小型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著人們對新能源的關(guān)注與日俱增，風(fēng)力發(fā)電目前己經(jīng)成為世界各國對可再生資源利用領(lǐng)域的研究熱點，其中如何將不穩(wěn)定的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為可用的能夠并入公共電網(wǎng)的電能是人們研究的焦點。本文基于直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用交流永磁同步發(fā)電機(jī)，利用逆變器作為發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換接口，通過DSP控制逆變器使風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的不穩(wěn)定電能轉(zhuǎn)化成能與公用電網(wǎng)并網(wǎng)的交流電，實現(xiàn)對能源的最正確利用。風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電的核心是變流局部，本文主要采用不可控整流+Boost+PWM逆變方案，并分別介紹了不可控整流電路、Boost斬波電路和PWM逆變電路。對于風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還存在其他一些主要的局部，本文也相應(yīng)的從風(fēng)能的開展及并網(wǎng)方式等方面做了簡要的介紹，并采用DSP控制技術(shù)對PWM逆變電路進(jìn)行控制，以求到達(dá)更好的電能質(zhì)量，滿足公用電網(wǎng)的要求。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；不可控整流電路；Boost斬波電路；PWM逆變電路；DSP控制SmallWindPowerGrid-ConnectedSystemdesignAbstractWiththeincreasingconcernonnewenergysources,thewindpowergenerationhasbecomethehottestresearchtopicintheareaofrenewableresourcesutilization,andithasbecomethestudyfocusonhowtoconvertthevariablewindenergyintopowerwhichcanbeconnectedtogrid.Basedonthedirect-drivewindpowergenerationsystem,thispaperusesmagnetoalternatorandtakesinverterastheelectricenergytransducer,usingDSPtocontroltheconvertertomakethewindpowerofthegeneratorfollowinggridinrealtime.Windturbine-gridinverteristhecorepartofthispaper,non-controllablerectifier+Boost+PWMinverterprogramandintroducedthenon-controlledrectifiercircuit,BoostChopperandPWMinvertercircuit.

Forwindturbinesandgridsystemtherearestillsomemajorparts,thisarticlefromacorrespondingdevelopmentofwindenergyandnet,etc.havedoneabriefintroductionandcontroltheuseofDSPtechnologytocontrolthePWMinvertercircuit,inordertoachievebetterpowerqualitytomeettherequirementsofthepublicpowergrid.Keywords:Windpower;Non-controlledrectifiercircuit;Boostchopper;PWMinvertercircuit;DSPcontrol目錄摘要IAbstractII第一章緒論11.1世界和我國風(fēng)力發(fā)電開展?fàn)顩r11.2世界風(fēng)電裝機(jī)容量快速開展1世界風(fēng)能資源儲量豐富11.2.2世界風(fēng)電裝機(jī)容量快速增長11.3風(fēng)電在我國的開展?fàn)顩r2我國的風(fēng)電資源豐富21.3.2風(fēng)電的三個開展階段31.3.3中國是目前全球風(fēng)力發(fā)電增長最快的市場41.4我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)前景廣闊41.4.1國際國內(nèi)差距正在縮小41.4.2市場供求狀況51.4.3行業(yè)技術(shù)開展趨勢51.5本章小結(jié)6第二章風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理及其分類72.1風(fēng)力發(fā)電的工作原理72.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分類132.2.1交—直—交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)152.2.2磁場調(diào)制式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)152.2.3無刷爪極式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)162.2.4開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)172.2.5無刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)172.2.6繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)192.2.7直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)212.3本章小結(jié)22第三章風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方式比照分析233.1引言233.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式概述233.2.1同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)233.2.2異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)233.3適用于變速恒頻發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式263.3.1空載并網(wǎng)方式273.3.2帶獨立負(fù)載并網(wǎng)方式273.4本章小結(jié)29第四章風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)總體方案設(shè)計304.1引言304.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計314.3變流局部設(shè)計334.3.1不可控整流技術(shù)334.3.2電容濾波的三相不可控整流電路344.3.3升壓斬波技術(shù)354.3.4逆變技術(shù)384.3.5PWM逆變方案384.3.6電壓源型PWM逆變方案414.4不可控整流+Boost+逆變方案424.5本章小結(jié)43第五章風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的硬件設(shè)計445.1引言445.2DSP控制器的開展與特點445.3TMS320LF2812-A芯片簡介485.4系統(tǒng)保護(hù)電495.4.1電流檢測495.4.2電壓檢測505.4.3IPM的自保護(hù)515.4.4IGBT驅(qū)動和保護(hù)電路525.5系統(tǒng)電源545.6系統(tǒng)最終方案確實定565.7本章小結(jié)56結(jié)束語57附錄A風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)框圖58附錄B系統(tǒng)主要控制電路圖59參考文獻(xiàn)60致謝61緒論1.1世界和我國風(fēng)力發(fā)電開展?fàn)顩r在自然界中，風(fēng)是一種可再生、無污染而且儲量巨大的能源。由于地面各處受太陽輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣的含量不同，因而引起各地氣壓的差異，在水平方向高壓空氣向低壓地區(qū)流動，即形成風(fēng)。風(fēng)能資源決定于風(fēng)能密度和可利用的風(fēng)能年累積小時數(shù)。風(fēng)能密度是單位迎風(fēng)面積可獲得的風(fēng)的功率，與風(fēng)速的三次方和空氣密度成正比關(guān)系。風(fēng)能的利用主要是以風(fēng)能作動力和風(fēng)力發(fā)電兩種形式，其中又以風(fēng)力發(fā)電為主。以風(fēng)能作動力，就是利用風(fēng)來直接帶動各種機(jī)械裝置，如帶動水泵提水等這種風(fēng)力發(fā)動機(jī)的優(yōu)點是：投資少、工效高、經(jīng)濟(jì)耐用。目前，世界上約有一百多萬臺風(fēng)力提水機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)。利用風(fēng)力發(fā)電，以丹麥應(yīng)用最早，而且使用較普遍。1.2世界風(fēng)電裝機(jī)容量快速開展世界風(fēng)能資源儲量豐富世界風(fēng)能資源儲量十分豐富。斯坦福大學(xué)土木和環(huán)境工程系根據(jù)國家氣象數(shù)據(jù)中心和預(yù)警系統(tǒng)實驗室1998-2002年的風(fēng)速和溫度數(shù)據(jù)，對7753個地面和446個(其中414個位于距地面高度為80±20米)空間觀測點兩種不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行比擬，采用最小平方原理對全球風(fēng)能資源進(jìn)行了統(tǒng)計和計算，得出結(jié)論：按在80米高度處6.9米/秒的風(fēng)速來計算，全球風(fēng)能可利用資源量為72萬億千瓦。即使只成功利用了其中的20%，依然相當(dāng)于世界能源消費量的總和。世界風(fēng)電裝機(jī)容量快速增長1.風(fēng)電技術(shù)持續(xù)開展，本錢持續(xù)下降通過產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)電的本錢也持續(xù)下降。目前，在各種可再生能源之中，風(fēng)電的本錢最低。國內(nèi)的風(fēng)電平均本錢為0.50元/(kW·h)，總本錢費用已經(jīng)接近新投資的水電和火電。最近，世界風(fēng)能理事會對進(jìn)一步降低風(fēng)電本錢問題進(jìn)行了分析研究后，認(rèn)為風(fēng)電本錢下降，60%依賴于規(guī)模化開展，40%依賴于技術(shù)進(jìn)步。過去的風(fēng)電本錢下降更多的是依據(jù)技術(shù)進(jìn)步，以后風(fēng)電本錢進(jìn)一步下降那么更多的是依賴于規(guī)模化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。世界風(fēng)能理事會估計到2023年，陸上風(fēng)機(jī)的總體造價還可以下降20%-25%，海上風(fēng)機(jī)的造價可以降低40%以上，發(fā)電本錢可以同幅下降。2.世界風(fēng)電裝機(jī)容量快速增長風(fēng)力發(fā)電在可再生能源中是技術(shù)相對成熟、本錢相對較低的一種，受到各國的普遍重視，裝機(jī)容量快速增長。從1996年起，全球累計風(fēng)電裝機(jī)連續(xù)12年增速超過20%，平均增速到達(dá)28.33%。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(GWEC)公布的最新數(shù)據(jù)，2007年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量為20,073MW，增長32.1%。美國(5,244MW)、西班牙(3,522MW)及中國(3,449MW)位居前三名，2007年全球累計風(fēng)電裝機(jī)容量為94,112MW，增長26.8%，超出GWEC之前預(yù)估的22.6%。其中中國07年累計的風(fēng)電裝置容量已達(dá)6,050MW，擠下丹麥成為世界第五位風(fēng)力發(fā)電國。以地區(qū)別來看，歐洲仍是風(fēng)電最普及的區(qū)域，07年占比仍高達(dá)61%。但是，亞洲及美國那么是未來三年風(fēng)電市場增長動能主要來源。另外，北非及中東地區(qū)的風(fēng)電新增裝置容量也迅速增長。值得一提的是，中國07年風(fēng)電總裝置容量及新增裝置容量增幅分別高達(dá)132.3%及156%，增長幅度同居世界第一位。1.3風(fēng)電在我國的開展?fàn)顩r我國的風(fēng)電資源豐富中國綜合資源利用協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會與美國國家可再生能源實驗室(NREL)合作，在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)的支持與資助下，對我國局部地區(qū)的風(fēng)力資源進(jìn)行了詳細(xì)測算。根據(jù)該測算結(jié)果推測，我國陸地可以安裝14億千瓦的風(fēng)力發(fā)電裝備，如果考慮海上，總資源量將到達(dá)20億千瓦以上。我國的風(fēng)力資源主要分布在兩大風(fēng)帶：一是“三北地區(qū)〞(東北、華北和西北地區(qū))；二是東部沿海陸地、島嶼及近岸海域。另外，內(nèi)陸地區(qū)還有一些局部風(fēng)能資源豐富區(qū)。“三北〞(東北、華北、西北)地區(qū)風(fēng)能豐富帶包括東北3省和河北、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、西藏、新疆等省區(qū)近200千米寬的地帶，可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量約2億千瓦，約占全國可利用儲量的79%。該地區(qū)風(fēng)電場地形平坦，交通方便，沒有破壞性風(fēng)速，是我國連成一片的最大風(fēng)能資源區(qū)，有利于大規(guī)模地開發(fā)風(fēng)電場。東部沿海地區(qū)風(fēng)能豐富。冬春季的冷空氣、夏秋的臺風(fēng)，都能影響到沿海及其島嶼，是我國風(fēng)能最正確豐富區(qū)，年有效風(fēng)功率密度在200瓦／平方米以上。如臺山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等，可利用小時數(shù)約在7000至8000小時。這一地區(qū)特別是東南沿海，由海岸向內(nèi)陸丘陵連綿，風(fēng)能豐富地區(qū)僅在距海岸50千米之內(nèi)。內(nèi)陸局部風(fēng)能豐富地區(qū)是在兩個風(fēng)能豐富帶之外，風(fēng)功率密度一般在100瓦／平方米以下，可利用小時數(shù)3000小時以下。但是在一些地區(qū)由于湖泊和特殊地形的影響，風(fēng)能也較豐富。另外，我國海上風(fēng)能資源豐富，10米高度可利用的風(fēng)能資源約7億多千瓦。海上風(fēng)速高，很少有靜風(fēng)期，可以有效利用風(fēng)電機(jī)組發(fā)電容量。一般估計海上風(fēng)速比平原沿岸高20%，發(fā)電量增加70%。在陸上設(shè)計壽命20年的風(fēng)電機(jī)組在海上可達(dá)25年到30年，且距離電力負(fù)荷中心很近。隨著海上風(fēng)電場技術(shù)的開展成熟，海上風(fēng)電將來必然會成為重要的可持續(xù)能源。風(fēng)電的三個開展階段我國的風(fēng)電開展大體可分為三個階段。第一階段：1986-1990年是我國并網(wǎng)風(fēng)電工程的探索和示范階段。其特點是工程規(guī)模小，單機(jī)容量小。在此期間共建立了4個風(fēng)電場，安裝風(fēng)電機(jī)組32臺，最大單機(jī)容量為200kW，總裝機(jī)容量為4.215萬千瓦。平均年新增裝機(jī)容量僅為0.843萬千瓦。第二階段：1991-1995年為示范工程取得成效并逐步推廣階段。共建立了5個風(fēng)電場，安裝風(fēng)電機(jī)組131臺，裝機(jī)容量為33.285萬千瓦，平均年新增裝機(jī)容量為6.097萬千瓦，最大單機(jī)容量為500kW。第三階段：1996年后為擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模階段。其特點是工程規(guī)模和裝機(jī)容量較大，開展速度較快，平均年新增裝機(jī)容量為60.13萬千瓦，最大單機(jī)容量為1500kW。截至到2006年底，我國大陸共建成風(fēng)電場91個，安裝風(fēng)電機(jī)組3,311臺，總裝機(jī)容量為2,596MW，排在世界第5位，亞洲第2位。這在一定程度上說明我國作為一個風(fēng)力資源豐富的國家，風(fēng)能的開發(fā)利用水平并不高。中國是目前全球風(fēng)力發(fā)電增長最快的市場05、06和07年我國的風(fēng)電裝置容量增長速度分別為64.53%、107.16%和132.33%。尤其是07年累計的風(fēng)電裝置容量已達(dá)6050MW，較06年增長133%，增速居世界之冠。2007年絕對增長量位3449MW，位于世界第三名。1.4我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)前景廣闊國際國內(nèi)差距正在縮小風(fēng)電設(shè)備制造行業(yè)是一個進(jìn)入壁壘較高的行業(yè)。所以行業(yè)集中度非常高，全球十大風(fēng)電設(shè)備商累計占全球市場96%的份額。僅4家最大風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備制造商就掌控了全球市場75%的份額。國內(nèi)市場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品供給商也主要以國際廠商為主，2004年、2005和2006年，國際廠商產(chǎn)品占國內(nèi)市場份額的比例分別為75.35%、70.59%、58.80%。根據(jù)《國家開展改革委員會關(guān)于風(fēng)電建設(shè)管理有關(guān)要求的通知》，風(fēng)電設(shè)備國產(chǎn)化率要到達(dá)70%以上，不滿足設(shè)備國產(chǎn)化率要求的風(fēng)電場不允許建設(shè)。因此，國際風(fēng)機(jī)產(chǎn)業(yè)巨頭紛紛在中國設(shè)立總裝廠、配件工廠或是研發(fā)中心。隨著未來國內(nèi)廠商對外方技術(shù)的吸收，以及風(fēng)機(jī)制造經(jīng)驗的增加、相關(guān)政策的實施、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，可以預(yù)期我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)大環(huán)境將得到較大改善，技術(shù)研發(fā)實力將得到提高，技術(shù)工人將增加，與國際先進(jìn)技術(shù)的差距將縮小。市場供求狀況在未來很長一段時期內(nèi)，我國對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的需求將持續(xù)保持強(qiáng)勁增長態(tài)勢。自2003年以來，我國風(fēng)電裝機(jī)容量增長迅速，2004-2007年每年新增裝機(jī)容量增速均超過100%。根據(jù)國家原風(fēng)電開展規(guī)劃，我國風(fēng)電的總裝機(jī)容量將增長到2023年的500萬千瓦，2023年的3000萬千瓦。再根據(jù)丹麥著名風(fēng)電咨詢機(jī)構(gòu)BTM《國際風(fēng)能開展——全球市場動向2006》預(yù)測，2023年中國風(fēng)電裝機(jī)總量將可能到達(dá)1740萬千瓦。隨著國家產(chǎn)業(yè)政策的大力扶持，以及能源短缺和環(huán)境保護(hù)壓力的持續(xù)增大，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的逐步成熟和本錢的降低，風(fēng)電行業(yè)將保持持續(xù)增長態(tài)勢。供給方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)制造進(jìn)入壁壘較高，從進(jìn)入到形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力的時間較長，生產(chǎn)能力的擴(kuò)大比擬緩慢，而且先行的整機(jī)制造商已與零部件供給商結(jié)成了戰(zhàn)略合作伙伴，穩(wěn)定的訂單占據(jù)了一定的制造資源，給后來的整機(jī)廠進(jìn)入市場帶來了一定的困難，因此形成了暫時的市場供不應(yīng)求的局面。預(yù)計2023年以前，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組市場供給的增長總體上將落后于需求的增長。2023年以后，有可能出現(xiàn)供求根本平衡、略有短缺的局面。行業(yè)技術(shù)開展趨勢(1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量繼續(xù)增大，更具經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過20多年的開展，世界風(fēng)電商業(yè)化機(jī)組的單機(jī)容量已從25kW左右增加到750kW至2500kW的水平。實驗機(jī)組的單機(jī)容量更大，2005年德國已研制出適用于海上風(fēng)電場的5MW機(jī)組。(2)采用無齒輪箱直接驅(qū)動技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組的市場份額在迅速擴(kuò)大。無齒輪傳動提高了風(fēng)電轉(zhuǎn)換的效率，減少了油品及其它耗材并降低了噪音，而且不易造成風(fēng)電機(jī)組故障。(3)變槳和變速技術(shù)更具開展優(yōu)勢。變槳矩調(diào)節(jié)能提供更好的輸出功率品質(zhì)，通過控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉尖速比接近最正確值，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。(4)永磁電機(jī)優(yōu)勢顯著。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組包括永磁和勵磁兩種發(fā)電機(jī)技術(shù)。與勵磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)，特別是稀土永磁電機(jī)不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點，而且在額定的低轉(zhuǎn)速下輸出功率較大、效率較高。(5)海上風(fēng)電悄然興起。海上風(fēng)資源比陸地更豐富，風(fēng)速更高更平穩(wěn)，空氣密度也比擬高，發(fā)電量比陸地高出20-40%。因此，風(fēng)力發(fā)電強(qiáng)國都在悄然向海上開展。1.5本章小結(jié)本章主要介紹了國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的開展現(xiàn)狀，以及我國在世界風(fēng)電領(lǐng)域內(nèi)所處的地位和未來的開展前景。第二章風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理及其分類2.1風(fēng)力發(fā)電的工作原理有時很難把空氣想象成流體。它似乎完全看不見。但空氣確實是流體，與其他流體的區(qū)別在于它的粒子是氣體形式而不是液體形式。當(dāng)空氣以風(fēng)的形式快速移動時，這些粒子也在快速移動。運(yùn)動意味著存在可以捕獲的動能，就像流水中的能量可以通過水電站大壩中的渦輪捕獲一樣。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，風(fēng)力機(jī)葉片旨在捕獲風(fēng)中的動能。其余結(jié)構(gòu)幾乎與水力發(fā)電裝置完全一樣：當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片捕獲風(fēng)能并開始轉(zhuǎn)動時，它們會轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子中心與發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)軸。發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為電力。就其本質(zhì)而言，通過風(fēng)來發(fā)電就是將能量從一種介質(zhì)中轉(zhuǎn)移到另一種介質(zhì)。風(fēng)能完全來自于太陽。當(dāng)太陽加熱某塊陸地時，這塊陸地周圍的空氣會吸收掉局部熱量。到達(dá)一定溫度后，較熱的空氣開始非常快地上升，因為在體積相同的情況下，熱空氣比冷空氣要輕。移動較快〔較熱〕的空氣粒子比移動較慢的粒子產(chǎn)生的壓力大，因此在給定高度下維持正常氣壓所需的粒子較少。當(dāng)較輕的熱空氣突然上升時，較冷的空氣會快速流入以填補(bǔ)熱空氣留下的空隙。這股流入以填補(bǔ)空隙的空氣就是風(fēng)。如果您在朝著風(fēng)所經(jīng)過的通道上放置類似轉(zhuǎn)子葉片的物體，風(fēng)將推動它，從而將局部動能轉(zhuǎn)移到葉片上。這就是風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲能量的方式。帆船利用的也是這種原理。當(dāng)移動的空氣推動風(fēng)帆時，船就會移動。風(fēng)將它的動能轉(zhuǎn)移到了帆船上。最簡單的風(fēng)力機(jī)包括以下三個主要局部：1.轉(zhuǎn)子葉片——葉片在本質(zhì)上是系統(tǒng)的帆；它們以最簡單的方式充當(dāng)風(fēng)的障礙〔更現(xiàn)代的葉片設(shè)計超越了這種障礙法〕。當(dāng)風(fēng)使葉片運(yùn)動起來時，便將局部能量轉(zhuǎn)移給了轉(zhuǎn)子。2.轉(zhuǎn)軸——風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子中心相連。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)軸也隨之轉(zhuǎn)動。這樣，轉(zhuǎn)子將它的機(jī)械轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)軸，而轉(zhuǎn)軸另一端連接著發(fā)電機(jī)。3.發(fā)電機(jī)——從最根底的角度來說，發(fā)電機(jī)是一件非常簡單的設(shè)備。它利用電磁感應(yīng)的特性產(chǎn)生電壓，也就是電荷差異。電壓在本質(zhì)上是電的壓力，它是將電〔或者說是電流〕從一點移動到另一點的力。因此產(chǎn)生電壓實際就是產(chǎn)生電流。簡單發(fā)電機(jī)由磁體和導(dǎo)體組成。導(dǎo)體通常是線圈。在發(fā)電機(jī)內(nèi)，轉(zhuǎn)軸與纏繞著線圈的永磁體連接。在電磁感應(yīng)過程中，如果導(dǎo)體周圍有磁體，那么當(dāng)其中的磁體與導(dǎo)體之間發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)時，便會在導(dǎo)體中感應(yīng)出電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸時，轉(zhuǎn)軸便會旋轉(zhuǎn)磁體部件，從而在線圈中產(chǎn)生電壓。電壓使電流〔通常是交流電，也叫作AC電流〕通過電線流出以進(jìn)行配電。上面我們介紹的是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的簡化系統(tǒng)，接下來我們將通過較為復(fù)雜的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型進(jìn)一步闡述風(fēng)力發(fā)電的根本原理。水平軸風(fēng)力機(jī)正如其名字的含義，水平軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)軸是水平安裝的，與地面平行。水平軸風(fēng)力機(jī)需要使用偏航調(diào)整裝置時刻根據(jù)風(fēng)向進(jìn)行調(diào)整。偏航系統(tǒng)通常包括電機(jī)和變速箱，用于緩慢左右移動整個轉(zhuǎn)子。風(fēng)力機(jī)的電子控制器讀取風(fēng)向標(biāo)設(shè)備〔機(jī)械或電子風(fēng)向標(biāo)〕的位置，并調(diào)整轉(zhuǎn)子位置以盡量捕獲最大的風(fēng)能。水平軸風(fēng)力機(jī)使用塔架將風(fēng)力機(jī)組件上升到最適合風(fēng)速的高度〔這樣葉片便不會碰到地面〕，并且占用非常少的地面空間，因為幾乎所有組件都在高達(dá)80米的空中。圖2.1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型大型水平軸風(fēng)力機(jī)組件：1.轉(zhuǎn)子葉片——捕獲風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動能2.轉(zhuǎn)軸——將轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)移到發(fā)電機(jī)內(nèi)3.發(fā)動機(jī)箱——一個箱子，其中包含：4.變速箱——用于增加轉(zhuǎn)子中心和發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)軸速度5.發(fā)電機(jī)——利用轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動能，通過電磁性發(fā)電6.電子控制裝置——監(jiān)視系統(tǒng)，用于在出現(xiàn)故障時關(guān)閉風(fēng)機(jī)和控制偏航裝置。7.偏航控制器——移動轉(zhuǎn)子使其與風(fēng)向保持一致8.制動裝置——在出現(xiàn)電力超載或系統(tǒng)故障時停止轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。9.塔架——支撐轉(zhuǎn)子和發(fā)動機(jī)箱，并將整個裝置上升到更高位置，使葉片不會碰到地面。10.電力設(shè)備——從發(fā)電機(jī)向下通過塔架輸送電流，還可控制風(fēng)力機(jī)的多個平安部件。與主要依賴風(fēng)力推動葉片運(yùn)動的老式荷蘭風(fēng)車設(shè)計不同，現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)使用更復(fù)雜的空氣動力學(xué)原理以最有效地捕獲風(fēng)能。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子中的兩個主要空氣動力是上升力〔與風(fēng)向垂直作用〕和阻力〔與風(fēng)向平行作用〕。

風(fēng)機(jī)葉片的形狀非常像飛機(jī)翅膀——它們使用了機(jī)翼設(shè)計。在機(jī)翼中，葉片的一面略有弧度，而另一面那么相對較平。上升是非常復(fù)雜的現(xiàn)象，實際上可能只有數(shù)學(xué)或物理學(xué)博士才能完全領(lǐng)會。不過我們可以這樣來簡單解釋上升現(xiàn)象：當(dāng)風(fēng)沿著順風(fēng)的葉片弧面經(jīng)過時，它必須加快速度才能及時到達(dá)葉片末端，以追上從葉片逆風(fēng)的較平面上〔也就是面朝風(fēng)吹來的方向〕經(jīng)過的風(fēng)。由于移動速度較快的空氣將在大氣中上升，順風(fēng)的弧面上將出現(xiàn)低壓團(tuán)。低壓區(qū)域向順風(fēng)方向吸引葉片，此稱為“上升〞效應(yīng)。在葉片的逆風(fēng)面，風(fēng)速較慢，產(chǎn)生推動葉片的較高壓力區(qū)域，使其減速。和機(jī)翼設(shè)計類似，高升阻比對于設(shè)計高效風(fēng)機(jī)葉片至關(guān)重要。風(fēng)機(jī)葉片呈螺旋狀，這樣便始終可呈現(xiàn)出利用理想升阻力比的角度。空氣動力學(xué)不是制造高效風(fēng)力機(jī)的唯一設(shè)計考慮。尺寸也很重要——風(fēng)機(jī)葉片越長〔因此轉(zhuǎn)子直徑越大〕，渦輪可從風(fēng)中捕獲的能量越多，發(fā)電容量也就越大。通常，將轉(zhuǎn)子直徑加倍，可將能量輸出提高至原來的四倍。但是，在某些情況下，如在風(fēng)速較低的地區(qū)，直徑較小的轉(zhuǎn)子可以比直徑較大的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更多能量，因為較小的裝置用于轉(zhuǎn)動較小發(fā)電機(jī)的風(fēng)能較少，因此風(fēng)力機(jī)可以幾乎一直以滿功率運(yùn)行。塔架高度也是影響發(fā)電容量的一個主要因素。風(fēng)力機(jī)越高，所能捕獲的能量越多，因為風(fēng)速隨高度提升而增加——地面摩擦和地面物體會阻礙風(fēng)的流動。科學(xué)家估計高度每上升一倍，風(fēng)速增加12%。要計算風(fēng)力機(jī)實際從風(fēng)中產(chǎn)生的能量多少，您需要知道風(fēng)力機(jī)所在地點的風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)功率。多數(shù)大型風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速約15米/秒(33mph)的情況下可產(chǎn)生最大能量。考慮到在風(fēng)速穩(wěn)定的情況下，轉(zhuǎn)子直徑?jīng)Q定風(fēng)力機(jī)可產(chǎn)生的能量多少。請記住，隨著轉(zhuǎn)子直徑增加，塔架高度也會增加，這意味著將接觸到速度更快的風(fēng)。表1.1轉(zhuǎn)子大小和最大輸出功率轉(zhuǎn)子大小和最大輸出功率轉(zhuǎn)子直徑〔米〕輸出功率(kW)1025171002722533300405004460048750541000641500722000802500在風(fēng)速為33mph〔約15米/秒〕的情況下，多數(shù)大型風(fēng)力機(jī)能夠到達(dá)其額定功率，在45mph〔20米/秒〕下，多數(shù)大型風(fēng)力機(jī)關(guān)閉。有許多可在風(fēng)速威脅結(jié)構(gòu)時關(guān)閉風(fēng)力機(jī)的平安系統(tǒng)，其中包括一種局部風(fēng)力機(jī)所用的非常簡單的振動傳感器，這類傳感器的根本組成是一個位于小底座上的與鏈條相連的金屬球。如果風(fēng)力機(jī)的振動開始超過某個閾值，球?qū)牡鬃下湎拢瓌渔湕l并觸發(fā)關(guān)閉。風(fēng)力機(jī)中最常用的敏感性平安系統(tǒng)可能是受超過閾值的風(fēng)速觸發(fā)的“制動〞系統(tǒng)。這些裝置使用電源控制系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)速過高時啟動制動裝置，當(dāng)風(fēng)速下降低于45mph〔20米/秒〕時“松開制動裝置〞。現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計使用多種不同類型的制動系統(tǒng)：1.角度控制——風(fēng)力機(jī)的電子控制器監(jiān)視風(fēng)機(jī)的功率輸出。當(dāng)風(fēng)速高于45mph〔20米/秒〕時，輸出功率將過高，此時控制器通知葉片改變角度，使葉片與風(fēng)向不一致。這樣做可以減慢葉片的轉(zhuǎn)動。角度控制系統(tǒng)要求〔轉(zhuǎn)子上的〕葉片安裝角度是可調(diào)整的。2.被動停止控制——葉片以固定角度安裝在轉(zhuǎn)子上，但設(shè)計使得葉片中的扭曲角度可在風(fēng)速過高時對葉片進(jìn)行制動。葉片具有一個特殊的角度，可在風(fēng)速超過某一值時導(dǎo)致葉片的逆風(fēng)面產(chǎn)生湍流，從而使葉片停止轉(zhuǎn)動。簡單來說，當(dāng)面對風(fēng)向的葉片角度過陡，以至于開始消除上升力，從而降低葉片速度時，空氣動力學(xué)作用將停止。3.主動停止控制——這種功率控制系統(tǒng)的葉片可以調(diào)整角度，類似角度控制系統(tǒng)中的葉片。主動停止系統(tǒng)按照角度控制系統(tǒng)的方式讀取功率輸出，但不是調(diào)整葉片角度使其與風(fēng)向不一致，而是調(diào)整角度使它們停止轉(zhuǎn)動。2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分類從當(dāng)前世界的開展趨勢來看，容量小于750kw的系統(tǒng)尚可用定槳距失速調(diào)節(jié)技術(shù)，但是當(dāng)容量大于750kw時，大多要采用主動失速調(diào)節(jié)、變槳調(diào)節(jié)或是變速恒頻調(diào)節(jié)技術(shù)。因此，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的變頻恒頻雙饋發(fā)電技術(shù)在理論和實踐中進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，是十分必要和迫切的，對我國的風(fēng)電事業(yè)的開展有著十分重要的意義。以下為幾種比擬典型的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以分為兩大類：恒速恒頻機(jī)組和變速恒頻機(jī)組。風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時，要求風(fēng)力發(fā)電的頻率保持恒定，為電網(wǎng)頻率。恒速恒頻指在風(fēng)力發(fā)電中，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，從而得到頻率恒定的電能；變速恒頻指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而變化，通過其他的方法來得到恒頻電能。目前運(yùn)用較多的還是恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個弊端是，當(dāng)風(fēng)速躍升時，巨大的風(fēng)能將通過風(fēng)力機(jī)葉片傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，上述過程的重復(fù)出現(xiàn)將會引起這些部件的疲勞損壞。因此，在設(shè)計時不得不加大平安系數(shù)，從而導(dǎo)致機(jī)組重量加大、制造本錢增加。而且恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不能夠隨風(fēng)速的變化而變化，無法到達(dá)最優(yōu)的風(fēng)能利用系數(shù)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)允許風(fēng)力機(jī)根據(jù)風(fēng)速的變化而以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，有以下優(yōu)點：1.減少了機(jī)械應(yīng)力，陣風(fēng)能量可以被風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量吸收。這種具有“彈性〞的吸收方式減少了力矩的脈沖幅度。由風(fēng)速躍升所產(chǎn)生的巨大風(fēng)能，局部以動能的形式儲存于加速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)中，防止了主軸及傳動機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩及應(yīng)力；當(dāng)風(fēng)速下降時，在電力電子裝置的調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽腿腚娋W(wǎng)。風(fēng)力機(jī)的加速、減速對風(fēng)能的階躍變化起到了緩沖作用，使風(fēng)力機(jī)內(nèi)部能量傳輸部件承受的應(yīng)力變化比擬平穩(wěn)，防止破壞性機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生，從而使風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行更加平穩(wěn)和平安。2.較簡單的槳距控制。通過調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以使得對槳距的控制時間常數(shù)延長，降低了槳距控制的復(fù)雜性，也降低了對峰值功率的限制的要求。在低風(fēng)速下，槳距通常保持不變。槳距控制只是保證在高風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)吸收的功率不超過最大值。3.提高了系統(tǒng)的風(fēng)能利用率。轉(zhuǎn)速可以在較大范圍內(nèi)變化，通過對最正確葉尖比的跟蹤，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在可發(fā)電風(fēng)速下均可獲得最正確的功率輸出。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)從機(jī)組的定槳距恒速運(yùn)行開展到變速運(yùn)行，已經(jīng)根本實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠向電網(wǎng)提供電力到理想地向電網(wǎng)提供電力的目的。目前國際上有多種方案實現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。如交—直—交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、磁場調(diào)制式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等，這些變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有的是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置相結(jié)合實現(xiàn)變速恒頻的，有的是通過改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)變速恒頻的。這些系統(tǒng)都是有自己的特點，實用于不同的場合。下面對這些系統(tǒng)介紹。交—直—交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理：發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率變化的交流電首先通過整流器整流成直流電，再通過逆變器變換為頻率恒定的交流電輸入電網(wǎng)。在此系統(tǒng)中，可以采用的發(fā)電機(jī)有繞線轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)、籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)。優(yōu)點：這種系統(tǒng)在電網(wǎng)時沒有電流沖擊；可調(diào)節(jié)無功功率。永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是這種類型中最有優(yōu)勢的一種，可以做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，省去變速箱，由此可以提高可靠性，減小系統(tǒng)噪聲，降低維護(hù)本錢。缺點：變流器的容量和系統(tǒng)的容量相同。有高頻電流諧波注入電網(wǎng)。目前，永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是研究的熱點之一，而且開展很快，國外已經(jīng)出現(xiàn)了兆瓦級永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。磁場調(diào)制式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)原理：系統(tǒng)由一臺高頻交流發(fā)電機(jī)和一套電力電子變換電路組成，圖2.2示出磁場調(diào)制式發(fā)電機(jī)單相輸出系統(tǒng)的原理框圖。發(fā)電機(jī)本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻率，用頻率為的低頻交流電勵磁〔即為所要求的輸出頻率，一般為50Hz〕，當(dāng)頻率遠(yuǎn)低于頻率時，發(fā)電機(jī)三相繞組的輸出電壓波形將是由頻率為〔-〕和〔+〕的兩個分量組成的調(diào)幅波，這個調(diào)幅波的包絡(luò)線的頻率是，包絡(luò)線所包含的高頻諧波的頻率是。圖2.2磁場調(diào)制式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)優(yōu)點：1.經(jīng)橋式整流器后得到的是正弦脈動波，晶閘管是在波形過零點時開關(guān)換相，換相簡單容易，系統(tǒng)效率較高。2.輸出波形中諧波分量小而且頻率高，容易濾去，可以得到很好的正弦波。3.磁場調(diào)制式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸出頻率與勵磁電流頻率相同，與電網(wǎng)或柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行十分簡單可靠。缺點：電力電子變換裝置容量較大。僅僅適用于中小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，研究較少。無刷爪極式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)無刷爪極式發(fā)電機(jī)的定子鐵心及電樞繞組與同步發(fā)電機(jī)的相同，區(qū)別僅在于它的勵磁局部，如圖2.3所示。爪極式發(fā)電機(jī)的磁路系統(tǒng)是一種并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，所有各對極的磁動式發(fā)電機(jī)發(fā)出的高頻交流電通過交-交變流器轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl交流電，所以它實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。圖2.3無刷爪極式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)優(yōu)點：1.與一般同步發(fā)電機(jī)相比，勵磁繞組所用的材料較省，所需的勵磁功率也較小，具有較高的效率。2.發(fā)電機(jī)為無刷結(jié)構(gòu)，易維護(hù)。3.易調(diào)節(jié)。通過勵磁調(diào)節(jié)可以很方便地控制它的輸出特性，使風(fēng)力機(jī)實現(xiàn)最正確葉尖速比運(yùn)行。缺點：交-交變頻控制電路復(fù)雜。可以考慮用背靠背的四象限變流器。這種發(fā)電機(jī)適用于中功率級的風(fēng)力發(fā)電裝置中，研究較少。開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)采用開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)。開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)為雙凸極發(fā)電機(jī)，定子、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子上設(shè)有集中繞組，轉(zhuǎn)子為倒磁材料，轉(zhuǎn)子上面既無繞組也無永磁體。開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)沒有獨立的勵磁繞組，與集中嵌放的定子電樞合二為一。定子接驅(qū)動器將電能輸出到直流側(cè)，然后通過網(wǎng)側(cè)逆變器將發(fā)出的電能饋入電網(wǎng)。優(yōu)點：1.開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)能量密度大；結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；沒有去磁效應(yīng)。2.系統(tǒng)在并網(wǎng)時沒有電流沖擊；可調(diào)節(jié)無功功率。缺點：逆變器和驅(qū)動器容量大，開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)容易出現(xiàn)力矩波動。這種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是目前研究的熱點之一。無刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)如圖2.4所示，系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)為無刷雙饋發(fā)電機(jī)。其定子有兩套極數(shù)不同的繞組，一個稱為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一個稱為控制繞組，通過雙向變流器接電網(wǎng)。轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，無需電刷和集電環(huán)，轉(zhuǎn)子的極數(shù)應(yīng)為定子兩個繞組的極對數(shù)之和。圖2.4無刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)無刷雙饋發(fā)電機(jī)定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當(dāng)于交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，因此，盡管這兩種發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制有著本質(zhì)的區(qū)別，但卻可以通過同樣的控制策略實現(xiàn)變速恒頻控制。對于無刷雙饋發(fā)電機(jī)，有=〔+〕式〔2.1〕式中，為功率繞組電流頻率，與電網(wǎng)頻率相同；為控制繞組電流頻率；為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率；為功率繞組的極對數(shù)；為控制繞組的極對數(shù)。超同步時，式〔2.1〕取“+〞；亞同步時，取“-〞。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n變化時，即變化時，假設(shè)控制相應(yīng)地變化，可使保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，也就實現(xiàn)了變速恒頻控制。盡管這種變速恒頻的控制方案是在定子電路實現(xiàn)的，但流過定子控制繞組的功率僅為無刷雙饋發(fā)電機(jī)總功率的一小局部，這是由于控制繞組的功率為功率繞組功率的/〔+〕，因此圖2-4中所示的雙向變流器的容量也僅為發(fā)電機(jī)容量的一小局部。這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與下面介紹的繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電系統(tǒng)有同樣的優(yōu)點，而且實現(xiàn)了無刷結(jié)構(gòu)，易維護(hù)。缺點是定子的設(shè)計比一般的籠型發(fā)電機(jī)復(fù)雜。這種系統(tǒng)也是目前研究的熱點之一，還沒有實際應(yīng)用的實例，國內(nèi)的無刷雙饋發(fā)電機(jī)的設(shè)計還在理論研究階段。繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)這種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的原理是：發(fā)電機(jī)采用繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)。定子接電網(wǎng)或者直接接負(fù)載。在轉(zhuǎn)子側(cè)施加交流勵磁來控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速變化時，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可使定子頻率恒定。轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)之間需要有雙向的能量流動，所以需要兩個背靠背的四象限變流器。轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制發(fā)電機(jī)，定子側(cè)逆變器控制和電網(wǎng)的能量交換，轉(zhuǎn)子側(cè)只處理轉(zhuǎn)差能量。優(yōu)點：1.轉(zhuǎn)子側(cè)只處理轉(zhuǎn)差能量，降低了逆變器的價格：因為逆變器的額定值通常為最大輸出功率的33%，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以擴(kuò)展到同步轉(zhuǎn)速的50%左右。2.雙饋發(fā)電機(jī)的變流器的而諧波含量只占整個系統(tǒng)的一小局部，降低了相應(yīng)的濾波器容量和本錢。3.無功功率控制可以用較小容量的變流器實現(xiàn)，因為雙饋發(fā)電機(jī)本質(zhì)上是同步發(fā)電機(jī)，所以可以調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)吸收的無功功率。通過在雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相交流電進(jìn)行勵磁，調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值、頻率和相位，實現(xiàn)定子側(cè)輸出電壓恒頻恒壓；而其控制方法采用矢量控制技術(shù)，實現(xiàn)有功、無功功率的獨立調(diào)節(jié)，從而改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和所并網(wǎng)的動態(tài)和靜態(tài)特性。在風(fēng)力發(fā)電中采用繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，可以獲得以下優(yōu)越的性能：1.調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率可以在不同的轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)恒頻發(fā)電，滿足用電負(fù)載和并網(wǎng)的要求，即變速恒頻運(yùn)行。這樣可以從能量最大利用等角度去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，提高發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。2.調(diào)節(jié)勵磁電流的有功分量和無功分量，可以獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率。這樣不但可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，補(bǔ)償電網(wǎng)的無功功率需求，還可以提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。3.由于采用了交流勵磁，發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)構(gòu)成了“柔性連接〞，即可以根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)勵磁電流，精確的調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓，使其能滿足要求。4.由于控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的，而流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，它僅僅是額定功率的一小局部，這樣就大大降低了變流器的容量，減少了變流器的本錢。整套控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子勵磁變流器是系統(tǒng)的關(guān)鍵局部，也是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的難點所在。系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子勵磁變流器有如下三點要求：保證能量能夠雙向流動；輸出電流幅值、頻率、相位連續(xù)可調(diào)；輸出頻率范圍滿足雙饋發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍要求，即70%同步轉(zhuǎn)速-130%同步轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，轉(zhuǎn)差頻率可在30%同步轉(zhuǎn)速內(nèi)可調(diào)。轉(zhuǎn)子勵磁變流器通常包括兩個局部：網(wǎng)側(cè)整流器和轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器，如圖2-5所示。兩個變流器都必須具備功率雙向流動動能。網(wǎng)側(cè)整流器保證直流母線電壓恒定，并且保證網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1；轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器為雙饋發(fā)電機(jī)提供交流勵磁電流，以控制發(fā)電機(jī)實現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的順利并網(wǎng)，以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和無功功率控制。在機(jī)組的運(yùn)行過程中，控制器首先控制網(wǎng)側(cè)整流器建立恒定的直流母線電壓，然后驅(qū)動轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器開關(guān)管進(jìn)行并網(wǎng)控制，當(dāng)并網(wǎng)條件滿足后，控制接觸器接通，完成并網(wǎng)。并網(wǎng)之后，再根據(jù)主控制器給定的轉(zhuǎn)速和無功功率信號來進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和無功功率控制。圖2.5轉(zhuǎn)子勵磁變流器主電路結(jié)構(gòu)這種系統(tǒng)是目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)研究的熱點之一，國際上已經(jīng)出現(xiàn)了兆瓦級繞線轉(zhuǎn)子雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。國內(nèi)在這方面還比擬落后，正期待具有此項技術(shù)的自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)化成果直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)輪與永磁同步發(fā)電機(jī)直接連接，無需升速齒輪箱。首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率變化、幅值變化的交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷鳎缓蠼?jīng)過三相逆變器變換為三相恒幅交流電連接到電網(wǎng)。通過中間電力電子變化環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)有功功率和無功功率進(jìn)行控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤、最大效率利用風(fēng)能。圖2.6是一種基于雙PWM變流器的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)洌@種系統(tǒng)的主要特點為：發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)過PWM整流器變換為穩(wěn)定的直流電壓，然后通過PWM逆變器并入電網(wǎng)。逆變器輸入側(cè)電壓由逆變器控制，系統(tǒng)有功功率、無功功率由PWM整流器控制。利用PWM整流器對發(fā)電機(jī)定子電流進(jìn)行控制，可以更好地利用永磁同步發(fā)電機(jī)的特性，控制性能好，控制復(fù)雜，諧波含量低，本錢高。圖2.6PWM整流器后接電壓源型PWM逆變器主電路結(jié)構(gòu)2.3本章小結(jié)本章首先介紹了風(fēng)力發(fā)電的根本原理，其次，又從風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要類別加以詳細(xì)介紹，使能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有一個比擬全面清晰的認(rèn)識，對各個不同的系統(tǒng)都有所了解。第三章風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方式比照分析3.1引言在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，就要求發(fā)電的頻率和電網(wǎng)的頻率保持一致。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增大，在并網(wǎng)時的沖擊也變大，因此采用合理的并網(wǎng)技術(shù)也是一個不可無視的問題。本章主要介紹現(xiàn)在普遍采用的一些并網(wǎng)方式。3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式概述隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增大，在并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊也越大。這種沖擊嚴(yán)重時不僅引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降，并且可能對發(fā)電機(jī)和機(jī)械部件〔塔架、槳葉、增速器等〕造成損壞。如果并網(wǎng)時間持續(xù)過長，還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，采用合理的并網(wǎng)技術(shù)是一個不可無視的問題。同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，由于它既能輸出有功功率，又能提供無功功率，周波穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，已被電力系統(tǒng)廣泛采用。然而,把它移植到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上使用卻不甚理想，這是由于風(fēng)速時大時小，隨機(jī)變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難到達(dá)同步發(fā)電機(jī)所要求的精度。并網(wǎng)后假設(shè)不進(jìn)行有效的控制，常會發(fā)生無功振蕩與失步等問題，在重載下尤為嚴(yán)重。這就是在相當(dāng)長的時間內(nèi)，國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組很少采用同步發(fā)電機(jī)的原因。但近年來隨著電力電子技術(shù)的開展，通過在同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間采用變頻裝置，從技術(shù)上解決了這些問題，采用同步發(fā)電機(jī)的方案又引起了人們的重視。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)異步發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行時，由于靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負(fù)荷，因此對機(jī)組的調(diào)速精度要求不高，不需要同步設(shè)備和整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，就可并網(wǎng)。顯然，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配用異步發(fā)電機(jī)不僅控制裝置簡單，而且并網(wǎng)后也不會產(chǎn)生振蕩和失步，運(yùn)行非常穩(wěn)定。然而，異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)也存在一些特殊問題，如直接并網(wǎng)時產(chǎn)生的過大無功功率，需要無功補(bǔ)償；當(dāng)輸入功率超過其最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率時會引起網(wǎng)上飛車；過高的系統(tǒng)電壓會使其磁路飽和，無功激磁電流大量增加，定子電流過載，功率因數(shù)大大下降；不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率過于上升，會因同步轉(zhuǎn)速上升而引起異步發(fā)電機(jī)從發(fā)電狀態(tài)變成電動狀態(tài)；不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率的過大下降，又會使異步發(fā)電機(jī)電流劇增而過載等等。所以運(yùn)行時必須嚴(yán)格監(jiān)視并采取相應(yīng)的有效措施才能保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的平安運(yùn)行。目前國內(nèi)外采用異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方式主要有：直接并網(wǎng)方式、準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式、降壓并網(wǎng)方式、捕捉式準(zhǔn)同期快速并網(wǎng)方式、軟并網(wǎng)技術(shù)。直接并網(wǎng)方式這種方式只要求發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速〔即到達(dá)99%-100%同步轉(zhuǎn)速〕時，即可并網(wǎng)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行控制變得簡單，并網(wǎng)容易。但在并網(wǎng)瞬間存在三相短路現(xiàn)象，供電系統(tǒng)將受到4-5倍發(fā)電機(jī)額定電流的沖擊，系統(tǒng)電壓瞬時嚴(yán)重下降，以致引起低電壓保護(hù)動作，使并網(wǎng)失敗。所以這種并網(wǎng)方式只有在與大電網(wǎng)并網(wǎng)時才有可能。2.準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式與同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式相同，在轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，先用電容勵磁，建立額定電壓，然后對已勵磁建立的發(fā)電機(jī)電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率、相位與系統(tǒng)一致時，將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。采用這種方式，假設(shè)按傳統(tǒng)的步驟整步到同步并網(wǎng)，那么仍須要高精度的調(diào)速器和整步、同期設(shè)備，不僅要增加機(jī)組的造價，而且從整步到達(dá)準(zhǔn)同步并網(wǎng)所花費的時間很長，這是我們所不希望。該并網(wǎng)方式合閘瞬間盡管沖擊電流很小，但必須控制在最大允許的轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)運(yùn)行，以免造成網(wǎng)上飛車。由于它對系統(tǒng)電壓影響極小，所以適合于電網(wǎng)容量比風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大不了幾倍的地方使用。3.降壓并網(wǎng)方式這種并網(wǎng)方式就是在發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間串接電抗器，以減少合閘瞬間沖擊電流的幅值與電網(wǎng)電壓下降的幅度，如比利時200kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時各相串接有大功率電阻。由于電抗器、電阻等串聯(lián)組件要消耗功率，并網(wǎng)后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行時，應(yīng)將其電抗器、電阻退出運(yùn)行。顯然，這種并網(wǎng)方式要增大功率的電阻或電抗器組件，其投資隨著機(jī)組容量的增大而增大，經(jīng)濟(jì)性較差。它適用于小容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組〔采用異步發(fā)電機(jī)〕的并網(wǎng)。4.捕捉式準(zhǔn)同期快速并網(wǎng)方式捕捉式準(zhǔn)同期快速并網(wǎng)技術(shù)的工作原理是將常規(guī)的整步并網(wǎng)方式改為在頻率變化中捕捉同步點的方法進(jìn)行準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)。據(jù)說該技術(shù)可不喪失同期機(jī)，準(zhǔn)同期并網(wǎng)工作準(zhǔn)確、快速可靠，既能實現(xiàn)幾乎無沖擊準(zhǔn)同步并網(wǎng)，對機(jī)組的調(diào)速精度要求不高，又能很好地解決并網(wǎng)過程與降低造價的矛盾，非常適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的準(zhǔn)同步并網(wǎng)操作。5.軟并網(wǎng)技術(shù)采用雙向晶閘管的軟切入法，使異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。它有兩種連接方式：發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間通過雙向晶閘管直接連接。這種連接方式的工作過程為：當(dāng)風(fēng)輪帶動的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，與電網(wǎng)直接相連的每一相的雙向晶閘管的控制角在180°與0°之間逐漸同步翻開；作為每相為無觸點開關(guān)的雙向晶閘管的導(dǎo)通角也同時由0°與180°之間逐漸同步增大。在雙向晶閘管導(dǎo)通階段開始〔即異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速階段〕，異步發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行，隨著轉(zhuǎn)速的升高，其轉(zhuǎn)差率逐漸趨于零。當(dāng)轉(zhuǎn)差率為零時，雙向晶閘管已全部導(dǎo)通，并網(wǎng)過程到此結(jié)束，由于并網(wǎng)電流受晶閘管導(dǎo)通角的限制，并網(wǎng)較平穩(wěn)，不會出現(xiàn)沖擊電流。但軟切入裝置必須采用能承受高電壓大電流的雙向晶閘管，價格較貴，其功率又不能做得太大，因此適用于中型發(fā)電機(jī)組。〔2〕發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間軟并網(wǎng)過渡，零轉(zhuǎn)差自動并網(wǎng)開關(guān)切換連接。這種連接方式工作如下：當(dāng)風(fēng)輪帶動的異步發(fā)電機(jī)啟動或是轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，與電網(wǎng)相連的每一相雙向晶閘管〔晶閘管的兩端與自動并網(wǎng)常開觸點相并聯(lián)〕的控制角在180°與0°之間逐漸同步翻開；作為每相為無觸點開關(guān)的雙向晶閘管的導(dǎo)通角也同時由0°與180°直接按逐漸同步增大。此時自動并網(wǎng)開關(guān)尚未動作，發(fā)電機(jī)通過雙向晶閘管平穩(wěn)地進(jìn)入電網(wǎng)。在雙向晶閘管導(dǎo)通階段開始〔即異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速階段〕，異步發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行，隨著轉(zhuǎn)速的升高，其轉(zhuǎn)差率逐漸趨于零。當(dāng)轉(zhuǎn)差率為零時，雙向晶閘管已全部導(dǎo)通，這時自動并網(wǎng)開關(guān)動作，常開觸點閉合，于是短接了已全部開通的雙向晶閘管。發(fā)電機(jī)輸出功率后，雙向晶閘管的觸發(fā)脈沖自動關(guān)閉，發(fā)電機(jī)輸出電流不再經(jīng)雙向晶閘管而是通過已閉合的自動開關(guān)觸點流向電網(wǎng)。這兩種方法是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的普遍采用的并網(wǎng)方法，其共同特點是：可以得到一個平穩(wěn)的并網(wǎng)過渡過程而不會出現(xiàn)沖擊電流。不過第一種方式所選用高反壓雙向晶閘管的電流允許值比第二種方式的要大得多。這是因為前者的工作電流要考慮能通過發(fā)電機(jī)的額定值；而后者只要通過略高于發(fā)電機(jī)空載時的電流就可滿足要求。但需采用自動并網(wǎng)開關(guān)，控制回路也略為復(fù)雜。3.3適用于變速恒頻發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用異步發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊較大。雙饋發(fā)電機(jī)可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流實現(xiàn)軟并網(wǎng)，防止并網(wǎng)時發(fā)生的電流沖擊和過大的電壓波動。交流勵磁變速恒頻發(fā)電機(jī)采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，與傳統(tǒng)的直流勵磁同步發(fā)電機(jī)以及通常的異步發(fā)電機(jī)相比，其并網(wǎng)過程有所不同。采用交流勵磁后，可根據(jù)電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)勵磁電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓來滿足并網(wǎng)條件，因而可在變速條件下實現(xiàn)并網(wǎng)。目前，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)方式主要有空載并網(wǎng)、帶獨立負(fù)載并網(wǎng)、孤島并網(wǎng)等。其中，空載并網(wǎng)和帶獨立負(fù)載并網(wǎng)兩種方式中，轉(zhuǎn)子勵磁變流器直接與電網(wǎng)相連，雙饋發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)經(jīng)過開關(guān)相連；而孤島并網(wǎng)方式那么是定子與轉(zhuǎn)子勵磁變流器直接相連，在經(jīng)過開關(guān)連接到電網(wǎng)，電網(wǎng)經(jīng)過預(yù)充電變壓器與直流母線電容相連。空載并網(wǎng)方式空載并網(wǎng)方式如圖3.1所示，這種方式的思路為：并網(wǎng)前，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)空載，調(diào)節(jié)雙饋感應(yīng)發(fā)電的定子空載電壓，使其與電網(wǎng)電壓在幅值、頻率及相位上相一致。圖3.1空載并網(wǎng)方式帶獨立負(fù)載并網(wǎng)方式帶獨立負(fù)載并網(wǎng)方式如圖3.2所示，其根本思路為：并網(wǎng)前雙饋感應(yīng)發(fā)電帶負(fù)載運(yùn)行，根據(jù)電網(wǎng)信息和定子電壓、電流對雙饋感應(yīng)發(fā)電已經(jīng)帶有獨立負(fù)載，定子有電流，因此并網(wǎng)控制所需要的信息不僅取自于電網(wǎng)側(cè)，同時還取自于雙饋感應(yīng)發(fā)電定子側(cè)。圖3.2帶獨立負(fù)載并網(wǎng)方式帶負(fù)載并網(wǎng)方式發(fā)電機(jī)具有一定的能量調(diào)節(jié)作用，可與風(fēng)力機(jī)配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，降低了對風(fēng)力機(jī)調(diào)速能力的要求，但控制較為復(fù)雜。上述兩種并網(wǎng)方式的差異是并網(wǎng)前運(yùn)行方式不同。對于空載并網(wǎng)方式，并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)不帶負(fù)載，不參與能量和轉(zhuǎn)速的控制，為了防止在并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)的能量失衡而引起轉(zhuǎn)速失控，應(yīng)由原動機(jī)來控制發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速。對于帶獨立負(fù)載并網(wǎng)方式，并網(wǎng)前接有負(fù)載，發(fā)電機(jī)參與原動機(jī)的能量控制，表現(xiàn)在一方面改變發(fā)電機(jī)的負(fù)載能調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的能量輸出；另一方面在負(fù)載一定的情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變能改變能量在發(fā)電機(jī)內(nèi)部的分配關(guān)系。前一種作用實現(xiàn)了發(fā)電機(jī)能量的粗調(diào)，后一種實現(xiàn)了發(fā)電機(jī)能量的細(xì)調(diào)。可以看出，空載并網(wǎng)方式需要原動機(jī)具有足夠的調(diào)速作用，可與原動機(jī)配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，降低了對原動機(jī)調(diào)速能力的要求。但控制復(fù)雜，需要進(jìn)行電壓補(bǔ)償和檢測更多的電壓、電流量。3.4本章小結(jié)由于本文的題目是小型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計，因此在本章中主要介紹了目前在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常用的并網(wǎng)方式，雖然在本文中并網(wǎng)不是重點設(shè)計的對象，但通過這種簡單的介紹，可以對并網(wǎng)的方式方法有一個比擬清楚的了解。第四章風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)總體方案設(shè)計4.1引言風(fēng)力發(fā)電是一種可再生的清潔能源，具有施工周期短、維護(hù)費用低、清潔無污染和不消耗任何燃料的優(yōu)點。同時風(fēng)力發(fā)電是一種綠色能源，對周圍空氣環(huán)境無污染，運(yùn)行時不需要燃料燃燒，對我們這樣的化石燃料極其缺乏的大國尤其有用。利用潔凈的能源(可再生能源)是人類社會文明進(jìn)步的表現(xiàn)、是科學(xué)技術(shù)的開展、是環(huán)保理念的表達(dá)，也是一個地區(qū)環(huán)保的重要指標(biāo)。隨著興旺國家對二氧化碳減排義務(wù)的承諾，風(fēng)力發(fā)電受到許多國家的重視，成為未來能源的重要來源。合理有效地利用能源對我國實現(xiàn)高速持續(xù)開展的目標(biāo)有極其重大的意義。風(fēng)電的單機(jī)容量較小，直接和配電網(wǎng)相連。而風(fēng)電場所在地區(qū)往往處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，承受沖擊的能力很弱。在并網(wǎng)發(fā)電時由于沖擊電流的存在，會對電網(wǎng)電壓產(chǎn)生影響。風(fēng)的速度和方向是不斷變化的，有時甚至非常劇烈，疲勞強(qiáng)度是影響機(jī)組壽命的主要因素，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對材料、結(jié)構(gòu)、工藝和控制策略都提出了很高的要求。由于風(fēng)力發(fā)電是一種間歇性能源，風(fēng)電場的功率輸出具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，目前的預(yù)報水平還不能滿足電力系統(tǒng)實際運(yùn)行的需要，在作運(yùn)行方案時風(fēng)電是作為未知因素考慮的。為了保證風(fēng)電并網(wǎng)以后系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因此需要在原來運(yùn)行方式的根底上，額外安排一定容量的旋轉(zhuǎn)備用以響應(yīng)風(fēng)電場發(fā)電功率的隨機(jī)波動，維持電力系統(tǒng)的功率平衡與穩(wěn)定。各種形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時對無功功率的需求不同，依靠電容補(bǔ)償來解決無功功率平衡問題，發(fā)電機(jī)的無功功率與出力有關(guān)，由此也影響電網(wǎng)的電壓。因此，風(fēng)電很有可能給配電網(wǎng)帶來諧波污染，電壓和功率波動問題。風(fēng)電的隨機(jī)性給運(yùn)行方案的制定帶來困難，需要重新評估系統(tǒng)的供電可靠性，分析風(fēng)電的容量可信度，研究新的無功補(bǔ)償及電壓控制策略以保證風(fēng)電場和整個系統(tǒng)的電壓水平及無功平衡等。從平安、可靠的角度出發(fā)，結(jié)合電網(wǎng)實際對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)及并網(wǎng)后對電網(wǎng)的影響進(jìn)行針對性研究、分析，以便能夠采取有效的防止和抑制影響的措施，提高風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的平安性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)就是把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，然后再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、變流局部、風(fēng)速測量、無功補(bǔ)償系統(tǒng)、電網(wǎng)等等組成。由于風(fēng)機(jī)發(fā)出的一般是頻率和電壓不穩(wěn)定的交流電能，需先整流成穩(wěn)定且易于控制的直流電能，再經(jīng)過斬波升壓后逆變成可并入公用電網(wǎng)的三相交流電。并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)框圖下面簡單介紹一下各局部的功能原理1.風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的部件。風(fēng)以一定速度和功角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。在早期的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，風(fēng)輪大多采用三槳葉與輪毅剛性聯(lián)接的結(jié)構(gòu)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計水平的不斷提高，在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，特別是兆瓦級機(jī)組的設(shè)計中，開始采用變槳距風(fēng)力機(jī)，槳葉和輪毅間通過可轉(zhuǎn)動的推力軸承聯(lián)接，提高了其在大風(fēng)情況下的可靠性。2.永磁同步發(fā)電機(jī)近年來高性能永磁材料和電力電子技術(shù)的開展，大功率變頻裝置的出現(xiàn)，推動了大型永磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用。目前許多風(fēng)電制造廠商在兆瓦級直驅(qū)和混合驅(qū)動型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用了永磁同步發(fā)電機(jī)。永磁直驅(qū)和綜合驅(qū)動型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組適應(yīng)在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，且有可靠性高、運(yùn)行、維護(hù)簡單，受到風(fēng)電場運(yùn)營商的歡送。市場占有率正在大幅增長，是風(fēng)電很有開展前景的兩種機(jī)型。〔1〕直軀型永磁發(fā)電機(jī)組，因為取消了齒輪箱，沒有傳動磨損和漏油所造成的機(jī)械故障，提高了機(jī)組的可靠性和壽命，減少了齒輪傳動機(jī)械需要潤滑，清洗等定期維護(hù)工作。〔2〕機(jī)械部件傳功的減少，降低了機(jī)械損耗，提高風(fēng)電機(jī)組效率，同時也降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的噪音。〔3〕取消了齒輪箱，傳動軸，機(jī)組水平軸方向長度大大縮短，增加機(jī)組穩(wěn)定性。〔4〕永磁同步電機(jī)與電勵磁同步發(fā)電機(jī)和雙饋型交流發(fā)電機(jī)相比，不用外接勵磁電源，沒有集電環(huán)和電刷，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性和機(jī)組效率。〔5〕直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)外圍面積大，易散熱。由于沒有電勵磁，轉(zhuǎn)子損耗近似為零，可采用自然通風(fēng)冷卻，結(jié)構(gòu)簡單可靠。〔6〕發(fā)電機(jī)功率因數(shù)高，其值接近或等于1，提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。3.定槳距與變槳距定獎距是指槳葉與輪載的連接是固定的，槳距角固定不變，即當(dāng)風(fēng)速變化時，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。變獎距是指安裝在輪載上的葉片通過控制改變其槳距角的大小。其調(diào)節(jié)方法為：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組到達(dá)運(yùn)行條件時，控制系統(tǒng)命令調(diào)節(jié)槳距角調(diào)到45°，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)一定時，再調(diào)節(jié)到0°，直到風(fēng)力機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電；在運(yùn)行過程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在0°位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率到達(dá)額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率。

4.無功補(bǔ)償無功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中所承當(dāng)?shù)淖饔檬翘岣唠娋W(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補(bǔ)償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。反之，如選擇或使用不當(dāng)，可能造成供電系統(tǒng)，電壓波動，諧波增大等諸多因素。

5.控制系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)主要是測量風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速、無功功率；并對槳距、變流局部、主繼電器等進(jìn)行控制，是整個系統(tǒng)中最核心的局部。對于變流局部將通過下一節(jié)進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹，本節(jié)不再贅述。4.3變流局部設(shè)計變流技術(shù)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主電路中關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)，對整個系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。本設(shè)計中主要采用不可控整流+Boost+逆變方案，也是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中廣泛采用的一種變流技術(shù)。本節(jié)將分別介紹獨立的不可控整流技術(shù)、Boost升壓斬波技術(shù)和逆變技術(shù)，以便更好的對變流局部主電路的理解。不可控整流技術(shù)直接驅(qū)動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于發(fā)電機(jī)出口電壓的幅值和頻率總在變化，需要先通過整流電路將交流信號變換成直流電，然后再經(jīng)過逆變器變換為恒頻恒壓的交流電連接到電網(wǎng)。但是在整流過程中，由于電力電子器件的作用使得發(fā)電機(jī)側(cè)功率因數(shù)變低并且電流諧波增大，給發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行帶來了不利影響，然而，由于該種方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，本錢低廉；同時，不可控整流模塊的功率等級可以做到很大，技術(shù)瓶頸小，因此在實際應(yīng)用中仍得到了較為廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)前端采用不可控整流橋整流為直流，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，最后經(jīng)過變流器環(huán)節(jié)將電流送入電網(wǎng)。該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，控制簡單，本錢低廉等優(yōu)點，適合于中小功率場合。電容濾波的三相不可控整流電路在電容濾波的三相不可控整流電路中，最常用的是三相橋式結(jié)構(gòu)，圖4.2給出了其電路拓?fù)洹D4.2電容濾波的三相橋式不可控整流電路根本原理

該電路中，當(dāng)某一對二極管導(dǎo)通時，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時，由電容向負(fù)載放電，按指數(shù)規(guī)律下降。

設(shè)二極管在距線電壓過零點δ角處開始導(dǎo)通，并以二極管VD6和VD1開始導(dǎo)通的時刻為時間零點，那么線電壓為

式〔4.1〕

而相電壓為

式〔4.2〕

在時，二極管VD6和VD1開始同時導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于；下一次同時導(dǎo)通的一對管子是VD1和VD2，直流側(cè)電壓等于。這兩段導(dǎo)通過程之間的交替有兩種情況，一種是在VD1和VD2同時導(dǎo)通之前VD6和VD1是關(guān)斷的，交流側(cè)向直流側(cè)的充電電流id是斷續(xù)的，如圖4.2所示，另一種是VD1一直導(dǎo)通，交替時由VD6導(dǎo)通換相至VD2導(dǎo)通，id是連續(xù)的。介于二者之間的臨界情況是，VD6和VD1同時導(dǎo)通的階段與VD1和VD2在處恰好銜接了起來，id恰好連續(xù)。由前面所述“電壓下降速度相等〞的原那么，可以確定臨界條件。假設(shè)在的時刻“速度相等〞恰好發(fā)生。4.3.3升壓斬波技術(shù)斬波技術(shù)實現(xiàn)的是直流到直流的變換，直接驅(qū)動型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用不可控整流方案的場合很多，此時發(fā)電機(jī)〔通常采用永磁發(fā)電機(jī)〕發(fā)出的三相電通過三相不可控整流橋整流后，再進(jìn)行逆變?nèi)缓蟛⒕W(wǎng)發(fā)電。但由于同步發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速時輸出電壓較低，無法將能量回饋至電網(wǎng)，因此實用的電路往往在直流側(cè)參加一個Boost升壓電路。在低速時，由升壓電路先將整流器輸出的直流電壓提升。采用此電路可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在非常寬的調(diào)速范圍。Boost電路是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主要用到的斬波技術(shù)，其具有輸入電流連續(xù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單。效率高等特點。根本原理a〕b〕圖4.3升壓斬波電路及其工作波形a〕電路圖b〕波形升壓斬波電路〔BoostChopper〕的原理圖及工作波如圖4.3所示。該電路中也是使用一個全控型器件。分析升壓斬波電路的工作原理時，首先假設(shè)電路中電感L值很大，電容C值也很大。當(dāng)V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流根本恒定為,同時電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因C值很大，根本保持輸出電壓為恒值，記為。設(shè)V處于通態(tài)的時間為，此階段電感L上積蓄的能量為。當(dāng)V處于斷態(tài)時E和L共同向電容C充電，并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時間為，那么在此期間電感L釋放的能量為。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即式〔4.3〕式(4.4)上式中的,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。也有的文獻(xiàn)中直接采用其英文名稱，稱之為boost變換器。式〔4.4〕中表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小，即可改變輸出電壓的大小。將升壓比的倒數(shù)記作，即，那么和導(dǎo)通占空比有如下關(guān)系+=1式〔4.5〕因此，式〔4.4〕可表示為式〔4.6〕升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因：一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認(rèn)為V處于通態(tài)間因電容C的作用使得輸出電壓不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于式〔4.6〕所得結(jié)果，不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，根本可以忽略。如果忽略電路中的損耗，那么由電源提供的能量僅由負(fù)載R消耗，即式(4-7)該式說明，與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路也可看成是直流變壓器。逆變技術(shù)與整流相對應(yīng)，把直流電變換成交流電稱為逆變。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載相連時，稱為無源逆變。根本工作原理以單相橋式逆變電路為例說明其最根本的工作原理。圖4.4中S1～S4是橋式電路的4個臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成。當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負(fù)載電壓U0為正；當(dāng)開關(guān)S1、S4斷開，S2、S3閉合時，U0為負(fù)，其波形如圖4.5所示。這樣就把直流電變成交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變交流電的頻率。這就是逆變電路最根本的工作原理。圖4.4逆變電路及其波形4.3.5PWM逆變方案PWM〔PulseWidthModulation，PWM〕控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要波形〔含波形和幅值〕。SPWM〔SinusoidalPWM〕波形是指脈沖的寬度按照正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。隨著電子技術(shù)的開展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是采用的脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。可以通過調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而到達(dá)控制充電電流的目的。1.理論根底：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果根本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果根本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形根本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。圖4.5形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖2.面積等效原理：把一個正弦半波N等分，如圖4.6所示，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。這樣，由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來等效。脈沖波形的寬度可以通過一系列算法得到，作為控制逆變器中各開關(guān)器件通斷的依據(jù)。人們引用通訊技術(shù)中“調(diào)制〞這一概念，以所期望的波形作為調(diào)制波，而受它調(diào)制的信號稱為載波。PWM逆變電路的工作原理是：由單片機(jī)產(chǎn)生的單相PWM控制脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路后，控制開關(guān)V1～V4的通斷，經(jīng)直流電壓逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟妷禾峁┙o負(fù)載。改變調(diào)制信號的周期與幅值，就可以改變主開關(guān)的輸出脈沖周期與占空比。a)正弦波b)等效的SPWM波形圖4.6與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列3.PWM的控制方式SPWM由兩種控制方式，可以是單極式，也可以雙極式，其波形如圖4.8所示。兩種控制方式調(diào)制方法相同，輸出根本電壓的大小和頻率也都通過改變正弦參考信號的幅值和頻率而改變的，只是功率開關(guān)器件的通斷情況不一樣。采用單極式控制時在正弦波的半周期內(nèi)每相只有一個開關(guān)器件開通或關(guān)斷，雙極式控制時逆變器同一橋臂上下兩個開關(guān)器件交替通斷，處于互補(bǔ)的工作方式。a)單極性控制方式b)雙極性控制方式圖4.8單極性和雙極性PWM控制方式波形電壓源型PWM逆變方案電壓源型PWM你便方案是當(dāng)前主要應(yīng)用的逆變方案，該方案的拓?fù)淙鐖D4.9所示，采用的結(jié)構(gòu)為三相全橋，開關(guān)器件為全控型開關(guān)器件，如IGBT、MOSFET等。圖4.9PWM逆變器拓?fù)鋱D圖4.9中，a相橋臂的上管和下管編號為1和2；b相橋臂的上管和下管編號為3和4；c相橋臂的上管和下管編號為5和6。其根本工作方式也是180°導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相〔即同一半橋〕上下兩個臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120°。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通。可能是上面一個臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導(dǎo)通。4.4不可控整流+Boost+逆變方案最典型的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主電路拓?fù)湟话銥椋猴L(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)直接連接，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為頻率變化。幅值變化的交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷麟姡?jīng)過Boost電壓升壓后，再經(jīng)過三相逆變器變換為三相恒幅交流電連接到電網(wǎng)。通過中間電力電子變換環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)有功功率和無功功率進(jìn)行控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤、最大效率利用風(fēng)能。主電路拓?fù)淙鐖D4.10所示。圖4.10直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)拓?fù)鋱D4-10中的DC-DC變流器為Boost電路。Boost主電路一般由不可控整流電路、電感、開關(guān)管和濾波電容組件。其輸入側(cè)有儲能電感，可以減小輸入電流文波，防止電網(wǎng)對主電路的高頻瞬態(tài)沖擊，對整流器呈現(xiàn)電流源負(fù)載特性；其輸出側(cè)有濾波電容，可以減小輸出電壓文波，對負(fù)載呈現(xiàn)電壓源特性。利用Boost電路在斬波的同時，還實現(xiàn)功率因數(shù)校正的目標(biāo)，包括如下兩個方面：1、控制電感電流，使輸入電流正弦化，保證其功率因數(shù)接近于1，并使輸入電流基波跟隨輸入電壓相位。2、當(dāng)風(fēng)速變化時，不可控整流得到的電壓也在變化，而通過DC-DC變流器的調(diào)節(jié)可以保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，使輸出電壓保持恒定。不可控整流+Boost+逆變并網(wǎng)系統(tǒng)方案的優(yōu)點:①控制電路簡單可靠；②無最大、最小速度限制，調(diào)速范圍寬；③發(fā)電機(jī)不承受高的，電磁兼容性好；④對電網(wǎng)波動不敏感。但是同樣也存在一定的缺點:①三級變換(整流、升壓、逆變)使系統(tǒng)效率下降2%-3%；②直流環(huán)節(jié)需要高壓、大容量的電容，其體積大、價格高；③網(wǎng)側(cè)電感容量較大。4.5本章小結(jié)從本章開始，本文已進(jìn)入了核心設(shè)計局部，在本章中，主要對系統(tǒng)的整體框架做了簡要介紹，并對主電路局部中的不可控整流電路、Boost斬波電路和PWM逆變電路做了比擬詳細(xì)的分析介紹。第五章風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的硬件設(shè)計5.1引言本文主要針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路以及局部控制電路進(jìn)行設(shè)計，在上一章中已經(jīng)對此系統(tǒng)的主電路做了初步設(shè)計，主要采用不可控整流+Boost+逆變方案。本章那么主要是從控制電路方面進(jìn)行設(shè)計，但由于本系統(tǒng)較大，涉及的方面較多，因此本章主要就電流檢測、電壓檢測、逆變局部的控制進(jìn)行論述，并采用DSP芯片對各局部進(jìn)行數(shù)據(jù)接收分析和控制。5.2DSP控制器的開展與特點隨著1946年第一臺電子計算機(jī)的誕生，一場數(shù)字化的技術(shù)革命悄然地引發(fā)。如果說當(dāng)初計算機(jī)的出現(xiàn)純粹是為了解決日益復(fù)雜的計算問題，那么現(xiàn)在計算機(jī)已無處不在。自動控制與計算機(jī)幾乎是同步地開展著。自動控制系統(tǒng)的核心問題是如何尋找和實現(xiàn)最正確的控制律。在A/D,D/A以及I/0技術(shù)出現(xiàn)并成熟之后，最正確控制律的實現(xiàn)問題就變?yōu)榱俗钫_控制律的運(yùn)算(代數(shù)、微分、積分等運(yùn)算)問題，從而計算機(jī)作為自動控制系統(tǒng)的核心局部就是自然之事。計算機(jī)真正在自動控制系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用還是緣起20世紀(jì)70年代微處理器(Microprocessor)的出現(xiàn)，它使得計算機(jī)在體積、價格上得以突破，為計算機(jī)在各種技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供可能。微處理器即計算機(jī)的中央處理單元(CPU)和控制單元的集成，它配上一定的存儲器、I/0接口和其他外設(shè)，就可構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的通用控制器。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)不斷改良，一方面微處理器由8位向16位、32位甚至64位開展，再配上外圍設(shè)備后便形成單板機(jī)或微型機(jī)(也稱為個人計算機(jī)，PersonalComputer),使得計算機(jī)不但在計算、控制中應(yīng)用，而且使得計算機(jī)逐漸走入了家庭;另一方面將微處理器與外圍設(shè)備集成到一塊芯片形成單片機(jī)(SinglechipMicrocomputer)，以適用控制器體積越來越小的工程要求。正是由于單片機(jī)的出現(xiàn)，計算機(jī)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用又得到了一次突破。單片機(jī)不但小巧、本錢低，而且由于眾多的設(shè)備集成到了一塊芯片上帶來了功耗小和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。另外，它可以方便地組成各種智能式控制設(shè)備，做到機(jī)電一體化:也可以方便地實現(xiàn)多級和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。單片機(jī)有許多類型，有低擋的1位、4位和8位單片機(jī)，也有高檔的8位、16位單片機(jī)。DSP(DigitalSignalProcessor)實際上也是一種單片機(jī)，它同樣是將中央處理單元、控制單元和外圍設(shè)備集成到一塊芯片上。DSP最早是針對數(shù)字信號處理，特別是語音、圖像信號的各種處理而開發(fā)的。由于這類信號處理的算法復(fù)雜，要求DSP必須具有強(qiáng)大快速的運(yùn)算能力。因此DSP有別于普通的單片機(jī)，它作為一種高速專用微處理器，運(yùn)算功能強(qiáng)大，能實現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù)。它專門處理以運(yùn)算為主且不允許延遲的實時信號，可高速進(jìn)行快速傅里葉變換運(yùn)算。它包含靈活可變的I/0接口和片內(nèi)I/O管理、高速并行數(shù)據(jù)處理、算法的優(yōu)化指令集。數(shù)字信號處理器的精度高，可靠性好，其先進(jìn)的品質(zhì)與性能可為電機(jī)控制提供高效可靠的平臺。數(shù)字信號處理器保持了微處理器自成系統(tǒng)的特點，又具有優(yōu)于通用微處理器對數(shù)字信號處理的運(yùn)算能力。數(shù)字信號處理器為完成信號的實時處理，采用了改良的哈佛結(jié)構(gòu)。程序和數(shù)據(jù)存儲器相隔離，雙獨立總線，在確保運(yùn)算速度的前提下，還提供程序總線和數(shù)據(jù)總線之間的總線數(shù)據(jù)交換器，以間接實現(xiàn)馮諾依曼結(jié)構(gòu)的一些功能，提高系統(tǒng)靈活性。數(shù)字信號處理器中專門設(shè)置了乘法累加器結(jié)構(gòu)，從硬件上實現(xiàn)了乘法器和累加器的并行工作，可在單指令周期內(nèi)完成一次乘法并將乘積求和的運(yùn)算，這是數(shù)字信號處理器區(qū)別于其他通用微處理器的主要特征，也是實現(xiàn)實時數(shù)字信號處理的必要部件。DSP芯片主要特點如下:a)采用哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮一諾依曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應(yīng)的是程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。而馮一諾依曼結(jié)構(gòu)那么是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一編址、依靠指令計數(shù)器提供的地址來區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問