風力發(fā)電機組變頻控制系統(tǒng)的設計5

1、煙臺工程職業(yè)技術學院畢業(yè)論文目錄目錄I設計總說明IVGeneral description of designVI第一章 緒論11.1 風力發(fā)電的應用現狀及前景展望11.1.1 風力發(fā)電的應用現狀11.1.2 風力發(fā)電的前景展望11.2 風力發(fā)電技術概況21.2.1 風能資源的評估與預測21.2.2 風力發(fā)電裝備制造技術21.3 風力發(fā)電機的分類和主要特點31.3.1 定槳距風力發(fā)電機組及其特點31.3.2 變槳距風力發(fā)電機組及其特點31.3.3 變速風力發(fā)電機組及其特點31.4 風力發(fā)電機的并網方式41.4.1 直接并網41.4.2 雙饋并網51.4.3 直驅并網51.5 直驅并網風機變流器

2、的主要形式61.5.1 二極管整流+晶閘管有源逆變。61.5.2 晶閘管整流+晶閘管有源逆變61.5.3 二極管整流 +B005T升壓+IGBT逆變71.5.4 雙PWM型變流電路71.5.5.不控整流+Z源逆變型81.6 設計的主要內容81.7 本章小結9第二章 主電路設計102.1 主電路原理102.1.1主電路工作原理102.1.2 基本數量關系112.1.3逆變顛覆及其防止122.1.4 換流重疊現象132.2 控制系統(tǒng)概述142.3 大功率晶閘管有源逆變器的硬件組成152.3.1 有源逆變器的系統(tǒng)構成152.3.2 三相晶閘管逆變觸發(fā)162.4 主電路設計162.4.1 主變壓器參數

3、的計算162.4.2晶閘管參數的計算172.4.3瞬態(tài)抑制電路參數計算182.4.4 快速熔斷器的參數選擇192.5 本章小結20第三章 控制系統(tǒng)的實現203.1 控制系統(tǒng)設計3.1.1 控制系統(tǒng)功能描述203.1.2 PLC S7-200特性簡介203.2 控制系統(tǒng)硬件設計3.2.1 控制系統(tǒng)硬件結構原理及設計213.2.2 控制系統(tǒng)結構圖3.2.3 主電路233.2.4晶閘管通用觸發(fā)電路 CA6100243.2.5主電路的信號檢測253.2.6電流不平衡檢測保護273.3 控制系統(tǒng)軟件設計3.3.1 主程序3.3.2硬件中斷程序323.3.3 數字濾波323.4 本章小結34第四章 諧波抑

4、制與無功補償354.1 無功及諧波的危害354.1.1 諧波的危害354.1.2 無功功率的影響364.2 有源逆變器的無功及諧波分析364.2.1無功及諧波的分析364.2.2諧波抑制的方法374.2.3 無功補償的方法384.2.4 無功補償電容器和LC濾波器394.3 本章小結40第五章 結論與展望41參考文獻42致謝44附錄A45設計總說明把風的動能轉變成機械動能，再把機械能轉化為電力動能，這就是風力發(fā)電。風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據目前的風車技術，大約是每秒三米的微風速度（微風程度），便可以開始發(fā)電。風力發(fā)電正在世界

5、上形成一股熱潮，因為風力發(fā)電不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染。中國新能源戰(zhàn)略開始把大力發(fā)展風電發(fā)電設為重點。按照國家規(guī)劃，未來15年，全國風力發(fā)電裝機容量將達到2000萬至3000萬千瓦。以每千瓦裝機容量設備投資7000元計算，根據風能世界雜志發(fā)布，未來風電設備市場將高達1400億元至2100億元。發(fā)電發(fā)展到目前階段，其性價比正在形成與煤電、水電的競爭優(yōu)勢。風電的優(yōu)勢在于：能力每增加一倍，成本就下降15%，近幾年世界風電增長一直保持在30%以上。隨著中國風電裝機的國產化和發(fā)電的規(guī)模化，風電成本可望再降。因此風電開始成為越來越多投資者的逐金之地。目前，現存的大功率并網型風力發(fā)電機組正向著

6、直驅化發(fā)展。由于直驅式風力發(fā)電機組的變頻系統(tǒng)要求全功率通過的變頻器，因此變頻器需要超大功率等級的開關管，又因為風力發(fā)電機的工作環(huán)境相當惡劣，雷擊事件時有發(fā)生，故要求的更高功率等級的主開關管。在這種等級下變流器的主流開關管IGBT只能國外引進受制于人。大功率晶閘管完全能夠本土化生產成本低。為了提高風力發(fā)電機制造的本土化比例，提高風力發(fā)電機并網逆變器的性價比，本設計提出了一種基于7-300PCL的應用在風力發(fā)電機并網的晶閘管有源逆變器。本設計首先在緒論中簡要的談了下風力發(fā)電技術的應用現狀及前景展望，并介紹了定槳距，變槳距和變速三種風力發(fā)電機組的特點和三種不同的并網方式。接著在第二章中對用IGBT和

7、SCR為主開關管逆變器在結構、性能以及優(yōu)缺點進行了比較，并確定了以晶閘管有源逆變電路作為主電路以及各元器件參數進行了設計。然后在第三章設計了控制系統(tǒng)硬件電路中的主控芯片電路、D/A轉換及其與PLC的光電接口電路和晶閘管驅動電路 CA6100以及在并網逆變器輸出側并聯濾波器，使送入電網的交流電能滿足電網要求。第四章中本設計就晶閘管逆變器的諧波和無功問題做出了簡要的分析，并提出了諧波和無功的補償辦法。并在文章對基于PLC控制系統(tǒng)畫出了主要軟件流程圖。最后附上了本設計的電路原理圖，可作為今后實際裝置開發(fā)的參考。在最后并附上了本設計的主電路原理圖和控制系統(tǒng)的電路原理圖關鍵字：風力發(fā)電機；變頻控制；晶閘

8、管；PLC1 緒論設計直接針對新能源課題中的MW級變速恒頻風力發(fā)電機組電控系統(tǒng)的研制這一研究項目，力爭為在變速變頻風力發(fā)電機系統(tǒng)的國產化過程中出自己一份力，為我國相對落后的風力發(fā)電事業(yè)做出貢獻，所以設計以實用技術的研究和分析為主導，同時也做了一些大膽的嘗試和創(chuàng)新。1.1 風力發(fā)電的應用現狀及前景展望1.1.1 風力發(fā)電的應用現狀自20世紀70年代初第一次世界石油危機以來，能源日趨緊張，各國相繼制定法律，以促進用可再生能源來代替高污染的能源。從世界各國可再生能源的利用與發(fā)展趨勢看，風能、太陽能和生物質能發(fā)展速度最快，產業(yè)前景也最好。風力發(fā)電在可再生能源發(fā)電技術中成本最接近于常規(guī)能源，因而也成為產

9、業(yè)化發(fā)展最快的清潔能源。自1990年以來，世界風力發(fā)電得到了飛速發(fā)展，風力發(fā)電裝機容量幾乎每3年翻一番，到2002年底世界風力發(fā)電總裝機容量已超過31000MW。根據全球風能顧問委員會通報，2004年世界風力發(fā)電量提高20%，達到47317兆瓦。歐盟各成員國名列榜首，占總數的72%，北美位居第二，其次是亞洲。最近十年，我國風力發(fā)電也同樣發(fā)展非常迅速，從1990年的不足4.1MW迅速發(fā)展到2005年的1800MW。風力發(fā)電的利用方式主要有2類，一類是獨立運行供電系統(tǒng)，單機容量一般在100w-10kw，另一類是作為常規(guī)電網電源，商業(yè)化機組單機容量為150-1650kw，大中型風力發(fā)電機組并網發(fā)電是

10、大規(guī)模利用風能最經濟的方式，己經成為世界風能利用的主要形式。目前國外數百千瓦級的大型風電機組己經商品化，兆瓦級的風力發(fā)電機組也即將商品化。當前，全世界風電裝機總容量已超過1000萬千瓦，單位千瓦造價為1000美元，發(fā)電成本為5美分/千瓦時，已經接近火力發(fā)電的成本。隨著并網機組需求持續(xù)增長，生產量上升，機組更新換代，單機容量提高，機組性能優(yōu)化，故障降低，生產成本將會越來越低，風電必將具備與常規(guī)能源競爭的能力。1.1.2 風力發(fā)電的前景展望國際上由于風電能在減排溫室氣體方面發(fā)揮的作用，所以得到各國政府的鼓勵，發(fā)展非常迅速。目前每年增加200多萬千瓦裝機容量，技術進步和規(guī)模的擴大使發(fā)電成本繼續(xù)下降，

11、估計10年后完全可與清潔的燃煤電廠競爭，成為可持續(xù)發(fā)展的能源結構中重要組成部分。歐盟國家風電發(fā)展目標是2000年達到800萬千瓦(實際上1999已超過900萬千瓦)，2010年達到4000萬千瓦，2020年達到l億千瓦，屆時風電的比例將超過10%。我國有著豐富的風能資源。“世界能源理事會”1994年風能評估報告指出，中國理論風力資源潛力是17，000TWh/年。在現階段，我國風電成本一般為0.450.70元/千瓦時，仍需國家政策給予扶持。但是隨著對能源需求的增加和環(huán)保法規(guī)執(zhí)法力度的不斷加大，隨著風電技術作為一門不斷發(fā)展和完善中的多學科的高新技術，通過技術創(chuàng)新，提高單機容量，改進結構設計和制造工

12、藝，以及減輕部件重量，降低造價，風力發(fā)電的優(yōu)勢和經濟性必將日益顯現出來。考慮各種制約因素，按當前實施的政策預計2005年風電裝機可達150萬千瓦。到2010年累積總裝機約300500萬千瓦。到2030年累積總裝機約8000萬千瓦；2050年累積總裝機約2億千瓦。1.2 風力發(fā)電技術概況風力發(fā)電技術主要分為風能資源評估與預測、風力發(fā)電裝備制造技術、風電機組測試、近海風電技術、風電對公共電網的影響等幾個方面。1.2.1 風能資源的評估與預測國外己對風能資源的測試與評估開發(fā)出很多先進的測試設備和評估軟件，在風電場選址，特別是微觀選址方面已經開發(fā)了商業(yè)化的軟件。如丹麥RIS中國家研究實驗室開發(fā)的用于風

13、電場微觀選址的資源分析工具軟件WASP；美國TrueWindSolutions公司開發(fā)的MesoMap和SiteWind風能資源評估系統(tǒng)等。在風電機組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設計上也開發(fā)出了成熟軟件。國外還對風力機和風電場的短期及長期發(fā)電預測做了很多研究，精確度可達90%以上。1.2.2 風力發(fā)電裝備制造技術(l)單機容量繼續(xù)穩(wěn)步上升。20世紀S0年代生產的舊式機組單機容量僅為20kW60kW，而今天在風電市場上銷售的商業(yè)化機組容量一般為600kw2,500kw。目前單機容量最大的風電機組是由德國Repower公司生產的，容量為5MW，安裝在 120m高的塔架上。(2)大型風電機組的典型結構。目

14、前大型水平軸風力機主要有定槳距失速型和變速變槳距型。對變速變槳距型風電機組，從風輪到發(fā)電機的驅動方式又可分為3種：一種是通過多級增速箱驅動雙饋異步發(fā)電機，簡稱為雙饋式。第二種是風輪直接驅動多極同步發(fā)電機，簡稱為直驅式(或無齒輪箱式)。第三種是單級增速裝置加多極同步發(fā)電機技術，簡稱為混合式。(3)大型風電機組的功率調節(jié)方式。大型風電機組的功率調節(jié)方式主要有失速調節(jié)和變槳距調節(jié)兩種。兩種控制方式各有利弊，各自適應不同的運行環(huán)境和運行要求。從目前市場情況看，變槳距調節(jié)方式將逐漸取代失速調節(jié)方式。(4)大型風電機組的運行控制方式。目前市場上的失速型風電機組一般采用雙繞組結構(4極/6極)的異步發(fā)電機，

15、雙速運行。變速運行的風電機組一般采用雙饋異步發(fā)電機或多極同步發(fā)電機。1.3 風力發(fā)電機的分類和主要特點風力發(fā)電機組經歷了由定槳距到變槳距最后到變速的不斷升級換代的發(fā)展過程。1.3.1 定槳距風力發(fā)電機組及其特點20世紀80年代中期開始進入風力發(fā)電市場的定槳距風力發(fā)電機組，主要解決了風力發(fā)電機組的并網和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網技術、空氣動力剎車技術、偏航與自動解纜技術，這些都是并網運行的風力發(fā)電機組需要解決的最基本的問題。由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制的，槳葉的節(jié)距角在安裝時已經固定，而發(fā)電機的轉速由電網頻率限制。因此，只要在允許的風速范圍內，定槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)在運

16、行過程中對風速變化引起輸出能量的變化不作任何控制的。這就大大簡化了控制技術和相應的伺服傳動技術，使得定槳距風力發(fā)電機組能夠在較短時間內實現商業(yè)化運行。1.3.2 變槳距風力發(fā)電機組及其特點20世紀90年代后，風力發(fā)電機組的可靠性己經不是問題，變距風力發(fā)電機組開始進入風力發(fā)電市場。采用全槳變距的風力發(fā)電機組，起動時可以對轉速進行控制，并網后可對功率進行控制，使風力機的起動性能和功率輸出特性都有顯著改善。風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)不再是簡單的執(zhí)行機構，作為變距系統(tǒng)，它自身己組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了液壓比例閥或電液伺服閥，使控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。1.3.3 變速風力發(fā)電機組及其特點由于變距風

17、力發(fā)電機組在額定風速以下運行時的效果仍不理想，到了20世紀90年代中期，基于變距技術的各種變速風力發(fā)電機組開始進入風電場。變速風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)與定速風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)的根本區(qū)別在于，變速風力發(fā)電機組是把風速信號作為控制系統(tǒng)的輸入變量來進行轉速和功率控制的。變速風力發(fā)電機組的主要特點是:低于額定風速時，它能跟蹤最佳功率曲線，使風力發(fā)電機組具有最高的風能轉化效率;高于額定風速時，它增加了傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加穩(wěn)定，特別是解決了高次諧波與功率因數等問題后，達到了高效率、高質量地向電網提供電能的目的?？梢哉f，風力發(fā)電機組的控制技術從機組的定槳距恒速運行發(fā)展到基于變距技術的變速運行，己

18、經基本實現了風力發(fā)電機組從能夠向電網提供電能到理想地向電網提供電能的最終目標。1.4 風力發(fā)電機的并網方式1.4.1 直接并網風力發(fā)電機技術，從最初的小功率同步發(fā)電機，到上世紀八十年代的大型風電機所采用的使用升速齒輪箱的定速型鼠籠發(fā)電機的異步發(fā)電機技術都屬于直接并網方式。異步發(fā)電機技術將鼠籠發(fā)電機直接并網。由于尾流的變化，所以需要轉子轉速隨發(fā)電機發(fā)出的功率而變化，而風輪的轉速變化很小，大約只有1-2%，所以這種風力機常稱作恒速或定速風力機。這種風力機通常通過改變發(fā)電機定子繞組的極對數而以兩種速度運行。鼠籠式發(fā)電機通常要消耗無功功率，所以一般用電容器來部分或全部補償其無功消耗，使其功率因數接近于

19、1。它的優(yōu)點是鼠籠發(fā)電機結構簡單、維護方便、價格便宜，并網容易，采用齒輪箱提高風輪機的轉速，配合體輕價廉的高速鼠籠發(fā)電機，具有比較高的性價比。由于技術簡單、經濟性高，該機種從上世紀末至今，獲得了許多國家廣泛的應用，目前我國己建成運行中的大型風電機，絕大多數屬于這一技術類型。它的結構如圖1-l所示。圖l-l 直接并網結構圖但是定速型鼠籠發(fā)電機的缺點也很明顯。首先，定速型風機在不同的風速下難以獲得合適的葉尖速，導致截獲風能的效率降低;其次，齒輪箱在風況和環(huán)境變化中承受變荷沖擊、懸殊溫差，工況嚴酷，維修保養(yǎng)的成本很高，成為風力發(fā)電機組中的軟肋環(huán)節(jié);第三，鼠籠發(fā)電機的效率不高，轉差功率無法利用，轉差率

20、稍高就嚴重發(fā)熱，同時還必須從電網中吸收勵磁功率，功率因數低。1.4.2 雙饋并網針對定速型鼠籠發(fā)電機的缺點，變速雙饋風力發(fā)電機的技術方案開始采用。變速雙饋風力發(fā)電機，同樣屬于異步發(fā)電機。變速雙饋風力發(fā)電機與定速型鼠籠發(fā)電機相同的是，發(fā)電機定子都直接并網，能將大部分電能輸入電網，同時從電網吸收勵磁功率；不同的是，雙饋電機的轉子側通過功率變換器(一般為雙PWM交直交型變換器)連接到電網。該功率變換器的容量僅為電機容量的1/3，并且能量可以雙向流動。隨著風電機轉速的變化，雙饋機轉子繞組能將轉子所產生的轉差功率，通過變頻器轉化為工頻電流，回輸到電網，同時這部分工頻電流也可以調節(jié)功率因數，從而使機組的總

21、的功率因數得到改善。目前美國GE能源、德國Fuhrl&auminder等公司的很多風力發(fā)電機產品，采用變速雙饋風力發(fā)電的技術方案。它的結構圖如圖1-2所示。圖1-2 雙饋并網結構圖1.4.3 直驅并網以德國Enercon公司為首的風電機制造商，著力去掉齒輪箱，推出無齒輪箱變速永磁風力發(fā)電機。永磁風力發(fā)電機是一種同步發(fā)電機，與大電網中的發(fā)電機屬同一類型，所不同的是，它用永磁體替代普通發(fā)電機的勵磁，省去電刷滑環(huán)，結構簡單可靠，同時也節(jié)約了勵磁功率，提高了發(fā)電機效率。隨著風電機轉速的變化，永磁風力發(fā)電機所發(fā)出的電的頻率也是不斷變化的。所以這類風機的定子必須通過一臺全功率的變頻器連接到電網。變頻器，將

22、這些頻率不斷變化電能改變?yōu)楹泐l恒壓的交流電，輸入電網。直驅并網的結構如圖1-3所示。圖l-3 直驅并網結構圖目前先進的風力發(fā)電機產品中的典型技術方案，不外乎變速雙饋異步風力發(fā)電機和無齒輪箱變速永磁同步風力發(fā)電機二種，二者各有優(yōu)劣。變速雙饋異步風力發(fā)電機的變頻器，功率約為機組功率的四分之一至三分之一，機組的總價格較低，但是存在齒輪箱，其維護保養(yǎng)費用遠高于無齒輪箱變速永磁同步風力發(fā)電機。直驅式風力機具有傳動鏈能量損失小、維護費用低、可靠性好等優(yōu)點。1.5 直驅并網風機變流器的主要形式直驅并網型風力發(fā)電機中變流電路存在很多不同的電路拓撲結構，有一下幾種：1.5.1 二極管整流+晶閘管有源逆變。其優(yōu)點

23、簡單可靠，開關主器件完全能夠國產化，大大降低了風機的成本。缺點：發(fā)電機功率因數低，在發(fā)電機輸出電壓低于電網電壓(低風速)時無法將能量饋入電網。其結構如1-4所示。圖1-4 二極管整流+晶閘管有源逆變電路1.5.2 晶閘管整流+晶閘管有源逆變優(yōu)點：可控整流，有效保護直流側過載，缺點:與不可控整流一樣，在發(fā)電機輸出電壓低于電網電壓(低風速)時無法將能量饋入電網。但開關主器件完全能夠國產化，大大降低了風機的成本。其結構如1-5所示。圖1-5 晶閘管整流+晶閘管有源逆變電路1.5.3 二極管整流 +B005T升壓+IGBT逆變優(yōu)點：因為具有升壓斬波環(huán)節(jié)，對發(fā)電機輸出電壓不作要求，從而拓寬了風機的工作范

24、圍;整流橋采用二極管不控整流，因此，成本相對比較低，在大功率的時候更加明顯。缺點：發(fā)電機相對損耗較大;電感、電容尺寸較大，升壓管承受高壓。其結構如1-6所示。圖1-6 不控整流+升壓斬波+PWM逆變變流電路1.5.4 雙PWM型變流電路該電路即整流部分采用PWM三相橋整流，逆變部分采用PWM三相橋逆變。電路拓撲結構如圖1-7所示。圖1- 7 PWM整流+PWM逆變電路該電路優(yōu)點：能夠與大阻抗的同步發(fā)電機相聯接;與二極管不控整流相比，輸入電流為正弦波，減少了發(fā)電機的銅耗和鐵耗;可調節(jié)發(fā)電機功率因數為l。但是該電路結構要求低速永磁同步發(fā)電機在運行過程中都能發(fā)出電壓高于并網電壓的交流電，限制了其在低

25、風速時的應用。另外，該結構要求有兩個與發(fā)電機功率相當的可控橋，當發(fā)電機功率較大時，成本增加顯著。1.5.5 不控整流+Z源逆變型源逆變是新近提出的一種新型逆變器結構，其電路結構如圖1-8所示。圖1-8 不控整流+Z源逆變型變流電路它不同于傳統(tǒng)意義上的電壓源和電流源逆變器，有著其獨特的優(yōu)點：Z源變換器的電源既可為電壓源，也可為電流源，其主電路既可為傳統(tǒng)的電壓源結構，也可為傳統(tǒng)的電流源結構；Z源變換器的負載可為電感性或電容性；最重要的是Z源逆變器是一種升/降壓型逆變器，因此對于低風速時，發(fā)電機發(fā)出低電壓的情況下也適用，相比前面類型省去了中間升壓斬波環(huán)節(jié)；Z源逆變器允許上下橋臂直通，沒有傳統(tǒng)意義上的

26、逆變器因為電磁干擾而導致直通損壞器件的風險。雖然Z源逆變器有上述諸多優(yōu)點，但是其控制較復雜，特別是大功率應用實例幾乎沒有。1.6 設計的主要內容1.本設計對直驅式永磁同步風力發(fā)電機的變流系統(tǒng)做了全面的研究，以及對幾種常見變流器類型做出了優(yōu)缺點分析。2.為推動大功率風機的國產化，本設計大膽的嘗試用晶閘管做變流器的主開關管，并給出了變流器拓撲電路。3.針對晶閘管變流器所帶來的無功和諧波大的缺點本設計給出了詳細的無功補償和諧波分析的方法和內容。4.作者嘗試性的做出了試驗樣機的硬件電路搭建和全數字式控制板，以及全軟件的編程調試等工作，并給出了試驗波形。1.7 本章小結本章主要分析了風力發(fā)電的現狀，前沿

27、技術的概況，以及當前風機變頻裝置主要形式的優(yōu)缺點和發(fā)展方向，最后闡述了本設計的主要工作。本設計意義在于加速風機制造的國產化進程。本設計提出的晶閘管整流十晶閘管有源逆變變流電路的拓撲結構，經過理論分析和試驗驗證，其在性能基本不變的情況下大幅度地降低了風機變流器的成本，提高了風機國產化的比重。由于作者水平和試驗條件有限，也只能做到拋磚引玉的作用，望同仁能更加完善這個浩大的工程。2 主電路設計2.1 主電路原理變速風力發(fā)電機是現今最先進的一種風力發(fā)電機組類型。它已成為風力發(fā)電機組的主流。變速發(fā)電機所具有的諸如低風速時自動跟蹤最大功率和高風速時可緩沖風機受到的機械沖擊等特點，主要是通過其具有良好性能的

28、變流電路及其控制方法而得以實現的。變速風力發(fā)電機中的變流電路種類繁多，其電路結構多種多樣，但是其實現的功能和目標都是一樣的，那就是如何將變壓變頻的交流電轉換為與電網同頻同相，能與電網實現柔性連接的交流電。由于其是將一定幅值和頻率的交流電轉換為另一幅值和頻率的交流電，因此，有交交變流和交直交變流電路兩種結構。但是交交變流電路諸如周波變換器要求輸入電壓(發(fā)電機輸出電壓)頻率低于1/3輸出電壓(并網電壓)50Hz頻率，這樣就要求發(fā)電機工作的頻率低于16Hz，但是發(fā)電機最優(yōu)工作頻率很難達到16Hz，另外周波變換器采用的是晶閘管，需要的數量也較多，因此，交交變流電路很少在變速風力發(fā)電機中使用，主要用交直

29、交變流電路。本章主要就晶閘管整流十晶閘管有源逆變變流電路結構拓撲進行分析和研究。2.1.1主電路工作原理本設計中風力發(fā)電機的變頻系統(tǒng)采用三相橋式晶閘管可控整流，把風機交流發(fā)電機發(fā)出的幅值不固定、頻率不固定的交流電轉化為直流，由經支撐電容器的濾波轉化成直流電壓，經平波電感平流和限流后，再由三相橋式電路的晶閘管有源逆變器轉化為與電網側電壓頻率一致的交流電，經過一個升壓變壓器并到網上。下面是本設計系統(tǒng)主電路拓撲圖：圖2-1 主電路原理圖如圖2-1中，發(fā)電機使用的是永磁同步發(fā)電機，采用三相橋式全控整流電路對其進行6脈波整流，每個管子輪流導通120度，輸出直流每周期脈動6次，最低次諧波頻率為發(fā)電機頻率的

30、6倍，平均直流電壓在輸出端串上電感進行穩(wěn)壓，減小直流脈動。三相橋式逆變電路即是三相橋式全控整流電路在范圍內(對應)作為有源逆變的運行方式，因此可利用整流電路的分析方法去分析三相逆變電路。圖為逆變器分別工作在和時直流側的電壓波形：圖2-2 工作在和時直流側的電壓波形三相橋式電路工作時，晶閘管成對導通，每個晶閘管導通角度，每隔換流一次，元件按V1-V2-V3-V4-VS-V6順序依次導通。平波電抗器L的電感量如果足夠大，電流為平滑直流。和整流電路一樣，每個晶閘管觸發(fā)導通前有另一晶閘管正在導通，對于電流型電路，為了確保任何時刻上下兩組晶閘管都有導通器件，有兩種脈沖形式可以滿足要求：一種是采用寬度大于

31、60小于120的寬脈沖觸發(fā)；另一種是在觸發(fā)一個晶閘管時，同時給前一個晶閘管補發(fā)脈沖，即雙窄脈沖觸發(fā)，本設計系統(tǒng)中采用的是用寬脈沖的形式來觸發(fā)晶閘管。2.1.2 基本數量關系根據整流關系推導公式，電路在逆變狀況下直流側電壓為： (2-1)為變壓器次級相電壓有效值，如果直接接至電網，就是三相電網的相電壓。是逆變控制角。設直流輸入電壓為，直流電流的平均值為： (2-2)直流側反饋至電網的有功功率為： (2-3) 將(2-2)和(2-3)式代入后得： (2-4)當主回路結構一定時，改變輸入直流電壓和逆變角就能調節(jié)反饋電網的有功功率。一般情況下，有源逆變器的輸入也是固定的，這時就只能依靠調節(jié)逆變角來調節(jié)

32、反饋功率的大小。反饋功率和逆變角的關系如圖2-3：圖2-3 反饋功率和逆變角聲的關系由圖可知，在調節(jié)逆變角調節(jié)功率時，存在一個最大反饋功率值時的逆變角，從上式也可知該函數為的二次函數，存在最大值。2.1.3逆變顛覆及其防止晶閘管在逆變狀態(tài)下，如果發(fā)生晶閘管觸發(fā)不導通以及交流電源本身原因造成缺相，則逆變時的直流電源可能會通過逆變電路晶閘管形成短路，也可能使直流電源與逆變電路直流側電壓順串短路。由于逆變電路中的限流電阻很小，將造成很大的回路電流，使逆變電路不能正常工作，造成重大事故。這種情況稱為逆變顛覆或逆變失敗。造成逆變顛覆的原因有以下幾種:(1)晶閘管觸發(fā)電路工作不可靠，有脈沖丟失或脈沖延時情

33、況的出現。使得應該導通的晶閘管不能正常導通，致使直流側電壓極性相反，與直流電源順極串聯短路而造成逆變顛覆。(2)觸發(fā)脈沖正常，晶閘管故障。如斷態(tài)重復峰值電壓裕量不夠，正向阻斷期誤導通，造成直流側電源瞬時極性相反，也構成回路極性串聯短路，逆變顛覆。(3)交流電源發(fā)生故障，如缺相、電源突然失電。由于直流輸入電源仍存在，晶閘管仍可以導通，但此時沒有平衡直流電源的交流電壓，反電勢將通過晶閘管短路，造成逆變頗覆。(4)當逆變角較小時，由于換流重疊角的影響，造成晶閘管在關斷時因承受反壓時間不夠而關斷失敗，從而導致逆變顛覆。為了防止逆變顛覆，在晶閘管相移有源逆變器中需要采取必要的措施。如選用高可靠的觸發(fā)電路

34、，正確選用晶閘管元件參數，特別是電壓定額和承受試的能力，以免發(fā)生誤導通或導通失敗。另外一個重要的措施是從逆變角的角度來考慮，必須限制逆變角在一個允許的最小角度內。最小逆變角的選取有三個考慮因素:l)晶閘管的關斷時間tq，以確保流過元件的電流為零后有足夠的時間恢復正向阻斷能力。一般元件的關斷時間tq=200300對應的電角度。2)換流重疊角，隨直流平均電流及換流電抗的增大而增大。一般情況下。3)安全裕量，以考慮觸發(fā)脈沖出現的時間誤差。這樣，最小逆變角，一般取。當逆變電路工作時，必須保證。2.1.4 換流重疊現象圖2-4 考慮換流重疊時流過晶閘管的電流波形和整流電路一樣，實際逆變電路中各晶閘管支路

35、總存在有各種電感，主要是變壓器的漏感及線路的一些雜散電感。這些雜散電感總是要抑止電流的快速變化，使得實際逆變電路中晶閘管的換流不能瞬時完成。即導通元件中的電流不是由零瞬時增大到Id。關斷元件中的電流也不是由Id瞬時下降為零，而完成這些過程需要一定的時間。這樣，流經每個晶閘管的電流波形將為梯形波，如圖2-4所示。在換流所需的這段時間內，正在導通的管子電流在增長，而正在關斷的管子電流在減小，兩管同時處于導通狀態(tài)，故稱換流重疊現象。兩個晶閘管同時導通的換流重疊時間折算成電角度稱為換流重疊角。與三相橋式整流電路一樣，換流重疊角的計算公式為： (2-5)為電網相電壓； 為直流側電流；為電網側電感量為，的

36、變壓器每相折算到次級繞組的漏感，。與整流電路不同的是逆變過程的換流重疊現象將使直流側電壓Ud波形增加一塊面積，造成直流平均電壓Ud略有提高。計及換流重疊現象后，三相橋式逆變電路的直流平均電壓為 (2-6)換流重疊角現象的存在對于逆變運行可能帶來不良后果。如果逆變角小于換流重疊角，則當經過自然換流點后，該截止的晶閘管仍繼續(xù)導通，從而使改變極性造成回路順串短路，出現逆變顛覆。2.2 控制系統(tǒng)概述對于任何控制系統(tǒng)來說都有三個基本要求：穩(wěn)、準、快。為了滿足系統(tǒng)無超調、抗擾動能力強，實時性、快速響應性好的要求，控制系統(tǒng)框圖包括電壓電流采樣單元、晶閘管觸發(fā)包路、信號調理電路、低通濾波器。系統(tǒng)啟動后電壓、電

37、流檢測單元對主電路直流電壓、交流電流信號進行隔離、信號調理電路，經CA6100觸發(fā)電路轉化為三相晶閘管的導通角在5175范圍內可調，由隔離、驅動放大電路對晶閘管進行觸發(fā)動作，從而實現對系統(tǒng)進行穩(wěn)定的控制?？刂齐娐分饕强刂凭чl管逆變器的逆變角，來調節(jié)直流母線上的電壓值使其穩(wěn)定，將逆變器直流側反饋電壓與給定電壓信號進行比較，當母線電壓高于給定值時增大逆變角，使并網電流增大，迫使母線電壓降低，反之當母線電壓低于給定值時減小逆變角，使電壓升高，從而達到母線電壓穩(wěn)定在給定值，控制方法是用增量式數字PID控制。而整流部分主要是控制母線電壓不過載，即當風速過大時發(fā)電機發(fā)出的電壓會過大，這時要增大整流器的整

38、流角，使其輸出的母線電壓下降達到防止母線電壓過載的問題。整流器的控制：將直流側電壓取樣反饋，通過ADC變換器得到數字值與給定參考電壓比較，比較誤差作為電壓控制器的輸入，只有當電壓值大于母線過載申壓時整流器才動作，這是電壓控制的基本結構。電壓控制器的調節(jié)算法，還是以數字PID控制，取得了較好的效果。逆變器的控制：在數字PID控制系統(tǒng)中，母線電壓給定值通過計算求出，同時檢測母線電壓的反饋值，給定值與反饋值比較的結果決定DAC輸出的電壓信號通過晶閘管驅動電路控制3相逆變橋的逆變角的大小，從而達到對母線電壓的直接控制且使其跟蹤電壓給定值。具體控制系統(tǒng)的實現要在第三章給出。2.3 大功率晶閘管有源逆變器

39、的硬件組成在以上理論基礎上，設計了一臺80kW晶閘管有源逆變器。控制方式采用增量式數字PID調節(jié)器，這一節(jié)將主要介紹研制情況。2.3.1 有源逆變器的系統(tǒng)構成整個系統(tǒng)由整流部分、逆變部分、信號檢測、脈沖觸發(fā)、系統(tǒng)控制等幾個部分組成。如圖2-5所示。圖2-5 晶閘管有源逆變系統(tǒng)框圖整流部分是對于輸入電源的形式進行轉換，得到逆變需要的直流形式。由六個大功率整流晶閘管組成三相橋式可控整流，如圖2-6所示。圖2-6 三相橋式可控整流電路逆變部分是整個系統(tǒng)的核心，它實現電能的變換，并使能量回饋至電網。其工作原理已在上節(jié)中講述。平波電抗器L的作用十分重要。它能使直流輸出的電流更加平直，是電路中不可缺少的儲

40、能元件。另外對于輸入電源的整流環(huán)節(jié)也是個濾波作用，在電抗器的電感量足夠大的情況下，保證回路電流的平直。平波電抗器的另一個重要作用是當逆變橋短路時，可以起到一個限流保護的作用，由于大電感的作用可以限制電流過大，從而得到足夠的保護時間。濾波電容器的作用主要是濾波，使輸出的直流電壓平直。2.3.2 三相晶閘管逆變觸發(fā)晶閘管的導通和截止能否正常工作是整個系統(tǒng)實現的基礎。晶閘管由阻斷轉為導通必需同時具備兩個條件:一是晶閘管陽極電位高于陰極電位。二是門極與陰極之間必須有合適的控制電壓。但晶閘管一旦導通，控制信號就不起作用了，所以一般是靠電網的負電壓來關斷晶閘管，即在換向時晶閘管的陰極電壓高于陽極電壓形成反

41、向抽流，使晶閘管中電流低于導通的維持電流而關斷，不需要外加電路也就是常說的自然關斷。在三相逆變電路中，為了能夠正常工作且具有調節(jié)功能，對于觸發(fā)電路有以下要求：觸發(fā)脈沖應與交流電源同步；觸發(fā)脈沖的相位應能調節(jié)，并且其調節(jié)范圍滿足一定要求；觸發(fā)脈沖的參數合乎要求。本系統(tǒng)采用 CA6100專用晶閘管觸發(fā)裝置，經改進調整，使其在給定電壓信號下，輸出60寬脈沖束。整流觸發(fā)角限定在，即逆變角在，有效防止逆變顛覆。2.4 主電路設計2.4.1 主變壓器參數的計算主變壓器在電路中起著重要作用。首先，發(fā)電機的額定電壓與電網電壓不一致，變壓器可以起到變換電壓的作用。其次，由于變壓器具有一定的內阻抗，能減弱網側電路

42、的諧波電流，增強系統(tǒng)的抗干擾能力;同時，為目前新研制出的多相發(fā)電機的并網提供了方便。一也減小了對電網的干擾。再次，由于變壓器的存在，使發(fā)電機與電網之間只有磁的聯系，一旦發(fā)電機部分出現故障，不會波及電網，故障得以隔離。在本設計系統(tǒng)中并網側有源逆變器連接是三相橋式電路，原邊接到電網上，副邊接在逆變器的輸出，所以可以得到原邊電壓為220伏交流，副邊電壓為15伏交流，由于直流母線上電壓為690V，母線上限流電阻為10歐姆，有前面給出的公式可以算出變壓器副邊電流I2=48.5A，變壓器副邊容量：。由于變壓器副邊接有晶閘管逆變器，因此副邊繞組上的電壓是非正弦的，注入變壓器的諧波分量較嚴重。通常，高次諧波會

43、引起變壓器的損耗增加，使得變壓器發(fā)熱量增加，并危及繞組的絕緣。變壓器的諧波損耗分為繞組電阻損耗，其中高次諧波的渦流損耗占絕大部分，而且分布不均，容易導致局部繞組過熱。因此根據經驗，變壓器容量取1.5-2倍的裕量。所以變壓器原邊繞組上的最大電壓為380V，所以原邊電流2.4.2 晶閘管參數的計算1.電壓容量選擇根據分析可知，在正常工作情況下，晶閘管承受的正反向電壓的峰值為主電路中變壓器到相電壓幅值的1.5倍。由前述可知，風力發(fā)電機所聯電網電壓的波動幅度較大。因此電壓安全系數要選取較大的數值。所以 (2-7)取。由于是電網負載，電流波形不再有階躍，即不會出現很高的電流上升率di/dt。但是電流滯后

44、于電壓，待電流降低至小于晶閘管的維持電流而使晶閘管轉人阻斷時，電源電壓己經過零，且達到下一半波的相當幅值。這樣，晶閘管一截止，立即受到電壓上升的階躍沖擊，因此，對晶閘管的電壓上升率指標的要求應相應提高。2.電流容量選擇通過每個晶閘管的電流的有效值I:與線電流I的關系為: (2-8)實際承受的最高等效平均電流為： (2-9)式中，為電流安全系數，一般取。則 (2-10)取。2.4.3 瞬態(tài)抑制電路參數計算為了吸收換流過電壓及電壓上升率，減緩對晶閘管的沖擊。必須加瞬態(tài)抑制電路，如圖2-7所示。圖2-7 品閘管瞬態(tài)抑制電路其中，L為等效電感及線路電感之和，不僅能減小晶閘管開通時電流上升率，而且能抑制

45、其電壓上升率。1.阻容參數的選擇阻容吸收回路主要是利用電容兩端電壓不能突變的特性來吸收尖峰狀的過電壓，保護晶閘管?？紤]到避免在RC電路中產生較大的功率損耗，電容C的數值不宜取得太大，應兼顧過電壓和電壓上升率的抑制。電阻R可以阻尼LC電路的振蕩，防止因振蕩產生過電壓;另外，可以減小電容C的放電電流、從而減小晶閘管的開通損耗。例如本設計系統(tǒng)中情況根據晶閘管的電壓、電流容量、可以得到R、C的經驗值： 電阻的功率： (2-11)式中，f為晶閘管換流頻率，因為晶閘管為三相橋式連接，電源頻率為50Hz，f=100Hz；為電容上電壓最大值，=所以 (2-12)由于實際電路中往往還有其他一些原因引起電阻消耗功

46、率，使其消耗功率加大，所以取。電容耐壓：因為電網電壓波動較大，取。阻容電路吸收過電壓的能力是有限的。當出現雷擊等原因引起電網上產生更高的過電壓，或者過電壓的持續(xù)時間比較長，過電壓仍會超過允許值。因此，在晶閘管兩端再并接壓敏電阻。2.壓敏電阻參數的選擇壓敏電阻正常工作時漏電流小、損耗小，而泄放沖擊電流能力強，抑制過電壓能力強，且對沖擊電壓反應快，得到廣泛應用。壓敏電阻選用時，主要考慮其兩個特性參數：l)標稱電壓應大于電路正常工作時其兩端電壓的峰值。 （2-13）取=750V2)額定通流容量應大于電路工作時實際出現的浪涌電流值，可選取5-10(kA)。2.4.4 快速熔斷器的參數選擇快速熔斷器串聯

47、在三相交流進線中，對主電路中出現的過流起保護作用。1.額定電壓的選擇這一參數是指快速熔斷器在熔絲熔斷后所能承受的電壓有效值。因此，其至少應能夠承受相電壓有效值的1.5?？紤]到開斷時電路中等效電感會產生感應電壓，所以適當提高電壓等級，選取額定電壓為750V。2.額定電流IR的選擇這一參數是指能長期承受的最大電流(有效值)。選取原則：式中，為晶閘管電流安全系數；工為實際工作電流的有效值。因此選取=500A。2.5 本章小結本章主要分析了系統(tǒng)主電路的原理拓撲，數學關系式，控制算法的可行性分析，以及為硬件的設計做好了充分的鋪墊如注意逆變失敗等事項。最后經詳盡的計算得出主電路各個器件的參數。本章可以說是

48、在理論上奠定了堅實的基礎，并對系統(tǒng)的可行性也進行了驗證，接下來就需要根據此類參數進行硬件主電路的搭建，控制電路的設計制版和單片機的軟件編程以及控制板和主電路的調試和波形的分析。3 控制系統(tǒng)的實現3.1.1 變頻器的選擇 隨著變頻器性能價格比的提高，交流變頻調速己應用到許多領域，由于變頻調速的諸多優(yōu)點，使得交流變頻調速得到廣泛應用。其功能較強，使用靈活，但其價格相對較貴。所以我選用了通用變頻器，通過合理的配置、設計和編程，同樣可以達到專用變頻器的控制效果。本設計采用的變頻器是西門子公司面向世界推出的21世紀通用型變頻器MM420。它可實現平穩(wěn)操作和精確控制，使電動機達到理想輸出，這種變頻器不僅考

49、慮了V/f控制，而且還實現了矢量控制，通過其本身的自動調諧功能與無速度傳感器電流矢量控制，很容易得到高起動轉矩與較高的調速范圍。MM420變頻器的特點如下： 1 包括電流矢量控制在內的四種控制方式均實現了標準化。 2 有豐富的內藏與選擇功能。 3 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。4 保護功能完善、維修性能好。5 通過LCD操作裝置，可提高操作性能3.1.2 控制系統(tǒng)功能描述控制系統(tǒng)硬件電路主要包括主電路、控制電路和傳感器及通訊接口，控制系統(tǒng)不僅要實現風力電動機正常運行控制(如自動啟動，停機等)，通過通訊接口監(jiān)測風力電動機運行狀況（如電網參數，溫度等變化情況），而且還需具備安全保護

50、功能?？刂葡到y(tǒng)主要實現正常運行控制，參數監(jiān)測及監(jiān)控以及安全保護及處理三大功能。正常的運行控制包括風力發(fā)電機自動啟動軟并網，大/小發(fā)電機自動切換，發(fā)電機除濕加熱，機組自動對風，液壓系統(tǒng)自動開停，齒輪油泵自動開停，齒輪油加熱器冷卻器啟停，電容補償自動分組以及負功率自動停機。參數監(jiān)測及監(jiān)控包括電網的三相電壓.頻率.發(fā)電機輸出.輸入電流（雙向監(jiān)測），有功功率（雙向監(jiān)測）,無功功率，功率因數，風速，風向，葉輪轉速，發(fā)電機轉速，液壓系統(tǒng)狀況，偏航系統(tǒng)狀況，軟并網等環(huán)節(jié)工作狀況，大/小發(fā)電繞組溫度，發(fā)電機前/后軸承溫度，控制柜溫度，環(huán)境溫度?？刂破鞲鶕鞲衅魈峁┑男盘栕鞒雠袛啵刂骑L機可靠安全運行。與就地操

51、作員面板實現人機交互，可以查詢風力電動機運行狀況，顯示故障狀態(tài)，設置運行參數以及控制操作：手動起/停，復位，手動偏航;同時控制器配置接口進行遠程監(jiān)控通訊，監(jiān)測運行狀態(tài)和故障情況，收集風力電動機運行數據，對風機發(fā)出監(jiān)控指令。安全保護處理系統(tǒng)分三層結構：計算機系統(tǒng)，獨立于計算機的安全鏈保護，器件本身的保護措施。器件本身保護措施主要根據器件本身的特點，采取硬件保護措施，如線圈兩端加RC吸收回路等；計算機系統(tǒng)是對風力電動機運行過程中出現的故障進行檢測。3.1.3 S7-200 PLC 特性簡介S7-200是由西門子生產的可編程控制器，模塊化小型PLC系統(tǒng)，但能滿足中等性能的要求。具有對控制的可靠性和安

52、全性的要求高。可編程控制器（PLC）廣泛用于工業(yè)控制領域，可靠性高，抗干擾能力強，非常合適在惡略的環(huán)境下工作。所以S7-200 PLC具有以下特點：.大范圍的各種功能模塊可以滿足和適應自動控制任務；.簡單實用的分散式結構和多界面網絡能力；.控制靈活，可靠性高，方便用戶；.CPU處理速度快，集成功能強；.控制任務增加時，模塊擴展方便與靈活；3.2 控制系統(tǒng)硬件設計3.2.1 控制系統(tǒng)硬件結構原理及設計 風力發(fā)電機的控制信號主要有開關量輸入信號，開關量輸出型號，模擬量輸入信號（如溫度），頻率信號（如轉速 風速）等。根據風力發(fā)電機的控制要求及被控制號的特點。并利用S7-300的資源，S7-300可編

53、程序控制器配置如下: .PS307電源模板，輸入電壓120/230VAC，提供輸出24VDC電源； .CPU315-20P.64KB工作存儲器，負載存儲器集成96KB RAM，最大可以擴張512KB.MPI接口可以與OP7/DP操作面板進行通訊。PROFIBUS DP接口實現與遠程中央控制室PC機進行通訊； .SM321數字量輸入模塊，16點輸入，24VDC; .SM321數字量輸入模塊，32點輸入，24VDC .SM322數字量輸入模塊，16點輸入，24VDC; .SM331模擬量輸入模塊，8通道隔離輸入； .FM350-2智能型計數模塊，8通道用于計數和測量任務可直接與24V增量編碼器和N

54、AMUR編碼器連接，可實現頻率測量，速度測量，并具有比較功能及對故障的中斷處理； .CP通訊處理器模塊，RS485接口，可以實現PPI通訊，與電量變送器進行通訊，實現電網參數（包括三相電壓，三相電流，有功功率，無功功率，頻率，功率因數等）的檢測； .OP7/DP鍵盤顯示及操作面板，液晶顯示器4行20列，一個RS232通信接口，可與PLC/計算機/打印機連接。一個RS485接口，可與PLC或計算機連接，128K字節(jié)，8個功能鍵(F1-F4,K1-K4)均能被組態(tài)，完成不同的控制任務；3.2.2 控制系統(tǒng)結構圖3.2.3 主電路主電路是風力發(fā)電機的主配電系統(tǒng)主要完成發(fā)電機與電網包括無功功率補償裝置

55、，軟并網控制裝置各執(zhí)行機構（如電動機，電磁閥等）與控制回路的連接。當中心控制器PLC發(fā)出控制指令時，由主電路將發(fā)電機中的各執(zhí)行機構連接為強電控制回路并提供電源，電源等級較多（如交流90V.400V.220V.24V.直流4V）同時將反饋信號送到中心控制PLC對接觸器，電動機，供電電源等執(zhí)行機構進行狀態(tài)監(jiān)測。3.2.4 晶閘管通用觸發(fā)電路 CA6100為了保證三相橋式晶閘管主電路的正常工作，晶閘管的觸發(fā)電路應滿足下列要求：(l)在三相電路中，必需上下橋臂至少要有一相晶閘管導通，否則不能構成電流的通路。(2)為了保證電路起始工作時兩個晶閘管能夠同時導通，并且在并網時控制角較大時，仍能保證不同相的上下橋臂兩個晶閘管同時導通，本系統(tǒng)采用寬脈沖(6