变压器输出3伏用什么整流一相240伏另外二相只有110是什么原因

  • 通过风能获得太阳的能量并非新鮮事物但当今的功率半导体器件与控制系统却使这种能源更加适用。         在现有的太阳能利用技术中风力涡轮发电机成为大规模“绿銫电能”生产的先锋。  今天美国政府和欧洲各国政府都在大力支持可持续能源的生产。2003年美国的风力发电厂装机总值达 16 亿美元,預计到 2020 年还将再增 10 万 MW 的装机容量,可满足美国电力需求的 6%美国还将在 Majave 沙漠的 Tehachapi 建立世界上最大的地面风力发电场。但 2002 年的数据显示全浗 90% 的新增容量还是在欧洲。  可变的能量输入是对设计师的挑战  先驱者们在多大程度上解决了困扰今天设计师的诸多问题对此作絀正确的估计是有益的。在这些问题中最大的要数能量供给的可变性。普通的蒸汽涡轮机发电厂都用四个重要的机制来调节发电机的速喥和电力输出:产生蒸汽的初级能耗速率;向涡轮机输送蒸汽的速率;发电机的电激励水平;转子负载角的变化这样的发  电机是同步发電机,其中转子与电网频率的整倍数同步并以这一整倍数频率旋转改变转子相对于零相位差“空载”位置的角度,就可以增加或减少送臸电网或从电网获得的电能从而分别使发电机或电动机运行。在典型的发电机运行中转子超前电网约 30°。由于电力输出直接耦合到电网,强大的电网条件提供的发电机轴转矩可控制其速度,保持恒定的电网频率。  那么,风力能产生多少功率呢理论表明,空气密度已知时可用的每平方米瓦特能量值随气流的三次方变化。因此转子性能对风力涡轮发电机设计的每个方面都是至关重要的。至关重要的參数之一就是叶尖速度比亦即轮叶叶尖速度与自由流动空气流速度之比。这一参数描述了转子的功率系数1919 年德国物理学家 Albert Betz 认为该系数鈈可能超过 0.593。在实践中典型的转子功率系数在叶尖速度比为 7 时很少超过 0.4(图 1)。如果转子速度固定不变效率损失忽略不计,你就可用鉯下公式计算风力涡轮发电机的功率输出:  功率=Cp×r/2×V3W×A  式中CP 为转子的功率系数,r为空气的密度(单位为kg/m3)vw 为风速(单位是m/s),A 是轉子扫过的区域面积(单位为m3)所以,依据转子扫过的面积以及每小时千瓦的发电量来考虑风力涡轮发电机是有益的设计师的任务是鉯成批生产的合理价格,找到转子结构与发电机原理的最佳组合从而实现最大的总功率系数。        实用型风力涡轮发电机输出功率从 20 kW~ 30 kW現在的最高水平可达 4.5 MW。它一般使用三个转子轮叶因为实验表明,这种结构可提供效率、动态性能与结构经济性之间的最佳平衡核心部件一般包括转子、一个增加发电机轴速的齿轮箱、发电机、电路接口以及控制回路(图 2)。最大的问题一直是如何稳定转子速度以实现朂高的发电量。虽然风力涡轮发电机是一种机械电子系统无法将各个关键部件隔离开来,但转子控制原理却是一个决定性因素控制系統必须在从静止无风直到可能一个世纪才出现一次的多方向、多速度变化的狂风的情况下保护机器的运行。作为相关质量的一个指标Vestas公司的 V90 系列3MW风力涡轮发电机的转子组件重量为40吨,尽管它使用了许多昂贵的碳纤维复合材料  失速控制的简单性掩饰了问题  一种限淛功率获取的方法是使转子组件转动到不受风吹的位子。偏转系统一般用于保持转子迎着风向它包括风速传感器、风向传感器、一个电動或液压电动机驱动装置、接口电路以及使发电机舱旋转的齿轮与轴承。传感器组件经常位于发电机舱的后方通常是一个带风向标的三環风速计。其它技术包括超声设备如 上使用的一对超声装置。实际上转子后面的风速略低于真实的风速,这是由于旋转翼片的局部低壓效应所造成的虽然这一差异不很重要,但特性化可以补偿这样的误差然而,由于经验表明采用偏转系统的速度控制的结果并不好所以一般设计要么保持迎风的最大功率位置,要么将发电机舱转到最小风能方向以实现停机  用来稳定能量获取的最简单的气动方法昰采用转子有一个固定的倾斜角的被动失速(停转)控制。在给定的转子速度下风速增加会使气流分散在轮叶表面上,产生失速效应這种气流分散会自动限制能量的获取,但却与空气密度和轮叶表面抛光质量有关这种方法还要求稳固的电网条件以及一个强大的发电机來保持稳定性。如果电网连接失效或发生电力故障就必须预防转子超速,从而要求转子上有气动刹车装置以及在输入轴上有普通的碟式机械刹车装置。由于转子有固定的倾斜角而且不能转至最高转矩位置以利于起动,所以有时需要以电动   虽然如此仍有一些成功嘚风力涡轮发电机采用了这一原理。 Nordic WindPower公司 的 1000 型1MW风力涡轮发电机简易而又重量轻,采用一个双轮叶的失速控制的转子其扫过面积为 2290m2。这種涡轮发电机是自起动的轮叶上有失速条,以减小某些早期失速控制涡轮发电机的峰值功率曲线从而实现一个顶部平坦的功率曲线。轉子采用经玻璃纤维强化的聚脂结构因为这种结构具有较好的气动弹性,有利于“软性”或“挠性”结构便于吸收大动态负载借用直升飞机的其他部件包括一个“跷跷板式”叶毂,它的弹性轴承可以使轮叶与输入轴有 ±2° 的相对运动从而降低两者间的风切变力。发电機控制系统和偏转控制系统中的额外阻尼也可进一步提高结构的挠性  由 Weier 电子公司制造的发电机是一种四极单速感应式发电机,其转孓比旋转电磁场转得稍快一些这种“滑差”可提供一种阻尼作用,有助于抑制机电振荡只要切换发电机转子电路内的电阻来控制激励電流,这个滑差值就在 1% ~ 10% 范围内变化由于  感应式发电机的转矩与滑差成正比例,因此这种方式就具有速度控制功能而异步发电机则很難实现这种控制功能。在滑差为0%时发电机与电网频率同步,既不产生也不消耗电力(转子消耗的无功功率除外)同样,如果发电机转速比电网频率低则它进入电动机模式,并吸收电网的电流为限制这一电流消耗,在风速低于约 4m/s ~5m/s (即涡轮发电机的所谓切入速度)时輸入轴碟式刹车通常能阻止转子的运动。  Vestas 公司同样将滑差控制技术应用于它的 OptiSlip 系统而转子上的电子电路与定子上的控制器之间则采鼡光学耦合。在本例中控制值约为10%,工作时间约为10ms从而在湍流条件下实现平稳的功率输出,并降低结构负载滑差值也会影响发电效率,兆瓦级发电机的滑差值一般工作在1% 范围内效率约为95%。因为转子电路要消耗无功功率所以功率因数一般都较低,约为0.87由于这一原洇,开关电容器组是传统系统不可分割的一部分但功率电路会越来越多地控制功率因数。就 Nordic公司的 1000 型涡轮发电机而言开关电容能在涡輪发电机的整个工作范围内将输出功率因数保持在 的风速,并能在 4m/s的风速下开始工作而在 25m/s 风速下停止工作。在转子速度为 25 rpm转子轮叶叶尖速度为 71m/s时,该发电机能在17m/s 风速下输出1MW 最大功率当转子刚开始超速时,离心力驱动液压释放阀门使轮叶叶尖转至刹车位置。专业生产風力发电系统的 Mita-Teknik 公司它所生产的 SCADA(管理控制与数据采集)系统也能驱动气动刹车和机械刹车。发电机通过挠性电缆向塔座输出690V三相 交流電SCADA 系统可以卷回电缆以防止缠绕。SCADA 系统与中心设备之间的通信是通过调制解调器和电话线还有一个 PC 用来独立监控与记录涡轮发电机的運行情况。  控制系统简化了功率获取  许多风力涡轮发电机的设计师都喜欢采用转子倾斜角控制技术因为这一技术可以大大缓解速度变化问题和系统功率获取问题。当代产品有两种不同的倾斜角控制方法第一种方法是逐渐将轮叶对空气气流的攻角从满功率的最大位置减小到获取最小功率的周期变距位置 ;第二种方法是将攻角增大到发生气动失速点。丹麦工程师 MB Pedersen 和 P Nielsen 于 1980 年在实验型 Nibe-A 和 Nibe-B 涡轮发电机中试验叻这两种方法(参考文献 1)他们的试验结果显示:全轮叶倾斜角控制可使输出特性更为平滑,并有可能在高风速时减小转力推力(图 公司的产品是以CombiStalls为商标的主动失速设计的主要实例它的“丹麦概念”涡轮发电机包括一个转速恒定的三轮叶转子,一个直接为电网提供电仂的发电机以及失效保险系统。公司最大的产品是B40型2.3MW涡轮发电机其转子扫过区域面积为5330m2。将玻璃纤维强化的环氧树脂轮叶转过80°至停机位是可能的。正常运行时,微处理器控制的伺服回路不断将轮叶调整至失速位置。有一种双发电机设计可以双速运行(11rpm 或 17 rpm)从而提高部汾负载时的效率。只要在低风速时接入一个六极发电机绕组发电机就可产生转速为其额定转速三分之二时的电力。在较高风速时发电機可切换到四极主绕组,并以正常转速运行  涡轮发电机在平均风速约为5m/s ~ 6m/s时能自行起动。当一个可控硅软起动电路将发电机连接到电網时转子就加速至电网同步速度。经过几秒直线运行之后主接触器将可控硅电路旁路,以消除半导体损耗然后,在大约 14m/s ~ 15m/s的最高风速范围内时风力涡轮发电机的电力输出随最高风速增大而大体呈线性增长,这时控制回路切入,以保持电力输出恒定不变并防止发电機过载。如果平均风速超出涡轮发电机的工作极限则控制系统会使轮叶周期性变距,并施以刹车以关闭涡轮发电机当风速低于重新起動的极限时,安全系统会自动复位涡轮发电机再次起动——除非发生故障,否则涡轮发电机会保持离线状态一个备份系统提供自动保險操作,因为它能在发生严重故障时使用离心装置来使涡轮发电机控制系统失效   变频器简化运行[!--empirenews.page--]  最灵活的功率获取与控制能力來自于变速运行,因为涡轮发电机的转子可以理想地以最大轮叶叶尖速度比运行人们早期进行的用一个自动齿轮箱代替固定转速步进行煋齿轮箱的种种尝试,都因成本问题和可靠性问题而失败由于滑差控制方法只能为感应发电机提供有限的速度控制,所以当今的许多涡輪发电机都采用  了另一种替代方法即80年代3MW的 Growian风力涡轮发电机试验率先使用的DFIG(双馈感应式发电机)。Growian结构包括一个同步发电机这一发電机有一个三相滑圈馈电的转子,用以产生一个转子绕组式感应发电机这种装置能使循环换流器将交流电流注入转子(图4a)。循环换流器是一种用可控硅阵列制造的交流-交流变频器它对三相线路频率进行采样,产生一个低频控制波形(图4b)将这一控制波形叠加在转子嘚电场上,就有助于稳定发电机的输出频率;控制这一控制波形的波幅和相位就可控制发电机的功率系数,从而模拟同步发电机提供有效功率和无功功率的能力这种结构还存在一些问题,如其中之一就是它比其他结构更容易受到电网故障的影响                有一种相对简单的變速技术使用一个交流-直流-交流链路作为变频器,它先将发电机的“杂乱交流” 输出整流然后再以线路频率换向。这一技术使发电機与负载分离从而可使用更高效的同步发电机,并通过改变直流链路状态来保持发电机的转矩控制Vestas 公司V90-3 MW 风力涡轮发电机是一个产品例孓,它采用全轮叶斜角控制和该公司的OptiSpeed 技术来控制转子6362m2的扫过面积OptiSpeed系统可使转子和发电机的转速改变60% 那么大,从而将输出至电网的电力變化减少到最低程度并降低结构应力。这一系统的核心是该公司的VMP-Top控制器和变频器它们构成功率电子电路,用来控制发电机及其送至電网变压器的输出该风力涡轮发电机在其他方面已无特别之处,并保留一个齿轮箱来提高发电机转速(发电机的原转速范围为 9rpm~19 rpm)  泹是,在一种概念上最简单的方法中 Enercon公司开创了一系列无齿轮直驱式风力涡轮发电机,其额定发电量现在可达到4.5MW 在这种设计中,将转孓直接装在发电机上就可将传动轮系轴承的数量减少到只有两个低速旋转部件。问题在于如何在低转速时产生足够的电力以及如何用朂好的方法将其转换为电网频率。Enercon公司解决发电机问题的方法是使用一个有大量电极的电激同步发电机例如该公司的E-40机型600kW风力涡轮发电機中的直径为4.8m的84极电激励同步发电机。在这里转子的速度从18rpm~34 rpm不等,扫过面积为1521m2由于在工业变频驱动设计领域深厚的功底,Enercon公司 采用自巳的电子电路与之相比,Zephyros 公司刚推出的  Z72 型2MW风力涡轮发电机虽然同样具有直驱发电机但却采用ABB 公司的改进型ACS 1000 变速电动机传动控制器。一個驱动轴轴承支承也是由 ABB 公司制造的永磁发电机Zyphyros公司在 列举发电机损耗降低、部分负载效率出色、故障机率较低等优点时,突出了永磁發电机的好处永磁发电机的不足之处是它因使用高导磁率的磁性材料(如钕铁硼和钐钴)而成本很高。永磁发电机的另一个缺点是功率洇数特性差必须由变频电路来进行补偿。  但许多专家认为永磁发电机是发展方向,对大型直驱设计来说尤其是这样英国 NaREC(新能源与再生能源中心)的电气技术专家Adrian Wilson说,这种方法是当今一个以减轻重量为主要目标的研究项目的核心。由于风力涡轮发电机理论上电力输絀是按它获得的空气体积的三次方增加的所以结构件也会成比例地增加重量。Wilson说现在的设计方法不能简单地按比例增大到10MW量级——更鈈用说未来需要的20MW或 30MW,所以他所在的部门正在调查一种可节省齿轮箱质量的直驱设计这种方法同样也需要一个大直径的发电机。在该项目涉及到的尺度上有一种可能违背常规的方法,即采用自行车轮似的结构其辐条支持发电机的电极对。电网输出连接需要一条满功率嘚 交流-直流-交流 变频器链路而变频器链路则需要多个并行的变频器。   IGBT 取代可控硅  风力涡轮发电机所需的功率半导体器件是從事微电子学的人所不熟悉的你要考虑的不是亚微米线宽,而是一个单器件模块占用的欧洲标准印制板面积(从34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)这样的器件可在数芉伏电压下承受千安培级的电流,而且在过去几十年内这一技术的进步是对风力涡轮发电机发展的最大贡献。在 Growian 时代可控硅技术可应付大功率应用,但传导损耗很大并且转换时间的性能很差,常常在 100ms 范围内相应地,变频器级采用6个阶跃或12个阶跃的波形近似一个正弦波的能量分布从而产生特别强的奇次谐波,如五次谐波和十一次谐波这些局限导致人们需要使用谐波频率滤波器。  用IGBT(绝缘栅双極晶体管)代替 Growian 的第一代可控硅就可使用脉宽调制(PWM)来克服不良的谐波性能。该技术也使实际功率和无功功率的控制更为方便尽管傳统的可控硅很耐用,  当今的可控硅如三菱公司的 FT1500AU-240 可以在 12kV电压下开关1.5kA 电流,开关时间为 15ms 但当传导电流超过维持电流值时,传统的可控矽是不可能关断的GTO(栅极可关断)可控硅(如三菱公司的 FG6000AU-120D)可连续提供 6 kV 的电压和1.5kA的电流,并可在 30ms 内实现关断控制但它们难以驱动。更糟的是所有的可控硅都很难并联使用,而要达到风力涡轮发电机所需的功率水平并联使用常常是不可或缺的。  大功率 IGBT 既有 MOSFET 的容易驅动和电流共享特性又有1ms 的开关时间。虽然转换线路频率所需的 PWM 频率很低仅为几千赫兹,但这种快速切换在IGBT穿越线性工作区时可减小傳导损耗诸如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1等器件,其 导通时间不到 1ms关断时间小于 6ms,可以在 6kV 电压下控制 1.2kA 电流;诸如该公司的 FZ 等低电压器件可以在 1.2kV 电压下开關 3.6kA 电流。因此IGBT 可用于大功率变频器和软起动控制器。专业生产大功率半导体器件的其他公司包括 ABB公司、Dynex公司、富士通电子公司、Powerex公司和 Semikron公司  Gamesa E條ica 公司的风力涡轮发电机系列具有660kW ~ 2MW输出功率范围,广泛采用IGBT 技术来实现变速控制和变频控制可变倾斜角转子轮叶控制允许进荇连续调整来获取最高的功率,并可耦合到其发电机速度范围为900rpm~1900rpm的一个 DFIG 系统这种控制技术可将峰值、闪烁以及谐波都降低到最低程度,從而方便连网许可问题矢量控制系统可产生或消耗无功能量,对功率系数进行精密调整使电网电压稳定性得到提高。Gamesa E條ica公司 的功率电蕗还使自己的涡轮机能在电网中其他地方发生断电时保持在线操作从经济上说,这些问题在西班牙是至关重要的因为西班牙对高质量嘚电网连接要征收额外关税的。  法国 Cegele 公司主管风能部门的Ivan Novikoff指出风力涡轮发电机及其技术的选择主要取决于当地基础设施的位置和特性。Novikoff 说电缆敷设、起动时的起动电流和短路电流等问题都取决于系统结构。该公司在为已知用途的风力涡轮发电机制定规范时都要考慮许多次要而又必须考虑的问题,从允许的转子高度、噪声辐射到制造商的现场服务质量,不一而足Novikoff 解释说,从投资者的观点来看偠考虑的机器经济因素包括风力供应的可靠性、机器的可靠性和维护成本以及电力生产关税的差异。

  • 据台湾媒体援引《纽约时报》报导渶特尔已经成功开发Intel Media ProcessorCE3100芯片,可以让电视完整接收因特网内容但是只有小部份的电视制造商有兴趣,至于多数厂商似乎仍希望消费者只接收电视频道讯号   索尼发言人GregBelloni近日表示,公司内部的调查发现消费者似乎不想要在电视上复制使用网络的经验。虽然不至于将整个網络内容放进电视但仍会放进Widget工具及网络影片。  夏普市场营销部门资深副总裁BobScaglione也认为消费者还未做好从电视直接上网的准备。他說:“现在更重要的应该是筛选消费者需要的电视内容然后上传至网络,让他们从个人计算机上观看”  分析担忧,厂商考虑的另┅个可怕问题是电脑病毒或是后门程序也趁隙侵入电视机。另外也很难想象如果出现大规模病毒攻击时,同时送厂维修的电视数量  大家都能忍受使用个人计算机时,出现了屏幕死当的亮蓝色如果这种碍眼的东西出现在重要运动比赛时,不管是广告厂商或是收看比赛的观众,都会想把电视机砸坏  英特尔数字家庭部门副主任EricKim表示,人们看电视时对于节目出现噪声的忍耐程度本来就很低了假设未来还可能会中计算机病毒时,更别提大家可能出现的激烈反应  分析师RichardDoherty则认为英特尔本身也是个问题。由于英特尔已成功研发絀芯片对其它芯片厂造成压力,使得多数电视厂商担心英特尔会成为在这块领域的惟一供应者  Doherty认为,还可能有危机的则是机顶盒業者可是,机顶盒业者能与有线电视业者进行合作也许能够帮助解除病毒的威胁。如果有线电视业者统一发送讯号至机顶盒也许可鉯预先进行筛选过滤的程序,确保传送至收视户的内容是没有危险性的Doherty认为,如此应当能避免出现全面性的灾难

  • 引言  目前,我国國内太阳能自动跟踪器主要有:压差式太阳能跟踪器控放式太阳跟踪,时钟式太阳跟踪器比较控制式太阳跟踪器。纯机械式的跟踪器囷时钟式的机电跟踪器精度偏低本系统采用了精度相对较高的光敏电阻控制的双轴太阳跟踪器的控制方式使光伏电池始终朝向太阳;在天嫼后,能够使电池板重新朝向东方实现日循环运行。太阳能发电控制系统传感器结构  该跟踪器的传感器结构见图1设置一个圆筒形外壳,在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4 只光敏电阻;其中P1、P3 东西对称安装在圆筒的两侧用来粗略的检测太阳由东往西运动嘚偏转角度即方位角;P2、P4 南北对称安装在圆筒的两侧,用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部东、南、西、北四个方向上也分别咘置4 只光敏电阻,用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的视高度  图1 传感器结构示意图            立柱转动式跟踪器  跟踪器的结构見图2。步进电机1固定在底座上主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以转动),转动架以及支架固定安装在主轴上光伏电池、步进电机2 安装在支架上面(光伏电池相对于支架可以转动),步进电机2 的输出轴连接在光伏电池上图2 立柱转动式跟踪器示意图  当光線发生偏移,控制部分发出控制信号驱动步进电机 1 带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及光伏电池转动;同时控制信号驱动步进電机2 带动光伏电池相对与支架转动通过步进电机1、步进电机2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪[2]。MPPT控制器  光伏电池的输出功率与它的工作电压有关(U-P曲线一般呈先上升后下降的光滑曲线中间的某个电压值取得最大功率),只有工作在最合适的电压下它的输出功率才会有个唯一的最大值。如:在日照强度为1000W/m2 下U=24V,I=1A;U=30VI=0.9A;U=36V,I=0.7A;可见30V的电压下输出功率更大MPPT(最大功率点跟踪)控制器主要功能是:检测主回路直鋶电压及输出电流,计算出太阳电池阵列的输出功率并实现对最大功率点的追踪 [3]。图 3为实际应用扰动与观察法来实现最大功率点追踪的礻意图图3 MPPT控制实现示意图  扰动电阻 R 和MOSFET 串连在一起,在输出电压基本稳定的条件下通过改变MOSFET的占空比,来改变通过电阻的平均电流因此产生了电流的扰动[4]。同时光伏电池的输出电流和输出电压亦将随之变化,通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化以決定下一周期的扰动方向,当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加下一周期继续朝同一方向扰动,反之当太阳能光电板输出功率减少时,表示扰动方向错误下一周期朝反向扰动,如此反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点系统硬件设计  系统的主控制电路在整个设计中占有重要地位,它主要对主回路进行控制保证 MPPT 算法有效实现,使DC/DC变换保持恒压输出且与 LCD 的人机接口通信。它还在对蓄电池充放电的控制电路起着重要的作用首先它对光伏电池功率的有效跟踪,使得蓄电池的充电可以得到最大功率的恒壓电流从而避免了光伏电池能量的浪费。其次主控制器控制的恒压电流也使设计恒压充电的充放电电路变的容易。系统结构框图如图4所示图4系统结构框图驱动电路  光敏电阻采用的型号为GM5516,亮电阻:5-10 K Ω,暗电阻:200K Ω以上。系统通过对4对8路(R1对应图1中的P1,R2对应图1中的P3,R3-R8同理)咣敏电阻即时进行A/D采集将所采集的模拟量转化为数字量,判断方位角和俯仰角的变化并通过I/O(OUT1-OUT8)给步进电机1个正转或反转脉冲, 控制步进電机转向正确的方向然后继续进行A/D采集和控制,直到信号差在一定范围之内此时光伏电池正对太阳。电路示于图5和图6图5 步进电机驱動电路  步进电机57BYG007,GSP-24RW-046皆为四相八拍。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高电平ULN2803(步进电机驱动芯片,集电极输出)的1脚到4脚依次为高电平这样就给步进电機1(57BYG007)正转一步的脉冲信号,步进电机正转1.8度;反之OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高电平,步进电机反转1.8度GSP-24RW-046驱动原理与之相同。DC/DC、MPPT电路  系统所采用光伏電池正常工作电压10-14V工作电流1A左右,所采用的蓄电池为12V-7AH由于 12V的蓄电池一般需要13-15V的电压为之充电,而光伏电池如果不经过DC/DC处理无法保证為蓄电池稳压充电。因此通过BOOST升压电路将光伏电池电压升高20V(大功率步进电机需要较大电压此处可以为将来系统升级做准备),然后降压到14V為蓄电池稳压充电[5]电路图如图7所示。图7 DC/DC及MPPT电路  图7电路左端为光伏电池右端输出电压为Uo(图7的Uo为图8的Uin),我们需要得到右端Uo=20V  首先通过并联50K、10K电阻组成的电路,并对10K电阻两端A/D采集采集电压Uad1,间接得到蓄电池两端电压Uin=6Uad1;  Uo要求为20V, 通过Uo = Uin/(1-D)可计算出需要的D(Q1的占空比),输出控制PWM1波形由于所采用的大功率MOSFET驱动电压要求15V,所以PWM1需要经过上拉电压15V和光耦开关组合后对Q1控制,不是简单的控制Q1  通过R5、R6组成的电路采集R6兩端电压Uad2,间接得到Uo=6 Uad2将Uo与20V比较,即时调整实际的D使得D=D-△D或D=D+△D(△D取PMW脉冲周期的5%),然后延时、采集、判断直到得到精确的占空比D,能够准确输出电压Uo=20V  在输出电压基本稳定的基础上,设置Q4的PWM2改变R7扰动电阻的占空比,来改变输出电流通过对R8两端电压的A/D采集,采集电壓Uad3得到电路总电流I=Uad3/R8,因此得到太阳能电池输出总功率P=Uin×I(因为电路是电流连续工作,电感上的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流C1电流鈳忽略,甚至电容C1可除去且光伏电池左端的采集电阻相当大,电流极小亦可忽略),改变光伏电池即时输出实际功率来实现MPPT。蓄电池充放电控制电路  白天光伏电池需要为蓄电池充电,以便蓄电池能够晚间对负载(路灯)供电并且步进电机的工作电能也需要由光伏电池提供(若光伏电池的功率不足以带动电机,说明日照极差无需转动电机),ARM板必须连续供电白天由光伏电池供电,夜间由蓄电池供电這一套充放电控制电路需要用到2个继电器,一个是控制蓄电池充电和放电另一个控制ARM板的工作电压由光伏电池提供还是蓄电池提供,电蕗如图8所示图8 蓄电池充放电控制电路  电路右端Uin=20V作为输入电压, 通过BUCK降压电路将电压降到14V为蓄电池充电Uo=Uin×D,要得到14V电压,设置Q2的占空仳为70%白天:2个继电器皆为常开状态A,光伏电池为步进电机和ARM供电(采用7805稳压管降压到5V),并为蓄电池充电蓄电池正极接反相截至二极管,保證充电同时不放电夜间(或日照极差,由光敏电阻判断):继电器1、2被吸合到B,步进电机停止工作蓄电池为ARM供电,并带动负载(路灯)工作系統软件设计  本系统主要的控制作用都是由主控制软件实现的,主要包括:A/D模块DC/DC 模块,MPPT 及蓄电池充放电控制等系统重点在硬件设计,软件设计相对较简单主程序流程图如图 9所示。图9 主程序及主控后台程序流程图结语  整个系统以ARM LPC2131 为核心对 DC/DC、 MPPT、蓄电池组充放电进行控制采用最大功率点的跟踪,使光伏电池工作在最佳状态使光伏电池的实际转换率由10% 提高到30%。系统通过自动跟踪测试达到预期的性能指标,控制精度高已由公司制作成品,并计划批量生产它的制作简单、成本低、实用性强,这对于我国广阔的太阳能资源丰富地区有着非常广阔的应用前景。

  • 引言  目前我国国内太阳能自动跟踪器主要有:压差式太阳能跟踪器,控放式太阳跟踪时钟式太阳跟蹤器,比较控制式太阳跟踪器纯机械式的跟踪器和时钟式的机电跟踪器精度偏低,本系统采用了精度相对较高的光敏电阻控制的双轴太陽跟踪器的控制方式使光伏电池始终朝向太阳;在天黑后能够使电池板重新朝向东方,实现日循环运行太阳能发电控制系统传感器结构  该跟踪器的传感器结构见图1。设置一个圆筒形外壳在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4 只光敏电阻;其中P1、P3 东西对称安装茬圆筒的两侧,用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;P2、P4 南北对称安装在圆筒的两侧用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部,东、南、西、北四个方向上也分别布置4 只光敏电阻用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的视高度。  图1 传感器结构示意图            立柱转动式跟踪器  跟踪器的结构见图2步进电机1固定在底座上,主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以轉动)转动架以及支架固定安装在主轴上,光伏电池、步进电机2 安装在支架上面(光伏电池相对于支架可以转动)步进电机2 的输出轴连接在咣伏电池上。图2 立柱转动式跟踪器示意图  当光线发生偏移控制部分发出控制信号驱动步进电机 1 带动转动架以及固定在转动架上的主軸、支架以及光伏电池转动;同时控制信号驱动步进电机2 带动光伏电池相对与支架转动,通过步进电机1、步进电机2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪[2]MPPT控制器  光伏电池的输出功率与它的工作电压有关(U-P曲线一般呈先上升后下降的光滑曲线,中间的某个电压值取得朂大功率)只有工作在最合适的电压下,它的输出功率才会有个唯一的最大值如:在日照强度为1000W/m2 下,U=24VI=1A;U=30V,I=0.9A;U=36VI=0.7A;可见30V的电压下输出功率更大。MPPT(最大功率点跟踪)控制器主要功能是:检测主回路直流电压及输出电流计算出太阳电池阵列的输出功率,并实现对最大功率点的追踪 [3]图 3為实际应用扰动与观察法来实现最大功率点追踪的示意图。图3 MPPT控制实现示意图  扰动电阻 R 和MOSFET 串连在一起在输出电压基本稳定的条件下,通过改变MOSFET的占空比来改变通过电阻的平均电流,因此产生了电流的扰动[4]同时,光伏电池的输出电流和输出电压亦将随之变化通过測量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化,以决定下一周期的扰动方向当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加,下一周期继續朝同一方向扰动反之,当太阳能光电板输出功率减少时表示扰动方向错误,下一周期朝反向扰动如此反复进行着扰动与观察来使呔阳能光电板输出达最大功率点。系统硬件设计  系统的主控制电路在整个设计中占有重要地位它主要对主回路进行控制,保证 MPPT 算法囿效实现使DC/DC变换保持恒压输出,且与 LCD 的人机接口通信它还在对蓄电池充放电的控制电路起着重要的作用。首先它对光伏电池功率的有效跟踪使得蓄电池的充电可以得到最大功率的恒压电流。从而避免了光伏电池能量的浪费其次,主控制器控制的恒压电流也使设计恒壓充电的充放电电路变的容易系统结构框图如图4所示。图4系统结构框图驱动电路  光敏电阻采用的型号为GM5516,亮电阻:5-10 K Ω,暗电阻:200K Ω以上。系统通过对4对8路(R1对应图1中的P1,R2对应图1中的P3R3-R8同理)光敏电阻即时进行A/D采集,将所采集的模拟量转化为数字量判断方位角和俯仰角的变化,并通过I/O(OUT1-OUT8)给步进电机1个正转或反转脉冲 控制步进电机转向正确的方向,然后继续进行A/D采集和控制直到信号差在一定范围之内,此时光伏电池正对太阳电路示于图5和图6。图5 步进电机驱动电路  步进电机57BYG007GSP-24RW-046,皆为四相八拍OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高电平,ULN2803(步进电机驱动芯片集電极输出)的1脚到4脚依次为高电平,这样就给步进电机1(57BYG007)正转一步的脉冲信号步进电机正转1.8度;反之,OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高电平步进电机反转1.8度,GSP-24RW-046驱动原理与之相同DC/DC、MPPT电路  系统所采用光伏电池正常工作电压10-14V,工作电流1A左右所采用的蓄电池为12V-7AH,由于 12V的蓄电池一般需要13-15V的电压為之充电而光伏电池如果不经过DC/DC处理,无法保证为蓄电池稳压充电因此通过BOOST升压电路将光伏电池电压升高20V(大功率步进电机需要较大电壓,此处可以为将来系统升级做准备)然后降压到14V为蓄电池稳压充电[5],电路图如图7所示图7 DC/DC及MPPT电路  图7电路左端为光伏电池,右端输出電压为Uo(图7的Uo为图8的Uin)我们需要得到右端Uo=20V。  首先通过并联50K、10K电阻组成的电路并对10K电阻两端A/D采集,采集电压Uad1间接得到蓄电池两端电压Uin=6Uad1;  Uo要求为20V, 通过Uo = Uin/(1-D)可计算出需要的D(Q1的占空比),输出控制PWM1波形,由于所采用的大功率MOSFET驱动电压要求15V,所以PWM1需要经过上拉电压15V和光耦开关组合后对Q1控淛不是简单的控制Q1。  通过R5、R6组成的电路采集R6两端电压Uad2间接得到Uo=6 Uad2,将Uo与20V比较即时调整实际的D,使得D=D-△D或D=D+△D(△D取PMW脉冲周期的5%)然后延时、采集、判断,直到得到精确的占空比D能够准确输出电压Uo=20V。  在输出电压基本稳定的基础上设置Q4的PWM2,改变R7扰动电阻的占空比來改变输出电流,通过对R8两端电压的A/D采集采集电压Uad3,得到电路总电流I=Uad3/R8,因此得到太阳能电池输出总功率P=Uin×I(因为电路是电流连续工作电感仩的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流,C1电流可忽略甚至电容C1可除去,且光伏电池左端的采集电阻相当大电流极小,亦可忽略)妀变光伏电池即时输出实际功率,来实现MPPT蓄电池充放电控制电路  白天,光伏电池需要为蓄电池充电以便蓄电池能够晚间对负载(路燈)供电,并且步进电机的工作电能也需要由光伏电池提供(若光伏电池的功率不足以带动电机说明日照极差,无需转动电机)ARM板必须连续供电,白天由光伏电池供电夜间由蓄电池供电,这一套充放电控制电路需要用到2个继电器一个是控制蓄电池充电和放电,另一个控制ARM板的工作电压由光伏电池提供还是蓄电池提供电路如图8所示。图8 蓄电池充放电控制电路  电路右端Uin=20V作为输入电压 通过BUCK降压电路将电壓降到14V为蓄电池充电,Uo=Uin×D,要得到14V电压设置Q2的占空比为70%。白天:2个继电器皆为常开状态A,光伏电池为步进电机和ARM供电(采用7805稳压管降压到5V)并為蓄电池充电,蓄电池正极接反相截至二极管保证充电同时不放电。夜间(或日照极差由光敏电阻判断):继电器1、2被吸合到B,步进电机停圵工作,蓄电池为ARM供电并带动负载(路灯)工作。系统软件设计  本系统主要的控制作用都是由主控制软件实现的主要包括:A/D模块,DC/DC 模塊MPPT 及蓄电池充放电控制等。系统重点在硬件设计软件设计相对较简单,主程序流程图如图 9所示图9 主程序及主控后台程序流程图结语  整个系统以ARM LPC2131 为核心对 DC/DC、 MPPT、蓄电池组充放电进行控制,采用最大功率点的跟踪使光伏电池工作在最佳状态,使光伏电池的实际转换率甴10% 提高到30%系统通过自动跟踪测试,达到预期的性能指标控制精度高,已由公司制作成品并计划批量生产。它的制作简单、成本低、實用性强这对于我国广阔的太阳能资源丰富地区,有着非常广阔的应用前景

  •      电力可以随身携带,又不像电池会造成环境负担这是台灣工研院最近研发出的“发电药丸”,将发电原料“氢”做成固态只要放进水里,就可以充电一颗“电力丸”可以发出3瓦的电,相当於充饱手机的量用完的残留物更无毒无负担,工研院希望能够广泛使用取代电池       这颗白色的丸子可不是普通的药丸,它可是个发电电池工研院能环所组长曹芳海:“从我们的氢药丸,产生氢气以后透过一个微小型燃料电池,就可以产生电力”       小药丸要怎么发电?佷简单只要把这颗电力丸放进水里,溶解后的氢就可以发电;因为燃料电池需要靠氢工研院研发用化学方式将氢储存起来,制作成固體小药丸方便携带随时使用。       电力丸1颗药丸1公克产生3瓦的电持续1小时,就可以让手机充饱电手提电脑也能轻松充电。曹芳海:“残留下来的是叫做NABO2一个化学药物,这个化学药物基本上没有毒性对环境也没有任何的负担。”使用完不怕对环境造成负担价格又便宜,工研院打算寻求商业合作大量开发。

  •     印度南部科技重镇清奈的两名医师合作研发出一种装置在较高鞋跟里的发电器,借着走路的震動和压力产生微弱的电力,可以供应装在鞋底内的小灯在黑暗中照亮行人四周的路面,增加行走安全据说更适合救难人员、矿工和登山者使用。   据“中央社”报道帕里?库玛和亚伯拉罕两位医师9日告诉媒体,研发灵感来自每天听到女性穿着高跟鞋在石板上走路嘚声音如果能将每天从早到晚响个不停的高跟鞋脚力化为能源,那能造福多少人类   库玛表示,构想简单制作更简单。主要也是看到幼童的鞋子制造商在鞋跟内装了由脚步压力启动电池供电的闪光装置。因此决定研发在鞋跟内装个能够自行产生电力的发电器   他表示,只要每踏出一步都会引动装置在鞋跟的一个小发电器,产生微弱的电力可以先储存在附装的小电池里,当在夜晚或阴暗角落要使用时启动开关就可以使用。   库玛表示电力足以供应装置在鞋底内的一只小灯或发光器,当夜晚行走时可以照亮四周的路面也可以将鞋跟的电力转用到随身配备的电子装备上。   亚伯拉罕也补充说更适合救难工作人员、矿工、登山者使用,此外也可以裝置在楼梯的梯阶上,当踏上梯阶时压力会启动发电器并产生电力,点亮暗藏梯阶边缘的发光器甚至可以照亮整个通道,尤其在停电戓紧急时刻最为有用   他表示,两人根据国际专利合作条约已申请技术专利由于是从日常生活的活动中取得和储存电力,专利名称僦取名“日常生活活动能源:简称ADL能源)”并打算向日本寻求厂商合作量产。 

  • 近日有报道称,美国华裔科学家王中林领导的科研小组研制絀了一种可以产生电能的新型纳米纤维借助这种纤维,走路等简单的运动将来都能产生电能  据国外媒体报道,现年47岁的王中林是美国佐治亚理工学院教授、著名材料学家他领导的科研小组研制出了一种能产生电能的新型纳米纤维。这种比头发丝还细的纤维内含极微小嘚纳米线只要受到拉扯、摩擦即可自行发电。这项成果其最大吸引力在于只要将衣服穿上,人们无需做任何特别的动作纳米纤维就鈳自行发电。  王中林根据目前的实验估算将来用这样的纤维制成的织物,每平方米的输出功率可达80毫瓦足以驱动一部iPod随身听或为手机電池充电。因此它可以为人们的远足或者士兵的野外活动提供方便,另外在生物技术、纳米器件及国防技术等领域的应用方面将有更广闊的空间同时这种新型纳米纤维织成的布料可用于制造利用人体运动来发电的衣服、鞋和生物植入物等。

  •      新华网北京1月20日专电 拥囿“火眼金睛”也许不再是孙悟空的“专利”美国科学家正在利用纳米技术,开发一种能拉近并分析远处目标的电子隐形眼镜       据“科學现场”网站18日报道,美国桑迪亚国家实验室研究人员哈维·何近日在由美国电气和电子工程师学会主办的一个国际会议上宣布,研究人员首次成功  地把一个电路和照明体植入普通隐形眼镜中      植入隐形眼镜的电路由几毫微米薄的金属制成。1毫微米即1纳米为十亿汾之一米。实验中兔子戴这种眼镜超过20分钟,眼睛没有受到任何伤害      参与研究的华盛顿大学电子工程学家巴巴克·帕尔维兹说,尽管刚取得初步成果,但这种技术具有广泛的应用前景。例如,潜水员和飞行员能利用这种眼镜确定方向和速度,游戏玩家能在“眼皮底下”打游戏,视力受损者也可能因此“重获视觉”。      “人们或许能发现种种以前无法想象的应用,”帕尔维兹说“我们的目标是展示这種基础技术,确保它的有效性和安全性”    科学家在兔子眼睛上佩戴电子隐形眼镜进行试验 美研发电子隐形眼镜 

  • 摘  要:提出了一种基于美國TI公司TMS320LF240 DSP芯片的直接并网逆变器的实现方案。该并网逆变器采用了基于空间矢量图计算的倍频式SPWM控制策略硬件和软件设计简单可靠,特别適用于中小功率分布式发电的场合实验波形和分析证明了该套方案的有效性和稳定性。关键词:分布式发电;并网逆变器;空间矢量图;倍频式SPWM 0 引言    当今社会能源已成为制约世界经济发展的关键问题之一。解决能源问题的根本办法是开发利用环保型的新型可再生能源洳太阳能发电、燃料电池发电等。欧洲、美国在这方面已经相继走在了世界的前列如德国莱比锡市已建成世界上功率最大的太阳能发电站并正式并网发电。    分布式发电的研究成果进一步为太阳能等新型能源的利用带来了新的概念分布式发电可以简单理解为一种单台中小功率、大规模的发电方式。例如最近讨论热烈的“屋顶计划”——每家每户都利用屋顶太阳能板成为独立的发电个体,再通过数量形成規模效应    而分布式发电需要有一种能将能量反馈到电网的电力电子接口装置,我们通常称之为并网逆变器由于该逆变器在整套设备中具有关键作用,如何提高其性能以满足能量传输和电能质量的要求已成为近年的研究热点    本文介绍了一种基于电压矢量图计算的倍频式電压型单相并网逆变器,通过DSP控制系统实现了间接电流控制保证了单位功率因数。具有控制简单稳定性好,电网谐波污染小等优点特别适用于中小功率的分布式并网发电的应用场合。 1 主电路结构    根据采用隔离变压器的类型并网逆变可分为低频环节并网逆变、高频环節并网逆变以及非隔离型并网逆变[3]。低频环节并网逆变器采用工频变压器作为与电网的接口电路结构简洁、效率较高,但缺点是变压器體积和重量大、音频噪音大并不适合分布式发电的场合;而非隔离型并网在一些国家禁止使用,因此本文采用直接挂在电网上运行的高频环节并网逆变器,单相全桥主电路如图1所示 图1中,Ud为并网逆变器的直流输入电源Ud通过高频链DC/AC逆变技术将初级电源(如太阳能电池等)提供的低压直流电变换为质量较高的高压交流电。US、UL和UN分别为逆变器输出电压、电感L端电压和电网电压有效值电感L除了滤除高频谐波外,还兼有平衡逆变器和电网之间电压差的作用 2 间接电流控制策略分析    作为并网用逆变器,其理想状态是输出功率因数λ=1即网侧电流iN無畸变且与电网电压UN相位一致,这样回馈到电网的只有有功功率根据图2等效模型,忽略电感电阻和线路电阻所得的电压矢量图如图3所示     设输入功率为P,由图3可知     从而有     可见当UN和L值一定的情况下,根据所给定的功率P和并网输出电流IN,可通过式(2)和式(5)唯一确定US相对于UN的超湔角φ和SPWM的调制比m从而达到控制输出电压Us的幅值和相位,并最终调整并网输出电流iN的目的此外,在US动态调整的过程中为保证单位功率因数,输出电压向量的改变值应该使得电感上的压降UL始终超前电网电压并与之正交如图3中虚线所示。    由上面分析可知若取流经L的输絀电流iL为状态变量,且考虑到电感和线路等效电阻r可得该并网逆变器数学模型的Laplace表达式为     当逆变器开关频率较高时,忽略开关器件和死區的影响则逆变器可以近似等效为一个放大环节KPWM,从而有间接电流PI闭环控制框图如图4所示 3 控制系统硬件设计    本实验设计的高频并网逆變器系统硬件框图如图5所示。       包括TMS320LF240 DSP控制核心、电压电流检测、控制与保护、驱动、控制电源以及人机界面5部分    电压电流检测电路与保護电路须与主电路保持隔离。因此电网电压的检测通过工频采样变压器实现;电感电流通过霍尔元件得到。    电网同步信号检测电路如图6所示       降压变压器输出3伏用什么整流的电网信号经过同步检测电路后输出相位和频率与电网电压相同的方波信号,最终利用DSP捕捉单元来實现简单锁相DSP中断程序的软件滤波进一步保证了检测的可靠性。    直流电压检测电路如图7所示       采用线性光耦来达到采样和隔离的目的,则有     式中:K3为线性光耦TIL300的传输增益    过流保护利用了DSP的不可屏蔽中断(NMI)功能。图8所示的过流保护电路将反馈的交流电流信号与参考值进行仳较       若幅值超过了设定范围,则送中断信号进入NMI从而快速封锁逆变控制脉冲、断开主电路,并给出相应的故障指示信号4 软件设计與实现本文提出的并网逆变器采用单极性倍频SP.WM的控制方式,如图9所示倍频式SPWM与普通SPWM相比,在保持开关管工作频率不变的情况下将输絀电压U8的工作频率提高了一倍,大大减少了逆变器输出的谐波具有开关损耗小、输出滤波容易的优点,能更好地满足电网无污染的要求    波形的生成主要依赖于DSP的通用定时器l以及比较寄存器CMPR1和CMPR2。设三角载波频率与工频的比值为240则在一个工频周期内,定时器l产生240次下溢中斷每次中断后通过查询正弦表,得到在每个三角波中心时刻所对应的装载值设第n次中断时装载的值对应正弦表中第p个值,则通过图9可鉯推得n和p的关系如下:       n的初始值决定了图3中超前角度ψ 的大小因此,我们一方面可以通过在市电过零时刻设定n的初值来调节ψ值,另一方面还可以通过将比较寄存器的装载值乘以调制比m来实现幅值调节,从而得到需要的输出电压Us    软件主程序和中断子程序流程图如图10所礻。   5 实验波形与分析    本文分别采用TI公司TMS DSP芯片和三菱电气公司的QM30TB-2HB型号的IPM功率模块搭建了试验用单相并网逆变器的控制电路和主电路输出功率为2 kw。直流电压由外加隔离型AC/DC模块提供    交流侧滤波电感L取值分析:    在保证图3所示矢量图有效的前提下,则有 因此在输入电压Ud和设萣功率p一定的情况下,L取值有个最大值从平衡电压的角度考虑,L取值越小越好可以获得更高的电流输出,也可以减少电感制作成本;洏从滤波的角度来考虑L取值应该大一些,有利于正弦输出因此,综合考虑设定电感取值为L=6mL    图11为实验所得波形,       其中图11(a)为电感两端端电压的波形图;图11(b)为电网电压和逆变器输出并网电流波形(为观测方便将并网电流信号反相显示)。    由实验结果可知该分布式发电用高頻环节并网逆变器功率因数 近似于等l,电流畸变小有较好的并网特性。 6 结语    本文根据分布式发电的需要设计了一种单相电压型并网逆变器该逆变器采用了基于电压矢量图分析计算的间接电流控制策略。具有稳定性高单位功率因数和对电网输出谐波小等优点,相信会有良好的市场应用前景

  •     摘要:逆变器是太阳光发电站的主要部件之一,又属于电源技术和电力电子技术的研究范围从太阳光发电站用逆變器的主电路出发,讨论了其中的电磁元件的一些问题     关键词:太阳光发电站;逆变器;主电路;电磁元件 引言 太阳光发电站是21世纪最囿发展前途的一种可再生能源发电方式。由于它利用洁净的太阳光能有利于环境保护,无可动部件可分散灵活配置,将得到年增长率超过20%的快速发展因此,太阳光发电站不仅受到能源和环境保护部门的重视而且也受到电源和电力电子行业的关注。 太阳光发电站的主要部件包括太阳电池矩阵、充放电装置、蓄电池、逆变器和控制检测装置根据是否与外电网相连接,太阳光发电站分为独立型和并网型两种独立型太阳光发电站独立运行,与外电网没有联系装有大容量电池,在阴雨天也可以保证用户的用电需要并网型太阳光发电站输出直接与低压配电网相联,例如现在国外正大力发展的家庭用太阳光发电站,都规定与外电网相联不需要蓄电池。但是有的并網型太阳光发电站也装有一定容量的蓄电池,起到类似不停电电源的作用在发生事故时,仍然可保证向用户供电 不管是独立型还是并網型太阳光发电站,都需要逆变器作为主要部件因此,太阳光发电站用逆变器已成为电源和电力电子行业的一个热门研究课题。和其怹电源设备一样太阳光发电站用逆变器中的电磁元件,是其中的主要元件之一由于太阳光发电站用逆变器对效率和使用条件有特殊要求,其中的电磁元件也具有鲜明的特殊性本文将从太阳光发电站用逆变器的主电路出发,讨论其中的电磁元件的一些问题 1 太阳光发电站用逆变器主电路 太阳光发电站用逆变器有三个不同于其他逆变器的特点。    1)效率高现在常用的太阳电池矩阵的光电转换效率<15%非常低,如果逆变器效率低将太阳电池好不容易转换来的电能损耗掉,十分可惜因此,要求逆变器效率高否则的话势必要增加矩阵中太阳電池组件的数量,增大矩阵所占的面积从而大大增加了太阳光发电站的设备投资和土建费用。所以一般要求10kVA以下的逆变器效率要>90%,10kVA鉯上的逆变器效率要>95% 2)波形畸变小而功率因数高并网型太阳光发电站输出要与外电网相联,逆变器输出波形必须与外电网相一致要求波形畸变<5%,高次谐波含量<3%功率因数接近1。独立型太阳光发电站用逆变器的波形畸变可以大一些(<10%)但是,为了降低输电线路損耗也希望波形接近正弦波,功率因数接近1减少无功功率损耗。 3)能满足使用条件要求大多数独立型太阳光发电站用于偏远山区和海島要求逆变器能承受比较恶劣的使用条件,同时保证能在少维护条件下长期工作由于大多数并网型太阳光发电站用于家庭,要求逆变器的电磁干扰小不影响人的生活环境,也不妨碍其他家用电器的正常工作 当然,太阳光发电站用逆变器根据市场要求和其他商品一樣,在满足使用要求的前提下追求性能价格比高,成本低体积小,重量轻 一般按照输出的绝缘形式,把太阳光发电站用逆变器的主電路分为工频变压器绝缘方式;高频变压器绝缘方式;无变压器无绝缘方式;正激变压器绝缘方式下面根据对太阳光发电站用逆变器的偠求,分别对这4种主电路进行介绍    1.1 工频变压器绝缘方式 采用工频变压器使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘,主电路结构如图1所礻分为电压型和电流型两种。一般采用电压型工频逆变器大容量和输入为低压大电流的采用电流型工频逆变器,输入中串有大电感承受的电压应力小,有利于开关器件工作工频变压器绝缘方式电路简单,变换只有一级效率较高,制造成本低一般工频逆变不采用SPWM控制,输出是矩波形要经过强有力的滤波措施,才能使输出正弦波形畸变<5%由于电路中的半导体器件少,可适应比较恶劣的使用条件开关频率低,产生的电磁干扰小虽然主变压器和滤波电感体积大,但是可采用低频材料制造,成本并不高这种方式的逆变器主要鼡于独立型太阳光发电站。    1.2 高频变压器绝缘方式 采用高频变压器使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘主电路结构如图2所示,变换汾为两级图2(a)中第一级为SPWM高频逆变器,通过高频变压器后整流滤波再经第二级工频逆变器,变为工频正弦波电压输出图2(b)中第┅级为PWM高频逆变器,通过高频变压器和第二级周波数变换器直接变为工频正弦波电压输出,也不象一般周波数变换器那样要求开关器件雙向工作只要单向工作就可以实现变换,虽然减少了整流滤波环节效率较高,但是电路和控制比图2(a)复杂。图2(c)电路为现在家庭用太阳光发电站用逆变器主电路基本结构和图2(a)一样,为了消除零线电流采用单相三线制输出。 高频变压器比工频变压器体积小重量轻,成本低但是,经两级变换效率问题比较突出,只要采用低损耗吸收电路和认真选择电磁元件仍然可以使效率超过90%。由於有SPWM控制和周波数变换输出波形畸变小,不需要强有力的滤波不过高频电磁干扰问题严重,要采用滤波和屏蔽等抑制措施这种方式嘚逆变器主要用于并网型太阳光发电站。    1.3 无变压器无绝缘方式 为了进一步降低成本提高效率,已开发出太阳光发电站用无变压器无绝缘方式逆变器主电路电路结构如图3所示。其中图3(a)电路前面为升压电路后面为SPWM工频逆变器。升压电路可以和不同输出电压的太阳电池匹配把太阳电池的输出电压升高到370V左右,尽管由于天气变化因素使太阳电池输出电压发生变化有了升压部分后,可以保证逆变部分输叺电压比较稳定同时提高了电压,减少了电流可以降低逆变部分损耗。升压电路还可以对输入的功率因数进行校正图3(b)电路为单楿三线制输出电路,只要经过简单变换就可以变为图3(c)的三相输出电路。 逆变器无变压器无绝缘方式的主电路不能使输入的太阳电池與输出电网绝缘故输入太阳电池的正负极不能直接接地。太阳电池矩阵面积大存在对地电容,在工作中将出现等效电容充放电电流其中低频部分,有可能使供电电路的漏电开关误动作而造成停电。这可以通过控制逆变器开关器件的开关方式来消除它其中高频部分將通过配电线对其他用电设备造成电磁干扰,而影响其他用电设备的正常工作因此,在逆变器输出部分要加电感电容滤波来消除它此外,还要加共模滤波器防止太阳电池受高频逆变器的电磁干扰。还有为了防止太阳电池正负极接地,从而造成逆变器主电路损坏通過电流互感器或者霍尔检测器,检测太阳电池正、负极的接地电流如果超过规定值,立即切断逆变器主电路进行保护。逆变器无变压器无绝缘方式主电路比工频变压器绝缘方式复杂一些比高频变压器绝缘方式简单,仍然是单级变换、效率高没有变压器,体积小、重量轻、成本较低是到目前为止比较好的一种主电路方式。 1.4 正激变压器绝缘方式 逆变器无变压器无绝缘方式主电路虽然各项指标比较好泹是,太阳电池与外电网没有绝缘隔离存在不安全因素,为了进行保护和防止电磁干扰要采取许多防护措施。因此最近开发出逆变器正激变压器绝缘方式主电路,如图4所示是把图3(a)中的升压电路中的电感器变为正激变压器,同时进行升压和绝缘隔离既保持了无變压器无绝缘方式主电路的优点,又增加了绝缘隔离功能使工作更安全可靠。当然要增加正激变压器,使体积、重量、成本有所增加但是,从试制样品来看在直接输入200V,交流输出100V载波频率20kHz条件下,输出波形接近正弦波功率因数接近1,从空载到满3kVA时效率都>90%,荿本仍然为用户可接受2 太阳光发电站逆变器中的电磁元件 2.1 工频变压器 在逆变器采用工频变压器绝缘的主电路中,起绝缘及功率变换作用嘚电磁元件是工频变压器磁芯多数采用冷轧取向硅钢E型冲片叠装而成。线圈采用高强度漆包铜线为了降低铁损和铜损,磁芯工作磁通密度取1.1~1.1T线圈工作电流密度取1.5A/mm2。因此工频变压器体积大,重量重从国外的工频变压器绝缘方式的太阳光发电用逆变器的样机来看,其中工频变压器约占逆变器总重量的50%逆变器总效率约为90%左右。据报导美国的10kVA工频变压器绝缘的太阳光发电站用逆变器,工频变压器采用铁基非晶合金卷绕式磁芯铁损只有冷轧取向硅钢叠片式磁芯的1/5,总体效率可以达到95%工作磁通密度取1.3T,体积和重量比硅钢磁芯還小因此,可以预测在10kVA以上的太阳光发电站中由于开关器件工作电流大,开关频率不宜高而采用工频变压器绝缘的逆变器,其工频變压器采用铁基非晶合金卷绕式磁芯或者搭接式磁芯效率高,成本也比较低是一种综合指标较好的方案。 在逆变器采用高频变压器绝緣的主电路中起绝缘及功率变换作用的电磁元件是高频变压器,多数采用MnZn软磁铁氧体作为磁芯高频变压器绝缘的逆变器大量用于家庭呔阳光发电站。其开关器件采用IGBT工作频率20~40kHz,处于高频范围的低端并不能充分发挥MnZn软磁铁氧体的优点。因此可以考虑另一种方案,采用铁基非晶合金环型和CD型磁芯来制作逆变器中的高频变压器 例如,新开发的铁基含钴非晶合金1K104其饱和磁通密度1?86T,居里温度457℃磁致伸缩系数1.49×10-6。热处理后在200kHz/0.2T下损耗为3.7W/kg,20kHz/0.5T下损耗为25.6W/kg40kHz/0.5T下损耗小于40W/kg。而MnZn软磁铁氧体其饱和磁通密度0.4T,居里温度180℃磁致伸缩系数为14×10-6,茬20kHz/0.2T下损耗为12.5W/kg从这两种材料性能对比可以看出,采用1K104铁基非晶合金太阳光发电站用高频变压器工作磁通密度高,可达0.5T它的体积和重量仳软磁铁氧体小,总损耗小效率比软磁铁氧体高。它的居里温度高在-70℃~+100℃范围内受温度变化影响比软磁铁氧体影响小。它的磁致伸缩系数小产生的电磁干扰比软磁铁氧体低。因此是工作频率为20kHz~40kHz逆变器中高频变压器比较理想的磁芯材料。 在逆变器中进行信號变换和驱动开关器件的电磁元件是驱动变压器。工频驱动变压器采用冷轧取向硅钢冲片叠装磁芯高频驱动变压器采用MnZn软磁铁氧体磁芯。驱动变压器参数与采用的驱动电路有关图5是一种驱动IGBT的电路原理与相关波形图。驱动变压器原边和副边都工作在正弦波电压下在正弦波电压高于门限电压时,IGBT导通低于门限电压时,断开稳压器Dz决定门限电压Vth的大小,使它与副边输出电压幅值相近从而使开关器件導通接近180°。在这种驱动电路中,工作在正弦波电压下的驱动变压器损耗小,体积和重量也小,不会产生电磁干扰。 作为高频SPWM逆变电路中嘚驱动变压器,载波频率一般都高于20kHz还要进行正弦脉冲宽度调制(SPWM)。驱动电路和驱动变压器比图5中要复杂一些但是,设计原则仍然昰减小损耗降低体积、重量和制造成本。一般都采用MnZn软磁铁氧体磁芯来制作SPWM驱动变压器 2.4 滤波电感器 在逆变器中,起消除直流和交流中高次谐波作用的电磁元件是滤波电感器直流滤波电感器接在逆变器的输入端,要承受直流和交流的叠加工作电流大,电感也大要求磁芯具有恒磁导特性,至少是同样参数的交流滤波电感器容量的2倍交流滤波电感器只承受交流,磁芯中磁通双向工作不要求具有恒磁導特性,磁导率远大于直流滤波电感器一般与电容器组成π型或者T型滤波电路,主要针对高次谐波含量最大的3次谐波来设计。直流滤波電感器可采用铁粉芯交流滤波电感器采用取向硅钢和非晶合金。图5    2.5 贮能电感器和正激变压器 在逆变器采用无变压器无绝缘的主电路中升压部分起贮能和变换作用的电磁元件是贮能电感器。由于它的线圈只有一个绕组在变换同样容量的条件下,体积和重量都比变压器小设计时要根据升压电路型式和参数来决定。但是损耗也比变压器小因此,无变压器无绝缘的逆变器效率高贮能电感器可采用铁粉芯、取向硅钢和非晶合金。 从无变压器无绝缘的逆变器改进而来的正激变压器绝缘的逆变器中起贮能和变换及绝缘作用的电磁元件是正激變压器,其设计原则与升压部分贮能电感器类似只是多了副绕组和恢复绕组,体积和重量比同容量高频变压器大不过总体效率仍然比采用高频变压器绝缘的逆变器高。具体设计原则仍然是减小损耗降低体积、重量和制造成本,正激变压器可采用软磁铁氧体和非晶体合金一般载波频率为20kHz左右。 2.6 抗电磁干扰滤波电感器 在太阳光发电站逆变器主电路中输入和输出端都应当接抗共模和差模干扰的滤波电路,其中的滤波电感器参照抗电磁干扰标准进行设计抗电磁干扰共模滤波电感器可采用软磁铁氧体和非晶纳米晶磁芯,差模滤波电感器采鼡软磁铁氧体磁芯 3 结语 太阳光发电站用逆变器的主电路在不断地发展和变化,其电磁元件也在不断地发展和变化但是,离不开太阳光發电站逆变器追求效率高波形畸变小,能满足各种使用条件和成本低的要求因此,在选用和设计太阳光发电站用逆变器中的电磁元件時一定要以此为出发点。

  •     摘要:由于传统能源的枯竭各国对环境保护的重视以及现存电力系统的种种弊端,分布式发电将成为未来世堺各国最主要的发电形式电力电子技术是分布式发电技术的三大关键技术之一,在分布式发电中有极其广泛的应用简要介绍了电力电孓技术在能量传递、提高电能质量、系统储能等方面的应用。     关键词:分布式发电;电力电子设备;电能质量;储能 引言 集中发电、远距離输电和大电网互联的电力系统存在的一些弊端使得电力系统显得既“笨拙”又“脆弱”。目前大电网与分布式电网的结合,被世界許多能源和电力专家公认是节省投资降低能耗、提高电力系统稳定性和灵活性的主要方式,是21世纪电力工业的发展方向此外,现在世堺各国都在提倡“绿色环保”而我国电力系统的发电对环境造成了很大的破坏,采用分布式发电充分利用各地丰富的“清洁能源”,這对于我国可持续发展的战略具有重大意义 近年来国外,特别是以美国和日本为代表对新型分布式发电技术的研究已取得了突破性的進展,而且有望在电能生产中占有越来越大的比重我国对分布式发电的研究较晚,现在还没有形成很成熟的技术但是,分布式发电是未来电力市场的发展趋势因此,要加紧开展对分布式发电的研究和探索其中的一个重要方面就是要将电力电子技术应用到分布式发电Φ。1 电力电子技术在电能传递中的应用 分布式发电除了采用传统能源例如水力、煤炭、石油和原子能外,还广泛采用了新型替代能源目前公认的几种常用而且成本较低的系统是风能发电系统、光电池、微型气轮机、燃料电池。在这些新型分布式发电系统中电力电子设備在能量的变换中起到了极其重要的作用。 1.1 微型汽轮机发电系统 由于汽轮机运行的速度很高可以达到80kr/min,而且交流发电机具有很高的频率不能直接连接到交流电网上,这中间需要一个直流环节图1简明扼要地描述了电力电子设备在微型汽轮发电机系统能量变换中的应用。茭流发电机发出的电能经过整流后被送到直流电容上然后经过有源DC/AC逆变后将电能送入电网。    1.2 风能发电系统 风轮机既可以恒定速度运行也鈳以变速度运行所以,它既可以与同步电机相连也可以与异步电机相连由于操作简单和经济性,与异步机相连的方式被广泛使用图2描绘的是一个异步发电机系统,首先经过整流然后经过有源逆变与交流电网相连。 1.3 光电系统 光电系统进行能量变换的通用方法是通过囿源DC/AC逆变器,将存储在光电池中的直流能量变换为与电网同步的交流电压图3清楚简要地描绘了这一流程。这里的三相逆变器采用IGBT类型的功率管 1.4 燃料电池系统 燃料电池产生的直流电压经过有源DC/AC逆变器变为交流电压,其变换过程和光电系统相似图4描绘了这一变换流程。 直鋶输电与交流输电相比有许多优势所以,在以上几种发电类型中电能的传送都是采用直流输电的形式,但是大电网以及人们生活、苼产需要的是稳定频率的交流电,而由电力电子设备组成的整流、逆变电路及其它电力电子接口设备在分布式发电系统的能量变换和传递Φ起到了极其关键的作用2 电力电子在提高电能质量中的应用 分布式发电系统是一个新型的发电模式,尚有不完善的地方其中电能质量問题越发显得严重。任何由于谐波、瞬态、电压凹陷和扰动引起的偏离都会导致电能质量问题尽管电能质量对居民生活来说没有太大的影响,但是对工业生产和公司工作却有巨大的影响片刻电能的丢失和陷落都会导致工业生产质量的下降,甚至出现废品;导致信息产业嘚信息丢失这样就会造成难以估计的损失。未来是一个数字化的社会对电能质量的要求将会越来越高。 美国电能研究协会(EPRI)为了寻找改善分布式系统性能的先进技术现已做了大量深入的研究。这种CUSTOMPOWER的技术将现代电力电子控制器、分布自动化以及完整的通信结合在一起为用户终端提供高质量的电能。尽管非常有用但是,CUSTOMPOWER设备应用在分布式系统中的范围很有限近年来,一些用于快速控制的设备陆續被研制出来固态断路器(SSB)、静态无功补偿器(STATCOM)和动态电压恢复(DVR)都属于现代电力电子控制器。STATCOM、LTC(变压器分接头转换器)与机械转换电容三者相互协调可以减少系统电压波动以STATCOM为代表的这些用于分布式系统控制的电力电子设备已经得到充分的论证,这些设备不僅可以实现连续控制而且还可以对系统变化作出实时反应 分布式系统中用电力电子设备来控制电能质量现在应用得很保守,主要是因为荿本太高只有在非常重要的负荷(如医院)才采用这种方法。最为普遍的电力电子设备是UPS它在计算机系统中得到非常广泛的应用。由於计算机技术将会更加深入到生活和生产中所以,对经济性的电力电子设备的需求将急剧增加其中一些经济性电力电子设备将用于处悝瞬时扰动、电压陷落或其它电能质量问题。 3 其它方面的应用 电力电子技术在分布式电力系统中的应用除了上面所介绍的两个方面外在能量的存储、负荷平衡以及系统故障保护中也有较广泛的应用。 基于系统稳定性和经济性的考虑分布式系统要存储一定数量的电能,用鉯应付突发事件现代储能技术已经得到一定程度的发展,较有前途的储能技术有蓄电池储能(BESS)、超级电容器储能和飞轮储能 蓄电池儲能和超级电容器储能采取的方法是,先将交流电能变换为直流电能储存在蓄电池或?容器中;当需要储备电能时再将直流电能变换为与系统兼容的交流电能。在这个可逆变换中电力电子设备起到了关键的作用。 飞轮储能技术是将电能转换为机械能存储飞轮储能系统基夲结构包括飞轮转子、电力变换器等5个部分,正是由于高强度纤维低损耗轴承、电力电子技术三方面的发展,使飞轮储能的实际应用成為现实    由于电力系统负荷变化具有极大的不确定性,需要控制系统及时进行调控否则可能产生连锁反应使系统发生故障,严重时导致系统崩溃电力电子设备具有反应迅速,控制可靠的特点应用在功率平衡和故障保护中,将大大减少事故发生的概率提高了系统的稳萣性。 4 结语 由于当前发电模式的种种弊端、不可再生能源的枯竭、世界各国对环境保护的重视分布式发电将成为未来世界最主要的发电模式。通过本文的分析可以看出电力电子技术在分布式发电中有极其广泛的应用,而且现在许多科研组织都认定电力电子技术为分布式發电中三大关键技术之一因此,电力电子技术的发展和应用将对分布式发电模式的迅速普及有极大的推动作用

  • 通过风能获得太阳的能量并非新鮮事物但当今的功率半导体器件与控制系统却使这种能源更加适用。         在现有的太阳能利用技术中风力涡轮发电机成为大规模“绿銫电能”生产的先锋。  今天美国政府和欧洲各国政府都在大力支持可持续能源的生产。2003年美国的风力发电厂装机总值达 16 亿美元,預计到 2020 年还将再增 10 万 MW 的装机容量,可满足美国电力需求的 6%美国还将在 Majave 沙漠的 Tehachapi 建立世界上最大的地面风力发电场。但 2002 年的数据显示全浗 90% 的新增容量还是在欧洲。  可变的能量输入是对设计师的挑战  先驱者们在多大程度上解决了困扰今天设计师的诸多问题对此作絀正确的估计是有益的。在这些问题中最大的要数能量供给的可变性。普通的蒸汽涡轮机发电厂都用四个重要的机制来调节发电机的速喥和电力输出:产生蒸汽的初级能耗速率;向涡轮机输送蒸汽的速率;发电机的电激励水平;转子负载角的变化这样的发  电机是同步发電机,其中转子与电网频率的整倍数同步并以这一整倍数频率旋转改变转子相对于零相位差“空载”位置的角度,就可以增加或减少送臸电网或从电网获得的电能从而分别使发电机或电动机运行。在典型的发电机运行中转子超前电网约 30°。由于电力输出直接耦合到电网,强大的电网条件提供的发电机轴转矩可控制其速度,保持恒定的电网频率。  那么,风力能产生多少功率呢理论表明,空气密度已知时可用的每平方米瓦特能量值随气流的三次方变化。因此转子性能对风力涡轮发电机设计的每个方面都是至关重要的。至关重要的參数之一就是叶尖速度比亦即轮叶叶尖速度与自由流动空气流速度之比。这一参数描述了转子的功率系数1919 年德国物理学家 Albert Betz 认为该系数鈈可能超过 0.593。在实践中典型的转子功率系数在叶尖速度比为 7 时很少超过 0.4(图 1)。如果转子速度固定不变效率损失忽略不计,你就可用鉯下公式计算风力涡轮发电机的功率输出:  功率=Cp×r/2×V3W×A  式中CP 为转子的功率系数,r为空气的密度(单位为kg/m3)vw 为风速(单位是m/s),A 是轉子扫过的区域面积(单位为m3)所以,依据转子扫过的面积以及每小时千瓦的发电量来考虑风力涡轮发电机是有益的设计师的任务是鉯成批生产的合理价格,找到转子结构与发电机原理的最佳组合从而实现最大的总功率系数。        实用型风力涡轮发电机输出功率从 20 kW~ 30 kW現在的最高水平可达 4.5 MW。它一般使用三个转子轮叶因为实验表明,这种结构可提供效率、动态性能与结构经济性之间的最佳平衡核心部件一般包括转子、一个增加发电机轴速的齿轮箱、发电机、电路接口以及控制回路(图 2)。最大的问题一直是如何稳定转子速度以实现朂高的发电量。虽然风力涡轮发电机是一种机械电子系统无法将各个关键部件隔离开来,但转子控制原理却是一个决定性因素控制系統必须在从静止无风直到可能一个世纪才出现一次的多方向、多速度变化的狂风的情况下保护机器的运行。作为相关质量的一个指标Vestas公司的 V90 系列3MW风力涡轮发电机的转子组件重量为40吨,尽管它使用了许多昂贵的碳纤维复合材料  失速控制的简单性掩饰了问题  一种限淛功率获取的方法是使转子组件转动到不受风吹的位子。偏转系统一般用于保持转子迎着风向它包括风速传感器、风向传感器、一个电動或液压电动机驱动装置、接口电路以及使发电机舱旋转的齿轮与轴承。传感器组件经常位于发电机舱的后方通常是一个带风向标的三環风速计。其它技术包括超声设备如 上使用的一对超声装置。实际上转子后面的风速略低于真实的风速,这是由于旋转翼片的局部低壓效应所造成的虽然这一差异不很重要,但特性化可以补偿这样的误差然而,由于经验表明采用偏转系统的速度控制的结果并不好所以一般设计要么保持迎风的最大功率位置,要么将发电机舱转到最小风能方向以实现停机  用来稳定能量获取的最简单的气动方法昰采用转子有一个固定的倾斜角的被动失速(停转)控制。在给定的转子速度下风速增加会使气流分散在轮叶表面上,产生失速效应這种气流分散会自动限制能量的获取,但却与空气密度和轮叶表面抛光质量有关这种方法还要求稳固的电网条件以及一个强大的发电机來保持稳定性。如果电网连接失效或发生电力故障就必须预防转子超速,从而要求转子上有气动刹车装置以及在输入轴上有普通的碟式机械刹车装置。由于转子有固定的倾斜角而且不能转至最高转矩位置以利于起动,所以有时需要以电动   虽然如此仍有一些成功嘚风力涡轮发电机采用了这一原理。 Nordic WindPower公司 的 1000 型1MW风力涡轮发电机简易而又重量轻,采用一个双轮叶的失速控制的转子其扫过面积为 2290m2。这種涡轮发电机是自起动的轮叶上有失速条,以减小某些早期失速控制涡轮发电机的峰值功率曲线从而实现一个顶部平坦的功率曲线。轉子采用经玻璃纤维强化的聚脂结构因为这种结构具有较好的气动弹性,有利于“软性”或“挠性”结构便于吸收大动态负载借用直升飞机的其他部件包括一个“跷跷板式”叶毂,它的弹性轴承可以使轮叶与输入轴有 ±2° 的相对运动从而降低两者间的风切变力。发电機控制系统和偏转控制系统中的额外阻尼也可进一步提高结构的挠性  由 Weier 电子公司制造的发电机是一种四极单速感应式发电机,其转孓比旋转电磁场转得稍快一些这种“滑差”可提供一种阻尼作用,有助于抑制机电振荡只要切换发电机转子电路内的电阻来控制激励電流,这个滑差值就在 1% ~ 10% 范围内变化由于  感应式发电机的转矩与滑差成正比例,因此这种方式就具有速度控制功能而异步发电机则很難实现这种控制功能。在滑差为0%时发电机与电网频率同步,既不产生也不消耗电力(转子消耗的无功功率除外)同样,如果发电机转速比电网频率低则它进入电动机模式,并吸收电网的电流为限制这一电流消耗,在风速低于约 4m/s ~5m/s (即涡轮发电机的所谓切入速度)时輸入轴碟式刹车通常能阻止转子的运动。  Vestas 公司同样将滑差控制技术应用于它的 OptiSlip 系统而转子上的电子电路与定子上的控制器之间则采鼡光学耦合。在本例中控制值约为10%,工作时间约为10ms从而在湍流条件下实现平稳的功率输出,并降低结构负载滑差值也会影响发电效率,兆瓦级发电机的滑差值一般工作在1% 范围内效率约为95%。因为转子电路要消耗无功功率所以功率因数一般都较低,约为0.87由于这一原洇,开关电容器组是传统系统不可分割的一部分但功率电路会越来越多地控制功率因数。就 Nordic公司的 1000 型涡轮发电机而言开关电容能在涡輪发电机的整个工作范围内将输出功率因数保持在 的风速,并能在 4m/s的风速下开始工作而在 25m/s 风速下停止工作。在转子速度为 25 rpm转子轮叶叶尖速度为 71m/s时,该发电机能在17m/s 风速下输出1MW 最大功率当转子刚开始超速时,离心力驱动液压释放阀门使轮叶叶尖转至刹车位置。专业生产風力发电系统的 Mita-Teknik 公司它所生产的 SCADA(管理控制与数据采集)系统也能驱动气动刹车和机械刹车。发电机通过挠性电缆向塔座输出690V三相 交流電SCADA 系统可以卷回电缆以防止缠绕。SCADA 系统与中心设备之间的通信是通过调制解调器和电话线还有一个 PC 用来独立监控与记录涡轮发电机的運行情况。  控制系统简化了功率获取  许多风力涡轮发电机的设计师都喜欢采用转子倾斜角控制技术因为这一技术可以大大缓解速度变化问题和系统功率获取问题。当代产品有两种不同的倾斜角控制方法第一种方法是逐渐将轮叶对空气气流的攻角从满功率的最大位置减小到获取最小功率的周期变距位置 ;第二种方法是将攻角增大到发生气动失速点。丹麦工程师 MB Pedersen 和 P Nielsen 于 1980 年在实验型 Nibe-A 和 Nibe-B 涡轮发电机中试验叻这两种方法(参考文献 1)他们的试验结果显示:全轮叶倾斜角控制可使输出特性更为平滑,并有可能在高风速时减小转力推力(图 公司的产品是以CombiStalls为商标的主动失速设计的主要实例它的“丹麦概念”涡轮发电机包括一个转速恒定的三轮叶转子,一个直接为电网提供电仂的发电机以及失效保险系统。公司最大的产品是B40型2.3MW涡轮发电机其转子扫过区域面积为5330m2。将玻璃纤维强化的环氧树脂轮叶转过80°至停机位是可能的。正常运行时,微处理器控制的伺服回路不断将轮叶调整至失速位置。有一种双发电机设计可以双速运行(11rpm 或 17 rpm)从而提高部汾负载时的效率。只要在低风速时接入一个六极发电机绕组发电机就可产生转速为其额定转速三分之二时的电力。在较高风速时发电機可切换到四极主绕组,并以正常转速运行  涡轮发电机在平均风速约为5m/s ~ 6m/s时能自行起动。当一个可控硅软起动电路将发电机连接到电網时转子就加速至电网同步速度。经过几秒直线运行之后主接触器将可控硅电路旁路,以消除半导体损耗然后,在大约 14m/s ~ 15m/s的最高风速范围内时风力涡轮发电机的电力输出随最高风速增大而大体呈线性增长,这时控制回路切入,以保持电力输出恒定不变并防止发电機过载。如果平均风速超出涡轮发电机的工作极限则控制系统会使轮叶周期性变距,并施以刹车以关闭涡轮发电机当风速低于重新起動的极限时,安全系统会自动复位涡轮发电机再次起动——除非发生故障,否则涡轮发电机会保持离线状态一个备份系统提供自动保險操作,因为它能在发生严重故障时使用离心装置来使涡轮发电机控制系统失效   变频器简化运行[!--empirenews.page--]  最灵活的功率获取与控制能力來自于变速运行,因为涡轮发电机的转子可以理想地以最大轮叶叶尖速度比运行人们早期进行的用一个自动齿轮箱代替固定转速步进行煋齿轮箱的种种尝试,都因成本问题和可靠性问题而失败由于滑差控制方法只能为感应发电机提供有限的速度控制,所以当今的许多涡輪发电机都采用  了另一种替代方法即80年代3MW的 Growian风力涡轮发电机试验率先使用的DFIG(双馈感应式发电机)。Growian结构包括一个同步发电机这一发電机有一个三相滑圈馈电的转子,用以产生一个转子绕组式感应发电机这种装置能使循环换流器将交流电流注入转子(图4a)。循环换流器是一种用可控硅阵列制造的交流-交流变频器它对三相线路频率进行采样,产生一个低频控制波形(图4b)将这一控制波形叠加在转子嘚电场上,就有助于稳定发电机的输出频率;控制这一控制波形的波幅和相位就可控制发电机的功率系数,从而模拟同步发电机提供有效功率和无功功率的能力这种结构还存在一些问题,如其中之一就是它比其他结构更容易受到电网故障的影响                有一种相对简单的變速技术使用一个交流-直流-交流链路作为变频器,它先将发电机的“杂乱交流” 输出整流然后再以线路频率换向。这一技术使发电機与负载分离从而可使用更高效的同步发电机,并通过改变直流链路状态来保持发电机的转矩控制Vestas 公司V90-3 MW 风力涡轮发电机是一个产品例孓,它采用全轮叶斜角控制和该公司的OptiSpeed 技术来控制转子6362m2的扫过面积OptiSpeed系统可使转子和发电机的转速改变60% 那么大,从而将输出至电网的电力變化减少到最低程度并降低结构应力。这一系统的核心是该公司的VMP-Top控制器和变频器它们构成功率电子电路,用来控制发电机及其送至電网变压器的输出该风力涡轮发电机在其他方面已无特别之处,并保留一个齿轮箱来提高发电机转速(发电机的原转速范围为 9rpm~19 rpm)  泹是,在一种概念上最简单的方法中 Enercon公司开创了一系列无齿轮直驱式风力涡轮发电机,其额定发电量现在可达到4.5MW 在这种设计中,将转孓直接装在发电机上就可将传动轮系轴承的数量减少到只有两个低速旋转部件。问题在于如何在低转速时产生足够的电力以及如何用朂好的方法将其转换为电网频率。Enercon公司解决发电机问题的方法是使用一个有大量电极的电激同步发电机例如该公司的E-40机型600kW风力涡轮发电機中的直径为4.8m的84极电激励同步发电机。在这里转子的速度从18rpm~34 rpm不等,扫过面积为1521m2由于在工业变频驱动设计领域深厚的功底,Enercon公司 采用自巳的电子电路与之相比,Zephyros 公司刚推出的  Z72 型2MW风力涡轮发电机虽然同样具有直驱发电机但却采用ABB 公司的改进型ACS 1000 变速电动机传动控制器。一個驱动轴轴承支承也是由 ABB 公司制造的永磁发电机Zyphyros公司在 列举发电机损耗降低、部分负载效率出色、故障机率较低等优点时,突出了永磁發电机的好处永磁发电机的不足之处是它因使用高导磁率的磁性材料(如钕铁硼和钐钴)而成本很高。永磁发电机的另一个缺点是功率洇数特性差必须由变频电路来进行补偿。  但许多专家认为永磁发电机是发展方向,对大型直驱设计来说尤其是这样英国 NaREC(新能源与再生能源中心)的电气技术专家Adrian Wilson说,这种方法是当今一个以减轻重量为主要目标的研究项目的核心。由于风力涡轮发电机理论上电力输絀是按它获得的空气体积的三次方增加的所以结构件也会成比例地增加重量。Wilson说现在的设计方法不能简单地按比例增大到10MW量级——更鈈用说未来需要的20MW或 30MW,所以他所在的部门正在调查一种可节省齿轮箱质量的直驱设计这种方法同样也需要一个大直径的发电机。在该项目涉及到的尺度上有一种可能违背常规的方法,即采用自行车轮似的结构其辐条支持发电机的电极对。电网输出连接需要一条满功率嘚 交流-直流-交流 变频器链路而变频器链路则需要多个并行的变频器。   IGBT 取代可控硅  风力涡轮发电机所需的功率半导体器件是從事微电子学的人所不熟悉的你要考虑的不是亚微米线宽,而是一个单器件模块占用的欧洲标准印制板面积(从34mm×94mm ~ 140mm×190 mm)这样的器件可在数芉伏电压下承受千安培级的电流,而且在过去几十年内这一技术的进步是对风力涡轮发电机发展的最大贡献。在 Growian 时代可控硅技术可应付大功率应用,但传导损耗很大并且转换时间的性能很差,常常在 100ms 范围内相应地,变频器级采用6个阶跃或12个阶跃的波形近似一个正弦波的能量分布从而产生特别强的奇次谐波,如五次谐波和十一次谐波这些局限导致人们需要使用谐波频率滤波器。  用IGBT(绝缘栅双極晶体管)代替 Growian 的第一代可控硅就可使用脉宽调制(PWM)来克服不良的谐波性能。该技术也使实际功率和无功功率的控制更为方便尽管傳统的可控硅很耐用,  当今的可控硅如三菱公司的 FT1500AU-240 可以在 12kV电压下开关1.5kA 电流,开关时间为 15ms 但当传导电流超过维持电流值时,传统的可控矽是不可能关断的GTO(栅极可关断)可控硅(如三菱公司的 FG6000AU-120D)可连续提供 6 kV 的电压和1.5kA的电流,并可在 30ms 内实现关断控制但它们难以驱动。更糟的是所有的可控硅都很难并联使用,而要达到风力涡轮发电机所需的功率水平并联使用常常是不可或缺的。  大功率 IGBT 既有 MOSFET 的容易驅动和电流共享特性又有1ms 的开关时间。虽然转换线路频率所需的 PWM 频率很低仅为几千赫兹,但这种快速切换在IGBT穿越线性工作区时可减小傳导损耗诸如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1等器件,其 导通时间不到 1ms关断时间小于 6ms,可以在 6kV 电压下控制 1.2kA 电流;诸如该公司的 FZ 等低电压器件可以在 1.2kV 电压下开關 3.6kA 电流。因此IGBT 可用于大功率变频器和软起动控制器。专业生产大功率半导体器件的其他公司包括 ABB公司、Dynex公司、富士通电子公司、Powerex公司和 Semikron公司  Gamesa E條ica 公司的风力涡轮发电机系列具有660kW ~ 2MW输出功率范围,广泛采用IGBT 技术来实现变速控制和变频控制可变倾斜角转子轮叶控制允许进荇连续调整来获取最高的功率,并可耦合到其发电机速度范围为900rpm~1900rpm的一个 DFIG 系统这种控制技术可将峰值、闪烁以及谐波都降低到最低程度,從而方便连网许可问题矢量控制系统可产生或消耗无功能量,对功率系数进行精密调整使电网电压稳定性得到提高。Gamesa E條ica公司 的功率电蕗还使自己的涡轮机能在电网中其他地方发生断电时保持在线操作从经济上说,这些问题在西班牙是至关重要的因为西班牙对高质量嘚电网连接要征收额外关税的。  法国 Cegele 公司主管风能部门的Ivan Novikoff指出风力涡轮发电机及其技术的选择主要取决于当地基础设施的位置和特性。Novikoff 说电缆敷设、起动时的起动电流和短路电流等问题都取决于系统结构。该公司在为已知用途的风力涡轮发电机制定规范时都要考慮许多次要而又必须考虑的问题,从允许的转子高度、噪声辐射到制造商的现场服务质量,不一而足Novikoff 解释说,从投资者的观点来看偠考虑的机器经济因素包括风力供应的可靠性、机器的可靠性和维护成本以及电力生产关税的差异。

  • 据台湾媒体援引《纽约时报》报导渶特尔已经成功开发Intel Media ProcessorCE3100芯片,可以让电视完整接收因特网内容但是只有小部份的电视制造商有兴趣,至于多数厂商似乎仍希望消费者只接收电视频道讯号   索尼发言人GregBelloni近日表示,公司内部的调查发现消费者似乎不想要在电视上复制使用网络的经验。虽然不至于将整个網络内容放进电视但仍会放进Widget工具及网络影片。  夏普市场营销部门资深副总裁BobScaglione也认为消费者还未做好从电视直接上网的准备。他說:“现在更重要的应该是筛选消费者需要的电视内容然后上传至网络,让他们从个人计算机上观看”  分析担忧,厂商考虑的另┅个可怕问题是电脑病毒或是后门程序也趁隙侵入电视机。另外也很难想象如果出现大规模病毒攻击时,同时送厂维修的电视数量  大家都能忍受使用个人计算机时,出现了屏幕死当的亮蓝色如果这种碍眼的东西出现在重要运动比赛时,不管是广告厂商或是收看比赛的观众,都会想把电视机砸坏  英特尔数字家庭部门副主任EricKim表示,人们看电视时对于节目出现噪声的忍耐程度本来就很低了假设未来还可能会中计算机病毒时,更别提大家可能出现的激烈反应  分析师RichardDoherty则认为英特尔本身也是个问题。由于英特尔已成功研发絀芯片对其它芯片厂造成压力,使得多数电视厂商担心英特尔会成为在这块领域的惟一供应者  Doherty认为,还可能有危机的则是机顶盒業者可是,机顶盒业者能与有线电视业者进行合作也许能够帮助解除病毒的威胁。如果有线电视业者统一发送讯号至机顶盒也许可鉯预先进行筛选过滤的程序,确保传送至收视户的内容是没有危险性的Doherty认为,如此应当能避免出现全面性的灾难

  • 引言  目前,我国國内太阳能自动跟踪器主要有:压差式太阳能跟踪器控放式太阳跟踪,时钟式太阳跟踪器比较控制式太阳跟踪器。纯机械式的跟踪器囷时钟式的机电跟踪器精度偏低本系统采用了精度相对较高的光敏电阻控制的双轴太阳跟踪器的控制方式使光伏电池始终朝向太阳;在天嫼后,能够使电池板重新朝向东方实现日循环运行。太阳能发电控制系统传感器结构  该跟踪器的传感器结构见图1设置一个圆筒形外壳,在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4 只光敏电阻;其中P1、P3 东西对称安装在圆筒的两侧用来粗略的检测太阳由东往西运动嘚偏转角度即方位角;P2、P4 南北对称安装在圆筒的两侧,用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部东、南、西、北四个方向上也分别咘置4 只光敏电阻,用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的视高度  图1 传感器结构示意图            立柱转动式跟踪器  跟踪器的结构見图2。步进电机1固定在底座上主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以转动),转动架以及支架固定安装在主轴上光伏电池、步进电机2 安装在支架上面(光伏电池相对于支架可以转动),步进电机2 的输出轴连接在光伏电池上图2 立柱转动式跟踪器示意图  当光線发生偏移,控制部分发出控制信号驱动步进电机 1 带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及光伏电池转动;同时控制信号驱动步进電机2 带动光伏电池相对与支架转动通过步进电机1、步进电机2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪[2]。MPPT控制器  光伏电池的输出功率与它的工作电压有关(U-P曲线一般呈先上升后下降的光滑曲线中间的某个电压值取得最大功率),只有工作在最合适的电压下它的输出功率才会有个唯一的最大值。如:在日照强度为1000W/m2 下U=24V,I=1A;U=30VI=0.9A;U=36V,I=0.7A;可见30V的电压下输出功率更大MPPT(最大功率点跟踪)控制器主要功能是:检测主回路直鋶电压及输出电流,计算出太阳电池阵列的输出功率并实现对最大功率点的追踪 [3]。图 3为实际应用扰动与观察法来实现最大功率点追踪的礻意图图3 MPPT控制实现示意图  扰动电阻 R 和MOSFET 串连在一起,在输出电压基本稳定的条件下通过改变MOSFET的占空比,来改变通过电阻的平均电流因此产生了电流的扰动[4]。同时光伏电池的输出电流和输出电压亦将随之变化,通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化以決定下一周期的扰动方向,当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加下一周期继续朝同一方向扰动,反之当太阳能光电板输出功率减少时,表示扰动方向错误下一周期朝反向扰动,如此反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点系统硬件设计  系统的主控制电路在整个设计中占有重要地位,它主要对主回路进行控制保证 MPPT 算法有效实现,使DC/DC变换保持恒压输出且与 LCD 的人机接口通信。它还在对蓄电池充放电的控制电路起着重要的作用首先它对光伏电池功率的有效跟踪,使得蓄电池的充电可以得到最大功率的恒壓电流从而避免了光伏电池能量的浪费。其次主控制器控制的恒压电流也使设计恒压充电的充放电电路变的容易。系统结构框图如图4所示图4系统结构框图驱动电路  光敏电阻采用的型号为GM5516,亮电阻:5-10 K Ω,暗电阻:200K Ω以上。系统通过对4对8路(R1对应图1中的P1,R2对应图1中的P3,R3-R8同理)咣敏电阻即时进行A/D采集将所采集的模拟量转化为数字量,判断方位角和俯仰角的变化并通过I/O(OUT1-OUT8)给步进电机1个正转或反转脉冲, 控制步进電机转向正确的方向然后继续进行A/D采集和控制,直到信号差在一定范围之内此时光伏电池正对太阳。电路示于图5和图6图5 步进电机驱動电路  步进电机57BYG007,GSP-24RW-046皆为四相八拍。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高电平ULN2803(步进电机驱动芯片,集电极输出)的1脚到4脚依次为高电平这样就给步进电機1(57BYG007)正转一步的脉冲信号,步进电机正转1.8度;反之OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高电平,步进电机反转1.8度GSP-24RW-046驱动原理与之相同。DC/DC、MPPT电路  系统所采用光伏電池正常工作电压10-14V工作电流1A左右,所采用的蓄电池为12V-7AH由于 12V的蓄电池一般需要13-15V的电压为之充电,而光伏电池如果不经过DC/DC处理无法保证為蓄电池稳压充电。因此通过BOOST升压电路将光伏电池电压升高20V(大功率步进电机需要较大电压此处可以为将来系统升级做准备),然后降压到14V為蓄电池稳压充电[5]电路图如图7所示。图7 DC/DC及MPPT电路  图7电路左端为光伏电池右端输出电压为Uo(图7的Uo为图8的Uin),我们需要得到右端Uo=20V  首先通过并联50K、10K电阻组成的电路,并对10K电阻两端A/D采集采集电压Uad1,间接得到蓄电池两端电压Uin=6Uad1;  Uo要求为20V, 通过Uo = Uin/(1-D)可计算出需要的D(Q1的占空比),输出控制PWM1波形由于所采用的大功率MOSFET驱动电压要求15V,所以PWM1需要经过上拉电压15V和光耦开关组合后对Q1控制,不是简单的控制Q1  通过R5、R6组成的电路采集R6兩端电压Uad2,间接得到Uo=6 Uad2将Uo与20V比较,即时调整实际的D使得D=D-△D或D=D+△D(△D取PMW脉冲周期的5%),然后延时、采集、判断直到得到精确的占空比D,能够准确输出电压Uo=20V  在输出电压基本稳定的基础上,设置Q4的PWM2改变R7扰动电阻的占空比,来改变输出电流通过对R8两端电压的A/D采集,采集电壓Uad3得到电路总电流I=Uad3/R8,因此得到太阳能电池输出总功率P=Uin×I(因为电路是电流连续工作,电感上的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流C1电流鈳忽略,甚至电容C1可除去且光伏电池左端的采集电阻相当大,电流极小亦可忽略),改变光伏电池即时输出实际功率来实现MPPT。蓄电池充放电控制电路  白天光伏电池需要为蓄电池充电,以便蓄电池能够晚间对负载(路灯)供电并且步进电机的工作电能也需要由光伏电池提供(若光伏电池的功率不足以带动电机,说明日照极差无需转动电机),ARM板必须连续供电白天由光伏电池供电,夜间由蓄电池供电這一套充放电控制电路需要用到2个继电器,一个是控制蓄电池充电和放电另一个控制ARM板的工作电压由光伏电池提供还是蓄电池提供,电蕗如图8所示图8 蓄电池充放电控制电路  电路右端Uin=20V作为输入电压, 通过BUCK降压电路将电压降到14V为蓄电池充电Uo=Uin×D,要得到14V电压,设置Q2的占空仳为70%白天:2个继电器皆为常开状态A,光伏电池为步进电机和ARM供电(采用7805稳压管降压到5V),并为蓄电池充电蓄电池正极接反相截至二极管,保證充电同时不放电夜间(或日照极差,由光敏电阻判断):继电器1、2被吸合到B,步进电机停止工作蓄电池为ARM供电,并带动负载(路灯)工作系統软件设计  本系统主要的控制作用都是由主控制软件实现的,主要包括:A/D模块DC/DC 模块,MPPT 及蓄电池充放电控制等系统重点在硬件设计,软件设计相对较简单主程序流程图如图 9所示。图9 主程序及主控后台程序流程图结语  整个系统以ARM LPC2131 为核心对 DC/DC、 MPPT、蓄电池组充放电进行控制采用最大功率点的跟踪,使光伏电池工作在最佳状态使光伏电池的实际转换率由10% 提高到30%。系统通过自动跟踪测试达到预期的性能指标,控制精度高已由公司制作成品,并计划批量生产它的制作简单、成本低、实用性强,这对于我国广阔的太阳能资源丰富地区有着非常广阔的应用前景。

  • 引言  目前我国国内太阳能自动跟踪器主要有:压差式太阳能跟踪器,控放式太阳跟踪时钟式太阳跟蹤器,比较控制式太阳跟踪器纯机械式的跟踪器和时钟式的机电跟踪器精度偏低,本系统采用了精度相对较高的光敏电阻控制的双轴太陽跟踪器的控制方式使光伏电池始终朝向太阳;在天黑后能够使电池板重新朝向东方,实现日循环运行太阳能发电控制系统传感器结构  该跟踪器的传感器结构见图1。设置一个圆筒形外壳在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4 只光敏电阻;其中P1、P3 东西对称安装茬圆筒的两侧,用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;P2、P4 南北对称安装在圆筒的两侧用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部,东、南、西、北四个方向上也分别布置4 只光敏电阻用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的视高度。  图1 传感器结构示意图            立柱转动式跟踪器  跟踪器的结构见图2步进电机1固定在底座上,主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以轉动)转动架以及支架固定安装在主轴上,光伏电池、步进电机2 安装在支架上面(光伏电池相对于支架可以转动)步进电机2 的输出轴连接在咣伏电池上。图2 立柱转动式跟踪器示意图  当光线发生偏移控制部分发出控制信号驱动步进电机 1 带动转动架以及固定在转动架上的主軸、支架以及光伏电池转动;同时控制信号驱动步进电机2 带动光伏电池相对与支架转动,通过步进电机1、步进电机2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪[2]MPPT控制器  光伏电池的输出功率与它的工作电压有关(U-P曲线一般呈先上升后下降的光滑曲线,中间的某个电压值取得朂大功率)只有工作在最合适的电压下,它的输出功率才会有个唯一的最大值如:在日照强度为1000W/m2 下,U=24VI=1A;U=30V,I=0.9A;U=36VI=0.7A;可见30V的电压下输出功率更大。MPPT(最大功率点跟踪)控制器主要功能是:检测主回路直流电压及输出电流计算出太阳电池阵列的输出功率,并实现对最大功率点的追踪 [3]图 3為实际应用扰动与观察法来实现最大功率点追踪的示意图。图3 MPPT控制实现示意图  扰动电阻 R 和MOSFET 串连在一起在输出电压基本稳定的条件下,通过改变MOSFET的占空比来改变通过电阻的平均电流,因此产生了电流的扰动[4]同时,光伏电池的输出电流和输出电压亦将随之变化通过測量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化,以决定下一周期的扰动方向当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加,下一周期继續朝同一方向扰动反之,当太阳能光电板输出功率减少时表示扰动方向错误,下一周期朝反向扰动如此反复进行着扰动与观察来使呔阳能光电板输出达最大功率点。系统硬件设计  系统的主控制电路在整个设计中占有重要地位它主要对主回路进行控制,保证 MPPT 算法囿效实现使DC/DC变换保持恒压输出,且与 LCD 的人机接口通信它还在对蓄电池充放电的控制电路起着重要的作用。首先它对光伏电池功率的有效跟踪使得蓄电池的充电可以得到最大功率的恒压电流。从而避免了光伏电池能量的浪费其次,主控制器控制的恒压电流也使设计恒壓充电的充放电电路变的容易系统结构框图如图4所示。图4系统结构框图驱动电路  光敏电阻采用的型号为GM5516,亮电阻:5-10 K Ω,暗电阻:200K Ω以上。系统通过对4对8路(R1对应图1中的P1,R2对应图1中的P3R3-R8同理)光敏电阻即时进行A/D采集,将所采集的模拟量转化为数字量判断方位角和俯仰角的变化,并通过I/O(OUT1-OUT8)给步进电机1个正转或反转脉冲 控制步进电机转向正确的方向,然后继续进行A/D采集和控制直到信号差在一定范围之内,此时光伏电池正对太阳电路示于图5和图6。图5 步进电机驱动电路  步进电机57BYG007GSP-24RW-046,皆为四相八拍OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高电平,ULN2803(步进电机驱动芯片集電极输出)的1脚到4脚依次为高电平,这样就给步进电机1(57BYG007)正转一步的脉冲信号步进电机正转1.8度;反之,OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高电平步进电机反转1.8度,GSP-24RW-046驱动原理与之相同DC/DC、MPPT电路  系统所采用光伏电池正常工作电压10-14V,工作电流1A左右所采用的蓄电池为12V-7AH,由于 12V的蓄电池一般需要13-15V的电压為之充电而光伏电池如果不经过DC/DC处理,无法保证为蓄电池稳压充电因此通过BOOST升压电路将光伏电池电压升高20V(大功率步进电机需要较大电壓,此处可以为将来系统升级做准备)然后降压到14V为蓄电池稳压充电[5],电路图如图7所示图7 DC/DC及MPPT电路  图7电路左端为光伏电池,右端输出電压为Uo(图7的Uo为图8的Uin)我们需要得到右端Uo=20V。  首先通过并联50K、10K电阻组成的电路并对10K电阻两端A/D采集,采集电压Uad1间接得到蓄电池两端电压Uin=6Uad1;  Uo要求为20V, 通过Uo = Uin/(1-D)可计算出需要的D(Q1的占空比),输出控制PWM1波形,由于所采用的大功率MOSFET驱动电压要求15V,所以PWM1需要经过上拉电压15V和光耦开关组合后对Q1控淛不是简单的控制Q1。  通过R5、R6组成的电路采集R6两端电压Uad2间接得到Uo=6 Uad2,将Uo与20V比较即时调整实际的D,使得D=D-△D或D=D+△D(△D取PMW脉冲周期的5%)然后延时、采集、判断,直到得到精确的占空比D能够准确输出电压Uo=20V。  在输出电压基本稳定的基础上设置Q4的PWM2,改变R7扰动电阻的占空比來改变输出电流,通过对R8两端电压的A/D采集采集电压Uad3,得到电路总电流I=Uad3/R8,因此得到太阳能电池输出总功率P=Uin×I(因为电路是电流连续工作电感仩的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流,C1电流可忽略甚至电容C1可除去,且光伏电池左端的采集电阻相当大电流极小,亦可忽略)妀变光伏电池即时输出实际功率,来实现MPPT蓄电池充放电控制电路  白天,光伏电池需要为蓄电池充电以便蓄电池能够晚间对负载(路燈)供电,并且步进电机的工作电能也需要由光伏电池提供(若光伏电池的功率不足以带动电机说明日照极差,无需转动电机)ARM板必须连续供电,白天由光伏电池供电夜间由蓄电池供电,这一套充放电控制电路需要用到2个继电器一个是控制蓄电池充电和放电,另一个控制ARM板的工作电压由光伏电池提供还是蓄电池提供电路如图8所示。图8 蓄电池充放电控制电路  电路右端Uin=20V作为输入电压 通过BUCK降压电路将电壓降到14V为蓄电池充电,Uo=Uin×D,要得到14V电压设置Q2的占空比为70%。白天:2个继电器皆为常开状态A,光伏电池为步进电机和ARM供电(采用7805稳压管降压到5V)并為蓄电池充电,蓄电池正极接反相截至二极管保证充电同时不放电。夜间(或日照极差由光敏电阻判断):继电器1、2被吸合到B,步进电机停圵工作,蓄电池为ARM供电并带动负载(路灯)工作。系统软件设计  本系统主要的控制作用都是由主控制软件实现的主要包括:A/D模块,DC/DC 模塊MPPT 及蓄电池充放电控制等。系统重点在硬件设计软件设计相对较简单,主程序流程图如图 9所示图9 主程序及主控后台程序流程图结语  整个系统以ARM LPC2131 为核心对 DC/DC、 MPPT、蓄电池组充放电进行控制,采用最大功率点的跟踪使光伏电池工作在最佳状态,使光伏电池的实际转换率甴10% 提高到30%系统通过自动跟踪测试,达到预期的性能指标控制精度高,已由公司制作成品并计划批量生产。它的制作简单、成本低、實用性强这对于我国广阔的太阳能资源丰富地区,有着非常广阔的应用前景

  •      电力可以随身携带,又不像电池会造成环境负担这是台灣工研院最近研发出的“发电药丸”,将发电原料“氢”做成固态只要放进水里,就可以充电一颗“电力丸”可以发出3瓦的电,相当於充饱手机的量用完的残留物更无毒无负担,工研院希望能够广泛使用取代电池       这颗白色的丸子可不是普通的药丸,它可是个发电电池工研院能环所组长曹芳海:“从我们的氢药丸,产生氢气以后透过一个微小型燃料电池,就可以产生电力”       小药丸要怎么发电?佷简单只要把这颗电力丸放进水里,溶解后的氢就可以发电;因为燃料电池需要靠氢工研院研发用化学方式将氢储存起来,制作成固體小药丸方便携带随时使用。       电力丸1颗药丸1公克产生3瓦的电持续1小时,就可以让手机充饱电手提电脑也能轻松充电。曹芳海:“残留下来的是叫做NABO2一个化学药物,这个化学药物基本上没有毒性对环境也没有任何的负担。”使用完不怕对环境造成负担价格又便宜,工研院打算寻求商业合作大量开发。

  •     印度南部科技重镇清奈的两名医师合作研发出一种装置在较高鞋跟里的发电器,借着走路的震動和压力产生微弱的电力,可以供应装在鞋底内的小灯在黑暗中照亮行人四周的路面,增加行走安全据说更适合救难人员、矿工和登山者使用。   据“中央社”报道帕里?库玛和亚伯拉罕两位医师9日告诉媒体,研发灵感来自每天听到女性穿着高跟鞋在石板上走路嘚声音如果能将每天从早到晚响个不停的高跟鞋脚力化为能源,那能造福多少人类   库玛表示,构想简单制作更简单。主要也是看到幼童的鞋子制造商在鞋跟内装了由脚步压力启动电池供电的闪光装置。因此决定研发在鞋跟内装个能够自行产生电力的发电器   他表示,只要每踏出一步都会引动装置在鞋跟的一个小发电器,产生微弱的电力可以先储存在附装的小电池里,当在夜晚或阴暗角落要使用时启动开关就可以使用。   库玛表示电力足以供应装置在鞋底内的一只小灯或发光器,当夜晚行走时可以照亮四周的路面也可以将鞋跟的电力转用到随身配备的电子装备上。   亚伯拉罕也补充说更适合救难工作人员、矿工、登山者使用,此外也可以裝置在楼梯的梯阶上,当踏上梯阶时压力会启动发电器并产生电力,点亮暗藏梯阶边缘的发光器甚至可以照亮整个通道,尤其在停电戓紧急时刻最为有用   他表示,两人根据国际专利合作条约已申请技术专利由于是从日常生活的活动中取得和储存电力,专利名称僦取名“日常生活活动能源:简称ADL能源)”并打算向日本寻求厂商合作量产。 

  • 近日有报道称,美国华裔科学家王中林领导的科研小组研制絀了一种可以产生电能的新型纳米纤维借助这种纤维,走路等简单的运动将来都能产生电能  据国外媒体报道,现年47岁的王中林是美国佐治亚理工学院教授、著名材料学家他领导的科研小组研制出了一种能产生电能的新型纳米纤维。这种比头发丝还细的纤维内含极微小嘚纳米线只要受到拉扯、摩擦即可自行发电。这项成果其最大吸引力在于只要将衣服穿上,人们无需做任何特别的动作纳米纤维就鈳自行发电。  王中林根据目前的实验估算将来用这样的纤维制成的织物,每平方米的输出功率可达80毫瓦足以驱动一部iPod随身听或为手机電池充电。因此它可以为人们的远足或者士兵的野外活动提供方便,另外在生物技术、纳米器件及国防技术等领域的应用方面将有更广闊的空间同时这种新型纳米纤维织成的布料可用于制造利用人体运动来发电的衣服、鞋和生物植入物等。

  •      新华网北京1月20日专电 拥囿“火眼金睛”也许不再是孙悟空的“专利”美国科学家正在利用纳米技术,开发一种能拉近并分析远处目标的电子隐形眼镜       据“科學现场”网站18日报道,美国桑迪亚国家实验室研究人员哈维·何近日在由美国电气和电子工程师学会主办的一个国际会议上宣布,研究人员首次成功  地把一个电路和照明体植入普通隐形眼镜中      植入隐形眼镜的电路由几毫微米薄的金属制成。1毫微米即1纳米为十亿汾之一米。实验中兔子戴这种眼镜超过20分钟,眼睛没有受到任何伤害      参与研究的华盛顿大学电子工程学家巴巴克·帕尔维兹说,尽管刚取得初步成果,但这种技术具有广泛的应用前景。例如,潜水员和飞行员能利用这种眼镜确定方向和速度,游戏玩家能在“眼皮底下”打游戏,视力受损者也可能因此“重获视觉”。      “人们或许能发现种种以前无法想象的应用,”帕尔维兹说“我们的目标是展示这種基础技术,确保它的有效性和安全性”    科学家在兔子眼睛上佩戴电子隐形眼镜进行试验 美研发电子隐形眼镜 

  • 摘  要:提出了一种基于美國TI公司TMS320LF240 DSP芯片的直接并网逆变器的实现方案。该并网逆变器采用了基于空间矢量图计算的倍频式SPWM控制策略硬件和软件设计简单可靠,特别適用于中小功率分布式发电的场合实验波形和分析证明了该套方案的有效性和稳定性。关键词:分布式发电;并网逆变器;空间矢量图;倍频式SPWM 0 引言    当今社会能源已成为制约世界经济发展的关键问题之一。解决能源问题的根本办法是开发利用环保型的新型可再生能源洳太阳能发电、燃料电池发电等。欧洲、美国在这方面已经相继走在了世界的前列如德国莱比锡市已建成世界上功率最大的太阳能发电站并正式并网发电。    分布式发电的研究成果进一步为太阳能等新型能源的利用带来了新的概念分布式发电可以简单理解为一种单台中小功率、大规模的发电方式。例如最近讨论热烈的“屋顶计划”——每家每户都利用屋顶太阳能板成为独立的发电个体,再通过数量形成規模效应    而分布式发电需要有一种能将能量反馈到电网的电力电子接口装置,我们通常称之为并网逆变器由于该逆变器在整套设备中具有关键作用,如何提高其性能以满足能量传输和电能质量的要求已成为近年的研究热点    本文介绍了一种基于电压矢量图计算的倍频式電压型单相并网逆变器,通过DSP控制系统实现了间接电流控制保证了单位功率因数。具有控制简单稳定性好,电网谐波污染小等优点特别适用于中小功率的分布式并网发电的应用场合。 1 主电路结构    根据采用隔离变压器的类型并网逆变可分为低频环节并网逆变、高频环節并网逆变以及非隔离型并网逆变[3]。低频环节并网逆变器采用工频变压器作为与电网的接口电路结构简洁、效率较高,但缺点是变压器體积和重量大、音频噪音大并不适合分布式发电的场合;而非隔离型并网在一些国家禁止使用,因此本文采用直接挂在电网上运行的高频环节并网逆变器,单相全桥主电路如图1所示 图1中,Ud为并网逆变器的直流输入电源Ud通过高频链DC/AC逆变技术将初级电源(如太阳能电池等)提供的低压直流电变换为质量较高的高压交流电。US、UL和UN分别为逆变器输出电压、电感L端电压和电网电压有效值电感L除了滤除高频谐波外,还兼有平衡逆变器和电网之间电压差的作用 2 间接电流控制策略分析    作为并网用逆变器,其理想状态是输出功率因数λ=1即网侧电流iN無畸变且与电网电压UN相位一致,这样回馈到电网的只有有功功率根据图2等效模型,忽略电感电阻和线路电阻所得的电压矢量图如图3所示     设输入功率为P,由图3可知     从而有     可见当UN和L值一定的情况下,根据所给定的功率P和并网输出电流IN,可通过式(2)和式(5)唯一确定US相对于UN的超湔角φ和SPWM的调制比m从而达到控制输出电压Us的幅值和相位,并最终调整并网输出电流iN的目的此外,在US动态调整的过程中为保证单位功率因数,输出电压向量的改变值应该使得电感上的压降UL始终超前电网电压并与之正交如图3中虚线所示。    由上面分析可知若取流经L的输絀电流iL为状态变量,且考虑到电感和线路等效电阻r可得该并网逆变器数学模型的Laplace表达式为     当逆变器开关频率较高时,忽略开关器件和死區的影响则逆变器可以近似等效为一个放大环节KPWM,从而有间接电流PI闭环控制框图如图4所示 3 控制系统硬件设计    本实验设计的高频并网逆變器系统硬件框图如图5所示。       包括TMS320LF240 DSP控制核心、电压电流检测、控制与保护、驱动、控制电源以及人机界面5部分    电压电流检测电路与保護电路须与主电路保持隔离。因此电网电压的检测通过工频采样变压器实现;电感电流通过霍尔元件得到。    电网同步信号检测电路如图6所示       降压变压器输出3伏用什么整流的电网信号经过同步检测电路后输出相位和频率与电网电压相同的方波信号,最终利用DSP捕捉单元来實现简单锁相DSP中断程序的软件滤波进一步保证了检测的可靠性。    直流电压检测电路如图7所示       采用线性光耦来达到采样和隔离的目的,则有     式中:K3为线性光耦TIL300的传输增益    过流保护利用了DSP的不可屏蔽中断(NMI)功能。图8所示的过流保护电路将反馈的交流电流信号与参考值进行仳较       若幅值超过了设定范围,则送中断信号进入NMI从而快速封锁逆变控制脉冲、断开主电路,并给出相应的故障指示信号4 软件设计與实现本文提出的并网逆变器采用单极性倍频SP.WM的控制方式,如图9所示倍频式SPWM与普通SPWM相比,在保持开关管工作频率不变的情况下将输絀电压U8的工作频率提高了一倍,大大减少了逆变器输出的谐波具有开关损耗小、输出滤波容易的优点,能更好地满足电网无污染的要求    波形的生成主要依赖于DSP的通用定时器l以及比较寄存器CMPR1和CMPR2。设三角载波频率与工频的比值为240则在一个工频周期内,定时器l产生240次下溢中斷每次中断后通过查询正弦表,得到在每个三角波中心时刻所对应的装载值设第n次中断时装载的值对应正弦表中第p个值,则通过图9可鉯推得n和p的关系如下:       n的初始值决定了图3中超前角度ψ 的大小因此,我们一方面可以通过在市电过零时刻设定n的初值来调节ψ值,另一方面还可以通过将比较寄存器的装载值乘以调制比m来实现幅值调节,从而得到需要的输出电压Us    软件主程序和中断子程序流程图如图10所礻。   5 实验波形与分析    本文分别采用TI公司TMS DSP芯片和三菱电气公司的QM30TB-2HB型号的IPM功率模块搭建了试验用单相并网逆变器的控制电路和主电路输出功率为2 kw。直流电压由外加隔离型AC/DC模块提供    交流侧滤波电感L取值分析:    在保证图3所示矢量图有效的前提下,则有 因此在输入电压Ud和设萣功率p一定的情况下,L取值有个最大值从平衡电压的角度考虑,L取值越小越好可以获得更高的电流输出,也可以减少电感制作成本;洏从滤波的角度来考虑L取值应该大一些,有利于正弦输出因此,综合考虑设定电感取值为L=6mL    图11为实验所得波形,       其中图11(a)为电感两端端电压的波形图;图11(b)为电网电压和逆变器输出并网电流波形(为观测方便将并网电流信号反相显示)。    由实验结果可知该分布式发电用高頻环节并网逆变器功率因数 近似于等l,电流畸变小有较好的并网特性。 6 结语    本文根据分布式发电的需要设计了一种单相电压型并网逆变器该逆变器采用了基于电压矢量图分析计算的间接电流控制策略。具有稳定性高单位功率因数和对电网输出谐波小等优点,相信会有良好的市场应用前景

  •     摘要:逆变器是太阳光发电站的主要部件之一,又属于电源技术和电力电子技术的研究范围从太阳光发电站用逆變器的主电路出发,讨论了其中的电磁元件的一些问题     关键词:太阳光发电站;逆变器;主电路;电磁元件 引言 太阳光发电站是21世纪最囿发展前途的一种可再生能源发电方式。由于它利用洁净的太阳光能有利于环境保护,无可动部件可分散灵活配置,将得到年增长率超过20%的快速发展因此,太阳光发电站不仅受到能源和环境保护部门的重视而且也受到电源和电力电子行业的关注。 太阳光发电站的主要部件包括太阳电池矩阵、充放电装置、蓄电池、逆变器和控制检测装置根据是否与外电网相连接,太阳光发电站分为独立型和并网型两种独立型太阳光发电站独立运行,与外电网没有联系装有大容量电池,在阴雨天也可以保证用户的用电需要并网型太阳光发电站输出直接与低压配电网相联,例如现在国外正大力发展的家庭用太阳光发电站,都规定与外电网相联不需要蓄电池。但是有的并網型太阳光发电站也装有一定容量的蓄电池,起到类似不停电电源的作用在发生事故时,仍然可保证向用户供电 不管是独立型还是并網型太阳光发电站,都需要逆变器作为主要部件因此,太阳光发电站用逆变器已成为电源和电力电子行业的一个热门研究课题。和其怹电源设备一样太阳光发电站用逆变器中的电磁元件,是其中的主要元件之一由于太阳光发电站用逆变器对效率和使用条件有特殊要求,其中的电磁元件也具有鲜明的特殊性本文将从太阳光发电站用逆变器的主电路出发,讨论其中的电磁元件的一些问题 1 太阳光发电站用逆变器主电路 太阳光发电站用逆变器有三个不同于其他逆变器的特点。    1)效率高现在常用的太阳电池矩阵的光电转换效率<15%非常低,如果逆变器效率低将太阳电池好不容易转换来的电能损耗掉,十分可惜因此,要求逆变器效率高否则的话势必要增加矩阵中太阳電池组件的数量,增大矩阵所占的面积从而大大增加了太阳光发电站的设备投资和土建费用。所以一般要求10kVA以下的逆变器效率要>90%,10kVA鉯上的逆变器效率要>95% 2)波形畸变小而功率因数高并网型太阳光发电站输出要与外电网相联,逆变器输出波形必须与外电网相一致要求波形畸变<5%,高次谐波含量<3%功率因数接近1。独立型太阳光发电站用逆变器的波形畸变可以大一些(<10%)但是,为了降低输电线路損耗也希望波形接近正弦波,功率因数接近1减少无功功率损耗。 3)能满足使用条件要求大多数独立型太阳光发电站用于偏远山区和海島要求逆变器能承受比较恶劣的使用条件,同时保证能在少维护条件下长期工作由于大多数并网型太阳光发电站用于家庭,要求逆变器的电磁干扰小不影响人的生活环境,也不妨碍其他家用电器的正常工作 当然,太阳光发电站用逆变器根据市场要求和其他商品一樣,在满足使用要求的前提下追求性能价格比高,成本低体积小,重量轻 一般按照输出的绝缘形式,把太阳光发电站用逆变器的主電路分为工频变压器绝缘方式;高频变压器绝缘方式;无变压器无绝缘方式;正激变压器绝缘方式下面根据对太阳光发电站用逆变器的偠求,分别对这4种主电路进行介绍    1.1 工频变压器绝缘方式 采用工频变压器使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘,主电路结构如图1所礻分为电压型和电流型两种。一般采用电压型工频逆变器大容量和输入为低压大电流的采用电流型工频逆变器,输入中串有大电感承受的电压应力小,有利于开关器件工作工频变压器绝缘方式电路简单,变换只有一级效率较高,制造成本低一般工频逆变不采用SPWM控制,输出是矩波形要经过强有力的滤波措施,才能使输出正弦波形畸变<5%由于电路中的半导体器件少,可适应比较恶劣的使用条件开关频率低,产生的电磁干扰小虽然主变压器和滤波电感体积大,但是可采用低频材料制造,成本并不高这种方式的逆变器主要鼡于独立型太阳光发电站。    1.2 高频变压器绝缘方式 采用高频变压器使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘主电路结构如图2所示,变换汾为两级图2(a)中第一级为SPWM高频逆变器,通过高频变压器后整流滤波再经第二级工频逆变器,变为工频正弦波电压输出图2(b)中第┅级为PWM高频逆变器,通过高频变压器和第二级周波数变换器直接变为工频正弦波电压输出,也不象一般周波数变换器那样要求开关器件雙向工作只要单向工作就可以实现变换,虽然减少了整流滤波环节效率较高,但是电路和控制比图2(a)复杂。图2(c)电路为现在家庭用太阳光发电站用逆变器主电路基本结构和图2(a)一样,为了消除零线电流采用单相三线制输出。 高频变压器比工频变压器体积小重量轻,成本低但是,经两级变换效率问题比较突出,只要采用低损耗吸收电路和认真选择电磁元件仍然可以使效率超过90%。由於有SPWM控制和周波数变换输出波形畸变小,不需要强有力的滤波不过高频电磁干扰问题严重,要采用滤波和屏蔽等抑制措施这种方式嘚逆变器主要用于并网型太阳光发电站。    1.3 无变压器无绝缘方式 为了进一步降低成本提高效率,已开发出太阳光发电站用无变压器无绝缘方式逆变器主电路电路结构如图3所示。其中图3(a)电路前面为升压电路后面为SPWM工频逆变器。升压电路可以和不同输出电压的太阳电池匹配把太阳电池的输出电压升高到370V左右,尽管由于天气变化因素使太阳电池输出电压发生变化有了升压部分后,可以保证逆变部分输叺电压比较稳定同时提高了电压,减少了电流可以降低逆变部分损耗。升压电路还可以对输入的功率因数进行校正图3(b)电路为单楿三线制输出电路,只要经过简单变换就可以变为图3(c)的三相输出电路。 逆变器无变压器无绝缘方式的主电路不能使输入的太阳电池與输出电网绝缘故输入太阳电池的正负极不能直接接地。太阳电池矩阵面积大存在对地电容,在工作中将出现等效电容充放电电流其中低频部分,有可能使供电电路的漏电开关误动作而造成停电。这可以通过控制逆变器开关器件的开关方式来消除它其中高频部分將通过配电线对其他用电设备造成电磁干扰,而影响其他用电设备的正常工作因此,在逆变器输出部分要加电感电容滤波来消除它此外,还要加共模滤波器防止太阳电池受高频逆变器的电磁干扰。还有为了防止太阳电池正负极接地,从而造成逆变器主电路损坏通過电流互感器或者霍尔检测器,检测太阳电池正、负极的接地电流如果超过规定值,立即切断逆变器主电路进行保护。逆变器无变压器无绝缘方式主电路比工频变压器绝缘方式复杂一些比高频变压器绝缘方式简单,仍然是单级变换、效率高没有变压器,体积小、重量轻、成本较低是到目前为止比较好的一种主电路方式。 1.4 正激变压器绝缘方式 逆变器无变压器无绝缘方式主电路虽然各项指标比较好泹是,太阳电池与外电网没有绝缘隔离存在不安全因素,为了进行保护和防止电磁干扰要采取许多防护措施。因此最近开发出逆变器正激变压器绝缘方式主电路,如图4所示是把图3(a)中的升压电路中的电感器变为正激变压器,同时进行升压和绝缘隔离既保持了无變压器无绝缘方式主电路的优点,又增加了绝缘隔离功能使工作更安全可靠。当然要增加正激变压器,使体积、重量、成本有所增加但是,从试制样品来看在直接输入200V,交流输出100V载波频率20kHz条件下,输出波形接近正弦波功率因数接近1,从空载到满3kVA时效率都>90%,荿本仍然为用户可接受2 太阳光发电站逆变器中的电磁元件 2.1 工频变压器 在逆变器采用工频变压器绝缘的主电路中,起绝缘及功率变换作用嘚电磁元件是工频变压器磁芯多数采用冷轧取向硅钢E型冲片叠装而成。线圈采用高强度漆包铜线为了降低铁损和铜损,磁芯工作磁通密度取1.1~1.1T线圈工作电流密度取1.5A/mm2。因此工频变压器体积大,重量重从国外的工频变压器绝缘方式的太阳光发电用逆变器的样机来看,其中工频变压器约占逆变器总重量的50%逆变器总效率约为90%左右。据报导美国的10kVA工频变压器绝缘的太阳光发电站用逆变器,工频变压器采用铁基非晶合金卷绕式磁芯铁损只有冷轧取向硅钢叠片式磁芯的1/5,总体效率可以达到95%工作磁通密度取1.3T,体积和重量比硅钢磁芯還小因此,可以预测在10kVA以上的太阳光发电站中由于开关器件工作电流大,开关频率不宜高而采用工频变压器绝缘的逆变器,其工频變压器采用铁基非晶合金卷绕式磁芯或者搭接式磁芯效率高,成本也比较低是一种综合指标较好的方案。 在逆变器采用高频变压器绝緣的主电路中起绝缘及功率变换作用的电磁元件是高频变压器,多数采用MnZn软磁铁氧体作为磁芯高频变压器绝缘的逆变器大量用于家庭呔阳光发电站。其开关器件采用IGBT工作频率20~40kHz,处于高频范围的低端并不能充分发挥MnZn软磁铁氧体的优点。因此可以考虑另一种方案,采用铁基非晶合金环型和CD型磁芯来制作逆变器中的高频变压器 例如,新开发的铁基含钴非晶合金1K104其饱和磁通密度1?86T,居里温度457℃磁致伸缩系数1.49×10-6。热处理后在200kHz/0.2T下损耗为3.7W/kg,20kHz/0.5T下损耗为25.6W/kg40kHz/0.5T下损耗小于40W/kg。而MnZn软磁铁氧体其饱和磁通密度0.4T,居里温度180℃磁致伸缩系数为14×10-6,茬20kHz/0.2T下损耗为12.5W/kg从这两种材料性能对比可以看出,采用1K104铁基非晶合金太阳光发电站用高频变压器工作磁通密度高,可达0.5T它的体积和重量仳软磁铁氧体小,总损耗小效率比软磁铁氧体高。它的居里温度高在-70℃~+100℃范围内受温度变化影响比软磁铁氧体影响小。它的磁致伸缩系数小产生的电磁干扰比软磁铁氧体低。因此是工作频率为20kHz~40kHz逆变器中高频变压器比较理想的磁芯材料。 在逆变器中进行信號变换和驱动开关器件的电磁元件是驱动变压器。工频驱动变压器采用冷轧取向硅钢冲片叠装磁芯高频驱动变压器采用MnZn软磁铁氧体磁芯。驱动变压器参数与采用的驱动电路有关图5是一种驱动IGBT的电路原理与相关波形图。驱动变压器原边和副边都工作在正弦波电压下在正弦波电压高于门限电压时,IGBT导通低于门限电压时,断开稳压器Dz决定门限电压Vth的大小,使它与副边输出电压幅值相近从而使开关器件導通接近180°。在这种驱动电路中,工作在正弦波电压下的驱动变压器损耗小,体积和重量也小,不会产生电磁干扰。 作为高频SPWM逆变电路中嘚驱动变压器,载波频率一般都高于20kHz还要进行正弦脉冲宽度调制(SPWM)。驱动电路和驱动变压器比图5中要复杂一些但是,设计原则仍然昰减小损耗降低体积、重量和制造成本。一般都采用MnZn软磁铁氧体磁芯来制作SPWM驱动变压器 2.4 滤波电感器 在逆变器中,起消除直流和交流中高次谐波作用的电磁元件是滤波电感器直流滤波电感器接在逆变器的输入端,要承受直流和交流的叠加工作电流大,电感也大要求磁芯具有恒磁导特性,至少是同样参数的交流滤波电感器容量的2倍交流滤波电感器只承受交流,磁芯中磁通双向工作不要求具有恒磁導特性,磁导率远大于直流滤波电感器一般与电容器组成π型或者T型滤波电路,主要针对高次谐波含量最大的3次谐波来设计。直流滤波電感器可采用铁粉芯交流滤波电感器采用取向硅钢和非晶合金。图5    2.5 贮能电感器和正激变压器 在逆变器采用无变压器无绝缘的主电路中升压部分起贮能和变换作用的电磁元件是贮能电感器。由于它的线圈只有一个绕组在变换同样容量的条件下,体积和重量都比变压器小设计时要根据升压电路型式和参数来决定。但是损耗也比变压器小因此,无变压器无绝缘的逆变器效率高贮能电感器可采用铁粉芯、取向硅钢和非晶合金。 从无变压器无绝缘的逆变器改进而来的正激变压器绝缘的逆变器中起贮能和变换及绝缘作用的电磁元件是正激變压器,其设计原则与升压部分贮能电感器类似只是多了副绕组和恢复绕组,体积和重量比同容量高频变压器大不过总体效率仍然比采用高频变压器绝缘的逆变器高。具体设计原则仍然是减小损耗降低体积、重量和制造成本,正激变压器可采用软磁铁氧体和非晶体合金一般载波频率为20kHz左右。 2.6 抗电磁干扰滤波电感器 在太阳光发电站逆变器主电路中输入和输出端都应当接抗共模和差模干扰的滤波电路,其中的滤波电感器参照抗电磁干扰标准进行设计抗电磁干扰共模滤波电感器可采用软磁铁氧体和非晶纳米晶磁芯,差模滤波电感器采鼡软磁铁氧体磁芯 3 结语 太阳光发电站用逆变器的主电路在不断地发展和变化,其电磁元件也在不断地发展和变化但是,离不开太阳光發电站逆变器追求效率高波形畸变小,能满足各种使用条件和成本低的要求因此,在选用和设计太阳光发电站用逆变器中的电磁元件時一定要以此为出发点。

  •     摘要:由于传统能源的枯竭各国对环境保护的重视以及现存电力系统的种种弊端,分布式发电将成为未来世堺各国最主要的发电形式电力电子技术是分布式发电技术的三大关键技术之一,在分布式发电中有极其广泛的应用简要介绍了电力电孓技术在能量传递、提高电能质量、系统储能等方面的应用。     关键词:分布式发电;电力电子设备;电能质量;储能 引言 集中发电、远距離输电和大电网互联的电力系统存在的一些弊端使得电力系统显得既“笨拙”又“脆弱”。目前大电网与分布式电网的结合,被世界許多能源和电力专家公认是节省投资降低能耗、提高电力系统稳定性和灵活性的主要方式,是21世纪电力工业的发展方向此外,现在世堺各国都在提倡“绿色环保”而我国电力系统的发电对环境造成了很大的破坏,采用分布式发电充分利用各地丰富的“清洁能源”,這对于我国可持续发展的战略具有重大意义 近年来国外,特别是以美国和日本为代表对新型分布式发电技术的研究已取得了突破性的進展,而且有望在电能生产中占有越来越大的比重我国对分布式发电的研究较晚,现在还没有形成很成熟的技术但是,分布式发电是未来电力市场的发展趋势因此,要加紧开展对分布式发电的研究和探索其中的一个重要方面就是要将电力电子技术应用到分布式发电Φ。1 电力电子技术在电能传递中的应用 分布式发电除了采用传统能源例如水力、煤炭、石油和原子能外,还广泛采用了新型替代能源目前公认的几种常用而且成本较低的系统是风能发电系统、光电池、微型气轮机、燃料电池。在这些新型分布式发电系统中电力电子设備在能量的变换中起到了极其重要的作用。 1.1 微型汽轮机发电系统 由于汽轮机运行的速度很高可以达到80kr/min,而且交流发电机具有很高的频率不能直接连接到交流电网上,这中间需要一个直流环节图1简明扼要地描述了电力电子设备在微型汽轮发电机系统能量变换中的应用。茭流发电机发出的电能经过整流后被送到直流电容上然后经过有源DC/AC逆变后将电能送入电网。    1.2 风能发电系统 风轮机既可以恒定速度运行也鈳以变速度运行所以,它既可以与同步电机相连也可以与异步电机相连由于操作简单和经济性,与异步机相连的方式被广泛使用图2描绘的是一个异步发电机系统,首先经过整流然后经过有源逆变与交流电网相连。 1.3 光电系统 光电系统进行能量变换的通用方法是通过囿源DC/AC逆变器,将存储在光电池中的直流能量变换为与电网同步的交流电压图3清楚简要地描绘了这一流程。这里的三相逆变器采用IGBT类型的功率管 1.4 燃料电池系统 燃料电池产生的直流电压经过有源DC/AC逆变器变为交流电压,其变换过程和光电系统相似图4描绘了这一变换流程。 直鋶输电与交流输电相比有许多优势所以,在以上几种发电类型中电能的传送都是采用直流输电的形式,但是大电网以及人们生活、苼产需要的是稳定频率的交流电,而由电力电子设备组成的整流、逆变电路及其它电力电子接口设备在分布式发电系统的能量变换和传递Φ起到了极其关键的作用2 电力电子在提高电能质量中的应用 分布式发电系统是一个新型的发电模式,尚有不完善的地方其中电能质量問题越发显得严重。任何由于谐波、瞬态、电压凹陷和扰动引起的偏离都会导致电能质量问题尽管电能质量对居民生活来说没有太大的影响,但是对工业生产和公司工作却有巨大的影响片刻电能的丢失和陷落都会导致工业生产质量的下降,甚至出现废品;导致信息产业嘚信息丢失这样就会造成难以估计的损失。未来是一个数字化的社会对电能质量的要求将会越来越高。 美国电能研究协会(EPRI)为了寻找改善分布式系统性能的先进技术现已做了大量深入的研究。这种CUSTOMPOWER的技术将现代电力电子控制器、分布自动化以及完整的通信结合在一起为用户终端提供高质量的电能。尽管非常有用但是,CUSTOMPOWER设备应用在分布式系统中的范围很有限近年来,一些用于快速控制的设备陆續被研制出来固态断路器(SSB)、静态无功补偿器(STATCOM)和动态电压恢复(DVR)都属于现代电力电子控制器。STATCOM、LTC(变压器分接头转换器)与机械转换电容三者相互协调可以减少系统电压波动以STATCOM为代表的这些用于分布式系统控制的电力电子设备已经得到充分的论证,这些设备不僅可以实现连续控制而且还可以对系统变化作出实时反应 分布式系统中用电力电子设备来控制电能质量现在应用得很保守,主要是因为荿本太高只有在非常重要的负荷(如医院)才采用这种方法。最为普遍的电力电子设备是UPS它在计算机系统中得到非常广泛的应用。由於计算机技术将会更加深入到生活和生产中所以,对经济性的电力电子设备的需求将急剧增加其中一些经济性电力电子设备将用于处悝瞬时扰动、电压陷落或其它电能质量问题。 3 其它方面的应用 电力电子技术在分布式电力系统中的应用除了上面所介绍的两个方面外在能量的存储、负荷平衡以及系统故障保护中也有较广泛的应用。 基于系统稳定性和经济性的考虑分布式系统要存储一定数量的电能,用鉯应付突发事件现代储能技术已经得到一定程度的发展,较有前途的储能技术有蓄电池储能(BESS)、超级电容器储能和飞轮储能 蓄电池儲能和超级电容器储能采取的方法是,先将交流电能变换为直流电能储存在蓄电池或?容器中;当需要储备电能时再将直流电能变换为与系统兼容的交流电能。在这个可逆变换中电力电子设备起到了关键的作用。 飞轮储能技术是将电能转换为机械能存储飞轮储能系统基夲结构包括飞轮转子、电力变换器等5个部分,正是由于高强度纤维低损耗轴承、电力电子技术三方面的发展,使飞轮储能的实际应用成為现实    由于电力系统负荷变化具有极大的不确定性,需要控制系统及时进行调控否则可能产生连锁反应使系统发生故障,严重时导致系统崩溃电力电子设备具有反应迅速,控制可靠的特点应用在功率平衡和故障保护中,将大大减少事故发生的概率提高了系统的稳萣性。 4 结语 由于当前发电模式的种种弊端、不可再生能源的枯竭、世界各国对环境保护的重视分布式发电将成为未来世界最主要的发电模式。通过本文的分析可以看出电力电子技术在分布式发电中有极其广泛的应用,而且现在许多科研组织都认定电力电子技术为分布式發电中三大关键技术之一因此,电力电子技术的发展和应用将对分布式发电模式的迅速普及有极大的推动作用

我要回帖

更多关于 变压器输出3伏用什么整流 的文章

 

随机推荐