的目的。

图1.1 交流励磁双馈风力发电机原理图
由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，因此图1.1中所示的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。

另外发电机运行时，既可超同步速运行，也可亚同步速运行，变速运行的范围比较宽。

这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。

缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷。

1.2 风力发电的电能变换装置的组成
风力发电的电能变换装置主要由输入整流电路、蓄电池组、充电电路、斩波电路、逆变器电路、静态开关和控制检测保护电路七个部分组成。

1.2.1输入整流电路
整流电路主要是将交流电变为直流电，在风力发电的电能变换装置中，蓄电池组、逆变器及其控制电路均需要直流电，因此，整流电路的主要作用就是将交流电变为直流电为其提供稳定的直流电，保持电压稳定的输出以及抑制电网的干扰信号。

1.2.2 蓄电池组
蓄电池组是风力发电电能变换装置的心脏，没有蓄电池组的装置只能称作交流稳压稳频电源。

目前在不间断供电中，广泛使用蓄电池作为储存电能的装置。

当风力发电正
常时，蓄电池由直流电源对其充电，将电能转换成化学能而储存起来；当风力发电供应中断时，装置用储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作，此时蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给系统使用，因此蓄电池是一种可逆电源。

目前在中小型风力发电电能变换装置中广泛使用的是所谓的免维护的密封式铅酸蓄电池，它的价格较贵，一般占UPS总生产成本的1/4～2/5。

在返修的UPS中，由于蓄电池的故障而引起的风力发电电能变换装置不能正常工作的比例占1/3。

由此可见，正确的使用并维护好蓄电池组，对延长蓄电池使用寿命极大，如果正确使用，蓄电池的寿命一般可达到3～5年。

1.2.3充电电路
风力发电电能变换装置中充电电路将蓄电池放电后损失的能量重新补充，一般充电电路是独立于逆变器而工作的，也就是说即使不用逆变器，只要将电源接通，充电电路就可以工作。

在充电过程中，充电器的控制电路检测整流充电过程，一般在充电阶段是恒流充电过程，随着电池电压的上升，当蓄电池的电压达到浮充电压以后，充电器工作在恒压阶段，直到电池被充满。

因此，充电电路的反馈回路一般有两个，一个作为电流反馈，另一个是电压反馈。

主电路一般采用开关型电路，其类型一般有降压电路和升压电路两种。

这些电路称为基本充电电路。

为了减少充电时间，各种快速充电电路在风力发电电能变换装置中也得到了应用。

1.2.4斩波电路
风力发电电能变换装置中的斩波器即DC/DC，就是利用晶闸管或自关断器件来实现通断控制，将直流电源电压加到负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值。

它具有效率高、体积小、重量轻、成本底等优点，现在广泛地用于USP和风力发电电能变换装置的直流—直流变换器和功率因数校正电路中，对整流电压或蓄电池电压进行升、降压和稳压。

1.2.5逆变器电路
风力发电电能变换装置逆变器的功能是将风力发电整流所得的直流电压或蓄电池电压逆变成频率稳定、电压稳定、波形失真小的交流电压。

目前在风力发电电能变换装置的逆变器中，逆变原理普遍采用脉宽调制技术（SPWM技术）及波形叠加技术，该波形经过LC低通滤波器滤波得到标准正弦波。

1.2.6静态开关
静态开关是风力发电电能变换装置的保护设备和供电转换器件，它一方面保护装置和负载，另一方面作为风力发电和蓄电池供电的转换器件。

由于静态开关转换时间很短，因此在转换过程中不会出现间断。

在风力发电电能变换装置一般采用一对反向并联的快速可控硅作为静态开关。

1.2.7控制检测保护电路
控制检测保护电路主要由保护、监测和报警电路组成。

控制电路是风力发电电能变
换装置的神经中枢，其输出电压精度高低、波形失真大小以及长期工作可靠性的高低均与控制电路密切相关。

为了使装置可靠工作，应具有较为完善的保护电路，一般的风力发电电能变换装置都具有电池电压过低自动保护、逆变器输出过载或短路自动保护电路、逆变器过压输出自动保护电路、输入电压过高自动保护电路等保护电路。

监测和报警电路则是为了随时的掌握和了解装置的工作状态和运行情况。

1.3 风力发电的电能变换装置的工作原理
风力发电电能变换装置原理:
①当风力发电正常时，输出电压经过整流滤波电路，一路经过斩波器给逆变器提供电压，逆变器输出变压器和输出滤波电路将SPWM波形变换成隔离的纯正弦波，另一路送入充电器给蓄电池补充能量。

这种工作状态时，静态开关切换到逆变器。

风电经整流滤波器、逆变器及静态开关给负载供电，并且由逆变器来完成稳压和频率跟踪的功能。

②当风力发电不足或输出故障或输出过载时，工作在后备状态，静态开关仍然切换到逆变器端，由蓄电池经逆变器将蓄电池的直流电压转换成交流电压通过静态开关输出到负载。

③在风力发电正常，逆变器出现故障或输出过载时，装置工作在旁路状态，静态开关切换到市电直接给负载供电。

如果静态开关的转换是由逆变器故障引起，装置会发出报警信号；如果是由过载引起，当过载消失以后，静态开关重新切换回逆变器端。

控制、监测、显示、告警及保护电路提供逆变、充电、静态开关转换所需的控制信号，并显示其各工作状态，当出现过电压、过电流、短路、过热时及时报警，同时提供相应的保护。

比如当负载发生短路是，保护电路会很快将逆变器关断，使其免受损坏，短路消失后逆变器会重新自动启动，恢复风力发电。

由此可见，无论风力是否正常，其输出总是由逆变器提供，所以在风力不正常的时候，其输出不会有任何间断。

其原理框图如图1.2所示。

(主线路图见附录)
图1.2 风力发电电能变换装置框图
第2章整流电路
整流电路是电力电子电路中出现的最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。

整流电路主要的分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。

2.1 单相可控整流电路
单相可控整流电路的交流侧接单相电源，它包括半波可控整流、全波可控整流、桥式全控整流和桥式半控整流。

2.1.1单相半波可控整流
单相半波整流电路，是电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，支流输出电压U d 为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在正半周内出现，所以叫半波整流。

如图所示2.1。

图2.1 单相半波可控整流电路及波形
半波整流在负载R上的直流电压U的数值，为半波电压在整个周期的平均电压值，即：
2
22
11cos
sin() (1+cos)0.45
222
d
U td t U
πα
ωωα
ππ
+
===
⎰
半波整流中，流过整流元件的平均电流I d与流过阻感负载的直流电流I r相等，即：
()
22
sin()sin()
R
t
L
d
i e t
Z Z
ωα
ω
αϕωϕ
--
=--+-
式中，arctan
L
Z
R
ω
ϕ
==；
整流元件承受的最大反向电压U反，就是变压器次级电压U2的最大值，即：
T
R
u2
ππα
u2ud
VT
u1
id
u
VT
2x
U 反
2
2.1.2 单相全波整流电路
单相全波整流电路，由两个单相半波整流电路组合而成,由于加在负载上的电压有
两个波，包括了电源电压的整流波形，所以叫做全波整流。

变压器次级有个中心抽头，上下两部分匝数相等，即变压器的输出电压U 2与U 2/的大小相等，相位相反，彼此相差180o 。

如图所示2.2。

图2.2 单相全波可控整流电路及波形
单相全波整流电路，在负载电阻R 上得到的单方向的半波电压是半波整流电路的2
倍，因为两个整流元件是轮流导通的，所以流过每个整流元件的电流只有负载电流的一半，然而，加在整流元件上的反向电压，却比半波整流增加了一倍，也就是说，在单相全波整流中，每个整流元件所承受的最大反向电压，是变压器次级电压最大值的两倍。

2.1.3 单相桥式全控整流电路
在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT 1和VT 4
VT 2和
VT 3组成另
一对桥臂。

22。

如图所示2.3。

T 0αu i d d ()u d ωπi d V T V T V T V T 123
4
u d u 2i d
R
t i 2
图2.3 单相桥式全控整流电路及波形 T R
αud
αx
ud
u10
VT 1
2i VT 1
由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。

变
压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高，整流电压平均值为：
2211cos sin ()0.92
d U td t U πααωωπ+==⎰ 当电路中带有阻感负载时，电感的存在使负载电流不能突变，对负载电流起平波作用，其电压平均值为：
221sin ()0.9cos d U td t U παα
ωωαπ+==⎰ 2.1.4 单相桥式半控整流电路
在单相桥式半控电路中，每个导电回路中只需1个晶闸管导通以控制导电回路，另
1个则用1个二极管代替，从而简化整个电路。

如图所示2.4。

T 0αu d
ωπ
VT VT VD VD 1234u d u 2
i d
R
t L
VD R a b
i 2
图2.4 单相桥式半控整流电路及波形
半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同，在电感负载工作时，当α处给
晶闸管VT 1加触发脉冲时，u 2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT 1继续导通。

但电流不再流过变压器二次绕组，而是由VT 1和VD 2续流。

此时，u d =0,不像全控桥电路那样出现负值。

当α突然增大至180o
或触发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的失控现象，因此在电路中加设续流二极管VD R 以避免此失控现象，同时，续流期导电回路中只有一个管压降，少了一次管压降，有利于降低损耗。

2.2 三相可控整流电路
当整流负载容量教大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流
侧由三相电源供电。

在三相控整流电路中，应用最为广泛的就是三相桥式全控整流电路，以及双反星形可控整流电路，均可在三相半波的基础上进行分析。

一般三相桥式整流电路是由三相输入变压器、六只整流二极管、及负载组成，三相变压器的初级和次级既可接成星形，也可接成三角形。

这里主要介绍三相桥式全控整流电路，其电路和波形如图所示2.5。

图2.5 三相桥式全控整流电路及波形
目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，习惯将其中阴
极连接在一起的3个晶闸管（VT 1、VT 3、VT 5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT 4、VT 6、VT 2）称为共阳极组。

当电路中带有电阻负载时，三相桥式全控整流电路在每个时刻均需2个晶闸管同时
导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同1相的晶闸管。

6个晶闸管的脉冲按VT 1—VT 2—VT 3—VT 4—VT 5—VT 6的顺序，相0
00
u 1
VT u d2
d1u c
b a u u u ac
u ab u ac ab cb ca ba bc ac u u u u u u u ab u u ac ab ab u cb u ca u ba u bc u ac u u d u t
ωt ωt
ωu 2
u
2L
ud 负载
VT VT VT VT VT VT a
b
c 12
345
6i a
T n d 2i d
位依次差60。

；共阴极组的脉冲依次差120。

，共阳极组也依次差120。

；同一相的上下两个桥臂的脉冲相差180。

整流输出电压u d 一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。

在整流电路合闸启动过程中或电流续流时，同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲，以确保电路的正常工作。

当电路中带有阻感负载时，α≤60。

时，u d 波形连续，电路的工作情况与带电阻负
载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压
u d 波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。

区别在于得到的负载电流i d 波形不同，阻感负载时由于电感的作用，使得
负载电流波形变得平直，近似为一条水平线。

当α>60。

时，阻感负载由于电感L 的作用，
u d 的波形会出现负的部分。

若电感L 足够大，u d 中正负面积将基本相等，u d 平均值近似为零。

这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90。

当α≤60。

时，整流输出电压平均值为：
2
32233sin () 2.34cos d U td t U παπα
ωωαπ
++==⎰ 当α>60。

时,整流电压平均值为：
223sin () 2.34[1cos()]3
d U td t U ππαπωωαπ+==++⎰ 三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流
连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算I d 时有所不同，接反电动势阻感负载时的I d 为：
d
d U E I R -= ； 2.3 三相不可控整流电路
在三相不控整流电路中，使用最多的也是三相桥式整流电路，一般三相桥式整流电
路是由三相输入变压器、六只整流二极管、及负载组成。

三相桥式不控整流电路与三相桥式可控整流电路的区别在于可控整流电路可以通过触发脉冲来控制触发角从而达到
控制电压大小的目的。

但在风力发电电能变换装置中，要将风能尽可能的转化为电能，因此选用三相不可控整流电路，因为三相不可控整流电路是直接由电流来控制二极管导通的，不用考虑触发角的问题。

三相桥式不可控整流电路和波形如图2.6所示。

图2.6三相桥式不控整流电路及其波形
从图中可以看出：在t 1～t 2时间内，变压器次级a 相电压与b 相电压的差值最大，
因此整流二极管VD 1、VD 2导通，其通路为a →b →VD 1→R →VD 2→b ，其他整流元件受反向电压作用而不导通，整流器的输出电压为变压器次级电压u ab 。

在t 2～t 3时间内，a 相电压虽然仍为正值，且与t 1～t 2时间内电压值大小一样（变化的趋势则不相同），但b 相电压已经高于c 相电压，所以此时是a 相电压与c 相电压的差值最大，因此D 4截止，VD 1、VD 6导通，其通路为a →VD 1→R →VD 6→b ，其他整流元件则受到反向电压作用而不导通，整流输出电压为变压器次级电压u ca 。

在t 3～t 4时间内，b 相电压为正值，c 相电压为负值，线电压u bc 最大，因此整流元件VD 3与VD 6导通，其他整流元件则受到反向电压作用而不导通，整流输出为线电压u bc 。

依次类推，负载R 上得到的脉动直流电压U 在一个周期内，有6次为变压器次级电压的线电压值，而每一次的线电压均为两相相电压之和，即
()ab a b a b u u u u u =-=+-
()ac a c u u u =+-
()bc b c u u u =+-
故在任意时间里，整流电压的瞬时值等于对应的两相电压瞬时值之和。

因此可得：
2.34220d a U U V ==
即：
0.4394.6a b c d U U U U V ====
从图中还可以看出任何时间里均由两个整流元件串联导通，而在一个周期里，每个
整流元件只导通一次，连续导通时间为2π/3，所以通过每个整流元件的平均电流I cp
为负载电流I R 的1/3，即:
2.341 1.3233a CD R d U I I I A R
==== 而加在整流元件上的最大反向电压为变压器的次级电压的线电压u ab （或u bc 或u ca ），
即
:
1.05231am a d U U V ====反
2.4 直流滤波电路
整流电路将交流电变成直流电，并不是一个纯粹的直流电压，而是一个脉动的直流
电压，它除了直流成分外，还包括着不同频率、不同振幅的交流成分（通常称为谐波）。

也就是说，整流器输出的电压，可以看成的一个直流成分和多个不同交流成分之和，而且频率越低者，振幅越大，频率愈高者，振幅愈小。

人们通常说交流成分的大小，就是指最低次谐波或基波的大小，交流成分越大，对设备的干扰也越大。

滤波电路是接在整流电路之后，起着减少交流成分，有使整流器输出的脉动电流变
成平滑的直流电流（仍包括一定的交流成分）的作用。

滤波电路一般由电感线圈、电容器、电阻等电气元件组合而成。

常用的滤波电路有
电容滤波电路、L 型滤波电路、π型滤波电路、RC 滤波电路等。

2.4.1 电容滤波电路
电容滤波电路是利用电容器对直流不能通过，而对交流成分呈现较小的阻抗，以达
到短路交流，减少整流器的输出电压脉动成分的目
的而且电容器越大，效果越好。

当然，电容器大了
以后，为防止加电瞬间电容器的过大充电电流，在
电路设计时必须采用限流措施。

电容滤波电路如图
所示2.7。

图2.7 电容滤波电路
2.4.2 L 型滤波电路。