風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5

1、煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文目錄目錄I設(shè)計(jì)總說明IVGeneral description of designVI第一章 緒論11.1 風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望11.1.1 風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀11.1.2 風(fēng)力發(fā)電的前景展望11.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概況21.2.1 風(fēng)能資源的評(píng)估與預(yù)測21.2.2 風(fēng)力發(fā)電裝備制造技術(shù)21.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類和主要特點(diǎn)31.3.1 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其特點(diǎn)31.3.2 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其特點(diǎn)31.3.3 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其特點(diǎn)31.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式41.4.1 直接并網(wǎng)41.4.2 雙饋并網(wǎng)51.4.3 直驅(qū)并網(wǎng)51.5 直驅(qū)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)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(shè)計(jì)的主要內(nèi)容81.7 本章小結(jié)9第二章 主電路設(shè)計(jì)102.1 主電路原理102.1.1主電路工作原理102.1.2 基本數(shù)量關(guān)系112.1.3逆變顛覆及其防止122.1.4 換流重疊現(xiàn)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(gòu)成152.3.2 三相晶閘管逆變觸發(fā)162.4 主電路設(shè)計(jì)162.4.1 主變壓器參數(shù)

3、的計(jì)算162.4.2晶閘管參數(shù)的計(jì)算172.4.3瞬態(tài)抑制電路參數(shù)計(jì)算182.4.4 快速熔斷器的參數(shù)選擇192.5 本章小結(jié)20第三章 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)203.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)3.2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)213.2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(hào)檢測253.2.6電流不平衡檢測保護(hù)273.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.3.1 主程序3.3.2硬件中斷程序323.3.3 數(shù)字濾波323.4 本章小結(jié)34第四章 諧波抑

4、制與無功補(bǔ)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(bǔ)償?shù)姆椒?84.2.4 無功補(bǔ)償電容器和LC濾波器394.3 本章小結(jié)40第五章 結(jié)論與展望41參考文獻(xiàn)42致謝44附錄A45設(shè)計(jì)總說明把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械動(dòng)能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電力動(dòng)能，這就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三米的微風(fēng)速度（微風(fēng)程度），便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電正在世界

5、上形成一股熱潮，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電不需要使用燃料，也不會(huì)產(chǎn)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(fēng)電發(fā)電設(shè)為重點(diǎn)。按照國家規(guī)劃，未來15年，全國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到2000萬至3000萬千瓦。以每千瓦裝機(jī)容量設(shè)備投資7000元計(jì)算，根據(jù)風(fēng)能世界雜志發(fā)布，未來風(fēng)電設(shè)備市場將高達(dá)1400億元至2100億元。發(fā)電發(fā)展到目前階段，其性價(jià)比正在形成與煤電、水電的競爭優(yōu)勢。風(fēng)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(fēng)電增長一直保持在30%以上。隨著中國風(fēng)電裝機(jī)的國產(chǎn)化和發(fā)電的規(guī)模化，風(fēng)電成本可望再降。因此風(fēng)電開始成為越來越多投資者的逐金之地。目前，現(xiàn)存的大功率并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正向著

6、直驅(qū)化發(fā)展。由于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jí)的開關(guān)管，又因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，雷擊事件時(shí)有發(fā)生，故要求的更高功率等級(jí)的主開關(guān)管。在這種等級(jí)下變流器的主流開關(guān)管IGBT只能國外引進(jìn)受制于人。大功率晶閘管完全能夠本土化生產(chǎn)成本低。為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造的本土化比例，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)逆變器的性價(jià)比，本設(shè)計(jì)提出了一種基于7-300PCL的應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的晶閘管有源逆變器。本設(shè)計(jì)首先在緒論中簡要的談了下風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望，并介紹了定槳距，變槳距和變速三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)和三種不同的并網(wǎng)方式。接著在第二章中對(duì)用IGBT和

7、SCR為主開關(guān)管逆變器在結(jié)構(gòu)、性能以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。然后在第三章設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)硬件電路中的主控芯片電路、D/A轉(zhuǎn)換及其與PLC的光電接口電路和晶閘管驅(qū)動(dòng)電路 CA6100以及在并網(wǎng)逆變器輸出側(cè)并聯(lián)濾波器，使送入電網(wǎng)的交流電能滿足電網(wǎng)要求。第四章中本設(shè)計(jì)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(bǔ)償辦法。并在文章對(duì)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(shè)計(jì)的電路原理圖，可作為今后實(shí)際裝置開發(fā)的參考。在最后并附上了本設(shè)計(jì)的主電路原理圖和控制系統(tǒng)的電路原理圖關(guān)鍵字：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；變頻控制；晶閘

8、管；PLC1 緒論設(shè)計(jì)直接針對(duì)新能源課題中的MW級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)的研制這一研究項(xiàng)目，力爭為在變速變頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的國產(chǎn)化過程中出自己一份力，為我國相對(duì)落后的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)做出貢獻(xiàn)，所以設(shè)計(jì)以實(shí)用技術(shù)的研究和分析為主導(dǎo)，同時(shí)也做了一些大膽的嘗試和創(chuàng)新。1.1 風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望1.1.1 風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀自20世紀(jì)70年代初第一次世界石油危機(jī)以來，能源日趨緊張，各國相繼制定法律，以促進(jìn)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(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能發(fā)展速度最快，產(chǎn)業(yè)前景也最好。風(fēng)力發(fā)電在可再生能源發(fā)電技術(shù)中成本最接近于常規(guī)能源，因而也成為產(chǎn)

9、業(yè)化發(fā)展最快的清潔能源。自1990年以來，世界風(fēng)力發(fā)電得到了飛速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量幾乎每3年翻一番，到2002年底世界風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量已超過31000MW。根據(jù)全球風(fēng)能顧問委員會(huì)通報(bào)，2004年世界風(fēng)力發(fā)電量提高20%，達(dá)到47317兆瓦。歐盟各成員國名列榜首，占總數(shù)的72%，北美位居第二，其次是亞洲。最近十年，我國風(fēng)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(fēng)力發(fā)電的利用方式主要有2類，一類是獨(dú)立運(yùn)行供電系統(tǒng)，單機(jī)容量一般在100w-10kw，另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)電源，商業(yè)化機(jī)組單機(jī)容量為150-1650kw，大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電是

10、大規(guī)模利用風(fēng)能最經(jīng)濟(jì)的方式，己經(jīng)成為世界風(fēng)能利用的主要形式。目前國外數(shù)百千瓦級(jí)的大型風(fēng)電機(jī)組己經(jīng)商品化，兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也即將商品化。當(dāng)前，全世界風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘恳殉^1000萬千瓦，單位千瓦造價(jià)為1000美元，發(fā)電成本為5美分/千瓦時(shí)，已經(jīng)接近火力發(fā)電的成本。隨著并網(wǎng)機(jī)組需求持續(xù)增長，生產(chǎn)量上升，機(jī)組更新?lián)Q代，單機(jī)容量提高，機(jī)組性能優(yōu)化，故障降低，生產(chǎn)成本將會(huì)越來越低，風(fēng)電必將具備與常規(guī)能源競爭的能力。1.1.2 風(fēng)力發(fā)電的前景展望國際上由于風(fēng)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(lì)，發(fā)展非常迅速。目前每年增加200多萬千瓦裝機(jī)容量，技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模的擴(kuò)大使發(fā)電成本繼續(xù)下降，

11、估計(jì)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(jié)構(gòu)中重要組成部分。歐盟國家風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)是2000年達(dá)到800萬千瓦(實(shí)際上1999已超過900萬千瓦)，2010年達(dá)到4000萬千瓦，2020年達(dá)到l億千瓦，屆時(shí)風(fēng)電的比例將超過10%。我國有著豐富的風(fēng)能資源?！笆澜缒茉蠢硎聲?huì)”1994年風(fēng)能評(píng)估報(bào)告指出，中國理論風(fēng)力資源潛力是17，000TWh/年。在現(xiàn)階段，我國風(fēng)電成本一般為0.450.70元/千瓦時(shí)，仍需國家政策給予扶持。但是隨著對(duì)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(fēng)電技術(shù)作為一門不斷發(fā)展和完善中的多學(xué)科的高新技術(shù)，通過技術(shù)創(chuàng)新，提高單機(jī)容量，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工

12、藝，以及減輕部件重量，降低造價(jià)，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)性必將日益顯現(xiàn)出來?？紤]各種制約因素，按當(dāng)前實(shí)施的政策預(yù)計(jì)2005年風(fēng)電裝機(jī)可達(dá)150萬千瓦。到2010年累積總裝機(jī)約300500萬千瓦。到2030年累積總裝機(jī)約8000萬千瓦；2050年累積總裝機(jī)約2億千瓦。1.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概況風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要分為風(fēng)能資源評(píng)估與預(yù)測、風(fēng)力發(fā)電裝備制造技術(shù)、風(fēng)電機(jī)組測試、近海風(fēng)電技術(shù)、風(fēng)電對(duì)公共電網(wǎng)的影響等幾個(gè)方面。1.2.1 風(fēng)能資源的評(píng)估與預(yù)測國外己對(duì)風(fēng)能資源的測試與評(píng)估開發(fā)出很多先進(jìn)的測試設(shè)備和評(píng)估軟件，在風(fēng)電場選址，特別是微觀選址方面已經(jīng)開發(fā)了商業(yè)化的軟件。如丹麥RIS中國家研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的用于風(fēng)

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(fēng)能資源評(píng)估系統(tǒng)等。在風(fēng)電機(jī)組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上也開發(fā)出了成熟軟件。國外還對(duì)風(fēng)力機(jī)和風(fēng)電場的短期及長期發(fā)電預(yù)測做了很多研究，精確度可達(dá)90%以上。1.2.2 風(fēng)力發(fā)電裝備制造技術(shù)(l)單機(jī)容量繼續(xù)穩(wěn)步上升。20世紀(jì)S0年代生產(chǎn)的舊式機(jī)組單機(jī)容量僅為20kW60kW，而今天在風(fēng)電市場上銷售的商業(yè)化機(jī)組容量一般為600kw2,500kw。目前單機(jī)容量最大的風(fēng)電機(jī)組是由德國Repower公司生產(chǎn)的，容量為5MW，安裝在 120m高的塔架上。(2)大型風(fēng)電機(jī)組的典型結(jié)構(gòu)。目

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

15、雙速運(yùn)行。變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組一般采用雙饋異步發(fā)電機(jī)或多極同步發(fā)電機(jī)。1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類和主要特點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)歷了由定槳距到變槳距最后到變速的不斷升級(jí)換代的發(fā)展過程。1.3.1 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其特點(diǎn)20世紀(jì)80年代中期開始進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電市場的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)和運(yùn)行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動(dòng)力剎車技術(shù)、偏航與自動(dòng)解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)已經(jīng)固定，而發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)頻率限制。因此，只要在允許的風(fēng)速范圍內(nèi)，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)在運(yùn)

16、行過程中對(duì)風(fēng)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(shù)和相應(yīng)的伺服傳動(dòng)技術(shù)，使得定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。1.3.2 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其特點(diǎn)20世紀(jì)90年代后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性己經(jīng)不是問題，變距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電市場。采用全槳變距的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，起動(dòng)時(shí)可以對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對(duì)功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著改善。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)不再是簡單的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(gè)新的階段。1.3.3 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其特點(diǎn)由于變距風(fēng)

17、力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)的效果仍不理想，到了20世紀(jì)90年代中期，基于變距技術(shù)的各種變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始進(jìn)入風(fēng)電場。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)與定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的根本區(qū)別在于，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是把風(fēng)速信號(hào)作為控制系統(tǒng)的輸入變量來進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率控制的。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是:低于額定風(fēng)速時(shí)，它能跟蹤最佳功率曲線，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率;高于額定風(fēng)速時(shí)，它增加了傳動(dòng)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(shù)等問題后，達(dá)到了高效率、高質(zhì)量地向電網(wǎng)提供電能的目的?？梢哉f，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)行發(fā)展到基于變距技術(shù)的變速運(yùn)行，己

18、經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠向電網(wǎng)提供電能到理想地向電網(wǎng)提供電能的最終目標(biāo)。1.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式1.4.1 直接并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)，從最初的小功率同步發(fā)電機(jī)，到上世紀(jì)八十年代的大型風(fēng)電機(jī)所采用的使用升速齒輪箱的定速型鼠籠發(fā)電機(jī)的異步發(fā)電機(jī)技術(shù)都屬于直接并網(wǎng)方式。異步發(fā)電機(jī)技術(shù)將鼠籠發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)。由于尾流的變化，所以需要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率而變化，而風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速變化很小，大約只有1-2%，所以這種風(fēng)力機(jī)常稱作恒速或定速風(fēng)力機(jī)。這種風(fēng)力機(jī)通常通過改變發(fā)電機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)而以兩種速度運(yùn)行。鼠籠式發(fā)電機(jī)通常要消耗無功功率，所以一般用電容器來部分或全部補(bǔ)償其無功消耗，使其功率因數(shù)接近于

19、1。它的優(yōu)點(diǎn)是鼠籠發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、價(jià)格便宜，并網(wǎng)容易，采用齒輪箱提高風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，配合體輕價(jià)廉的高速鼠籠發(fā)電機(jī)，具有比較高的性價(jià)比。由于技術(shù)簡單、經(jīng)濟(jì)性高，該機(jī)種從上世紀(jì)末至今，獲得了許多國家廣泛的應(yīng)用，目前我國己建成運(yùn)行中的大型風(fēng)電機(jī)，絕大多數(shù)屬于這一技術(shù)類型。它的結(jié)構(gòu)如圖1-l所示。圖l-l 直接并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖但是定速型鼠籠發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)也很明顯。首先，定速型風(fēng)機(jī)在不同的風(fēng)速下難以獲得合適的葉尖速，導(dǎo)致截獲風(fēng)能的效率降低;其次，齒輪箱在風(fēng)況和環(huán)境變化中承受變荷沖擊、懸殊溫差，工況嚴(yán)酷，維修保養(yǎng)的成本很高，成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的軟肋環(huán)節(jié);第三，鼠籠發(fā)電機(jī)的效率不高，轉(zhuǎn)差功率無法利用，轉(zhuǎn)差率

20、稍高就嚴(yán)重發(fā)熱，同時(shí)還必須從電網(wǎng)中吸收勵(lì)磁功率，功率因數(shù)低。1.4.2 雙饋并網(wǎng)針對(duì)定速型鼠籠發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)，變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)方案開始采用。變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，同樣屬于異步發(fā)電機(jī)。變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)與定速型鼠籠發(fā)電機(jī)相同的是，發(fā)電機(jī)定子都直接并網(wǎng)，能將大部分電能輸入電網(wǎng)，同時(shí)從電網(wǎng)吸收勵(lì)磁功率；不同的是，雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)通過功率變換器(一般為雙PWM交直交型變換器)連接到電網(wǎng)。該功率變換器的容量僅為電機(jī)容量的1/3，并且能量可以雙向流動(dòng)。隨著風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，雙饋機(jī)轉(zhuǎn)子繞組能將轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率，通過變頻器轉(zhuǎn)化為工頻電流，回輸?shù)诫娋W(wǎng)，同時(shí)這部分工頻電流也可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，從而使機(jī)組的總

21、的功率因數(shù)得到改善。目前美國GE能源、德國Fuhrl&auminder等公司的很多風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品，采用變速雙饋風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)方案。它的結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示。圖1-2 雙饋并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖1.4.3 直驅(qū)并網(wǎng)以德國Enercon公司為首的風(fēng)電機(jī)制造商，著力去掉齒輪箱，推出無齒輪箱變速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種同步發(fā)電機(jī)，與大電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)屬同一類型，所不同的是，它用永磁體替代普通發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，省去電刷滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，同時(shí)也節(jié)約了勵(lì)磁功率，提高了發(fā)電機(jī)效率。隨著風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電的頻率也是不斷變化的。所以這類風(fēng)機(jī)的定子必須通過一臺(tái)全功率的變頻器連接到電網(wǎng)。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(wǎng)。直驅(qū)并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。圖l-3 直驅(qū)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖目前先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品中的典型技術(shù)方案，不外乎變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和無齒輪箱變速永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)二種，二者各有優(yōu)劣。變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變頻器，功率約為機(jī)組功率的四分之一至三分之一，機(jī)組的總價(jià)格較低，但是存在齒輪箱，其維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用遠(yuǎn)高于無齒輪箱變速永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)具有傳動(dòng)鏈能量損失小、維護(hù)費(fèi)用低、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。1.5 直驅(qū)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)變流器的主要形式直驅(qū)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中變流電路存在很多不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有一下幾種：1.5.1 二極管整流+晶閘管有源逆變。其優(yōu)點(diǎn)

23、簡單可靠，開關(guān)主器件完全能夠國產(chǎn)化，大大降低了風(fēng)機(jī)的成本。缺點(diǎn)：發(fā)電機(jī)功率因數(shù)低，在發(fā)電機(jī)輸出電壓低于電網(wǎng)電壓(低風(fēng)速)時(shí)無法將能量饋入電網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)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(diǎn)：可控整流，有效保護(hù)直流側(cè)過載，缺點(diǎn):與不可控整流一樣，在發(fā)電機(jī)輸出電壓低于電網(wǎng)電壓(低風(fēng)速)時(shí)無法將能量饋入電網(wǎng)。但開關(guān)主器件完全能夠國產(chǎn)化，大大降低了風(fēng)機(jī)的成本。其結(jié)構(gòu)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(diǎn)：因?yàn)榫哂猩龎簲夭ōh(huán)節(jié)，對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓不作要求，從而拓寬了風(fēng)機(jī)的工作范

24、圍;整流橋采用二極管不控整流，因此，成本相對(duì)比較低，在大功率的時(shí)候更加明顯。缺點(diǎn)：發(fā)電機(jī)相對(duì)損耗較大;電感、電容尺寸較大，升壓管承受高壓。其結(jié)構(gòu)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1-7所示。圖1- 7 PWM整流+PWM逆變電路該電路優(yōu)點(diǎn)：能夠與大阻抗的同步發(fā)電機(jī)相聯(lián)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(jī)的銅耗和鐵耗;可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為l。但是該電路結(jié)構(gòu)要求低速永磁同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中都能發(fā)出電壓高于并網(wǎng)電壓的交流電，限制了其在低

25、風(fēng)速時(shí)的應(yīng)用。另外，該結(jié)構(gòu)要求有兩個(gè)與發(fā)電機(jī)功率相當(dāng)?shù)目煽貥颍?dāng)發(fā)電機(jī)功率較大時(shí)，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(jié)構(gòu)，其電路結(jié)構(gòu)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：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(jié)構(gòu)，也可為傳統(tǒng)的電流源結(jié)構(gòu)；Z源變換器的負(fù)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(duì)于低風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)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?yàn)殡姶鸥蓴_而導(dǎo)致直通損壞器件的風(fēng)險(xiǎn)。雖然Z源逆變器有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其控制較復(fù)雜，特別是大功率應(yīng)用實(shí)例幾乎沒有。1.6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1.本設(shè)計(jì)對(duì)直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變流系統(tǒng)做了全面的研究，以及對(duì)幾種常見變流器類型做出了優(yōu)缺點(diǎn)分析。2.為推動(dòng)大功率風(fēng)機(jī)的國產(chǎn)化，本設(shè)計(jì)大膽的嘗試用晶閘管做變流器的主開關(guān)管，并給出了變流器拓?fù)潆娐贰?.針對(duì)晶閘管變流器所帶來的無功和諧波大的缺點(diǎn)本設(shè)計(jì)給出了詳細(xì)的無功補(bǔ)償和諧波分析的方法和內(nèi)容。4.作者嘗試性的做出了試驗(yàn)樣機(jī)的硬件電路搭建和全數(shù)字式控制板，以及全軟件的編程調(diào)試等工作，并給出了試驗(yàn)波形。1.7 本章小結(jié)本章主要分析了風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀，前沿

27、技術(shù)的概況，以及當(dāng)前風(fēng)機(jī)變頻裝置主要形式的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展方向，最后闡述了本設(shè)計(jì)的主要工作。本設(shè)計(jì)意義在于加速風(fēng)機(jī)制造的國產(chǎn)化進(jìn)程。本設(shè)計(jì)提出的晶閘管整流十晶閘管有源逆變變流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，其在性能基本不變的情況下大幅度地降低了風(fēng)機(jī)變流器的成本，提高了風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化的比重。由于作者水平和試驗(yàn)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(gè)浩大的工程。2 主電路設(shè)計(jì)2.1 主電路原理變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)是現(xiàn)今最先進(jìn)的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型。它已成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流。變速發(fā)電機(jī)所具有的諸如低風(fēng)速時(shí)自動(dòng)跟蹤最大功率和高風(fēng)速時(shí)可緩沖風(fēng)機(jī)受到的機(jī)械沖擊等特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)的。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的變流電路種類繁多，其電路結(jié)構(gòu)多種多樣，但是其實(shí)現(xiàn)的功能和目標(biāo)都是一樣的，那就是如何將變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻同相，能與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。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(jī)輸出電壓)頻率低于1/3輸出電壓(并網(wǎng)電壓)50Hz頻率，這樣就要求發(fā)電機(jī)工作的頻率低于16Hz，但是發(fā)電機(jī)最優(yōu)工作頻率很難達(dá)到16Hz，另外周波變換器采用的是晶閘管，需要的數(shù)量也較多，因此，交交變流電路很少在變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)拓?fù)溥M(jìn)行分析和研究。2.1.1主電路工作原理本設(shè)計(jì)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變頻系統(tǒng)采用三相橋式晶閘管可控整流，把風(fēng)機(jī)交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的幅值不固定、頻率不固定的交流電轉(zhuǎn)化為直流，由經(jīng)支撐電容器的濾波轉(zhuǎn)化成直流電壓，經(jīng)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(zhuǎn)化為與電網(wǎng)側(cè)電壓頻率一致的交流電，經(jīng)過一個(gè)升壓變壓器并到網(wǎng)上。下面是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D：圖2-1 主電路原理圖如圖2-1中，發(fā)電機(jī)使用的是永磁同步發(fā)電機(jī)，采用三相橋式全控整流電路對(duì)其進(jìn)行6脈波整流，每個(gè)管子輪流導(dǎo)通120度，輸出直流每周期脈動(dòng)6次，最低次諧波頻率為發(fā)電機(jī)頻率的

30、6倍，平均直流電壓在輸出端串上電感進(jìn)行穩(wěn)壓，減小直流脈動(dòng)。三相橋式逆變電路即是三相橋式全控整流電路在范圍內(nèi)(對(duì)應(yīng))作為有源逆變的運(yùn)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(shí)直流側(cè)的電壓波形：圖2-2 工作在和時(shí)直流側(cè)的電壓波形三相橋式電路工作時(shí)，晶閘管成對(duì)導(dǎo)通，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角度，每隔換流一次，元件按V1-V2-V3-V4-VS-V6順序依次導(dǎo)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(gè)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通前有另一晶閘管正在導(dǎo)通，對(duì)于電流型電路，為了確保任何時(shí)刻上下兩組晶閘管都有導(dǎo)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(gè)晶閘管時(shí)，同時(shí)給前一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖，即雙窄脈沖觸發(fā)，本設(shè)計(jì)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(shù)量關(guān)系根據(jù)整流關(guān)系推導(dǎo)公式，電路在逆變狀況下直流側(cè)電壓為： (2-1)為變壓器次級(jí)相電壓有效值，如果直接接至電網(wǎng)，就是三相電網(wǎng)的相電壓。是逆變控制角。設(shè)直流輸入電壓為，直流電流的平均值為： (2-2)直流側(cè)反饋至電網(wǎng)的有功功率為： (2-3) 將(2-2)和(2-3)式代入后得： (2-4)當(dāng)主回路結(jié)構(gòu)一定時(shí)，改變輸入直流電壓和逆變角就能調(diào)節(jié)反饋電網(wǎng)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(shí)就只能依靠調(diào)節(jié)逆變角來調(diào)節(jié)

32、反饋功率的大小。反饋功率和逆變角的關(guān)系如圖2-3：圖2-3 反饋功率和逆變角聲的關(guān)系由圖可知，在調(diào)節(jié)逆變角調(diào)節(jié)功率時(shí)，存在一個(gè)最大反饋功率值時(shí)的逆變角，從上式也可知該函數(shù)為的二次函數(shù)，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(dǎo)通以及交流電源本身原因造成缺相，則逆變時(shí)的直流電源可能會(huì)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(cè)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(shí)情

33、況的出現(xiàn)。使得應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管不能正常導(dǎo)通，致使直流側(cè)電壓極性相反，與直流電源順極串聯(lián)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(fù)峰值電壓裕量不夠，正向阻斷期誤導(dǎo)通，造成直流側(cè)電源瞬時(shí)極性相反，也構(gòu)成回路極性串聯(lián)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(dǎo)通，但此時(shí)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(dāng)逆變角較小時(shí)，由于換流重疊角的影響，造成晶閘管在關(guān)斷時(shí)因承受反壓時(shí)間不夠而關(guān)斷失敗，從而導(dǎo)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(shù)，特別是電壓定額和承受試的能力，以免發(fā)生誤導(dǎo)通或?qū)ㄊ?。另外一個(gè)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(gè)允許的最小角度內(nèi)。最小逆變角的選取有三個(gè)考慮因素:l)晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq，以確保流過元件的電流為零后有足夠的時(shí)間恢復(fù)正向阻斷能力。一般元件的關(guān)斷時(shí)間tq=200300對(duì)應(yīng)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(xiàn)的時(shí)間誤差。這樣，最小逆變角，一般取。當(dāng)逆變電路工作時(shí)，必須保證。2.1.4 換流重疊現(xiàn)象圖2-4 考慮換流重疊時(shí)流過晶閘管的電流波形和整流電路一樣，實(shí)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(shí)際逆變電路中晶閘管的換流不能瞬時(shí)完成。即導(dǎo)通元件中的電流不是由零瞬時(shí)增大到Id。關(guān)斷元件中的電流也不是由Id瞬時(shí)下降為零，而完成這些過程需要一定的時(shí)間。這樣，流經(jīng)每個(gè)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(shí)間內(nèi)，正在導(dǎo)通的管子電流在增長，而正在關(guān)斷的管子電流在減小，兩管同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，故稱換流重疊現(xiàn)象。兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的換流重疊時(shí)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(jì)算公式為： (2-5)為電網(wǎng)相電壓； 為直流側(cè)電流；為電網(wǎng)側(cè)電感量為，的

36、變壓器每相折算到次級(jí)繞組的漏感，。與整流電路不同的是逆變過程的換流重疊現(xiàn)象將使直流側(cè)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(jì)及換流重疊現(xiàn)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(xiàn)象的存在對(duì)于逆變運(yùn)行可能帶來不良后果。如果逆變角小于換流重疊角，則當(dāng)經(jīng)過自然換流點(diǎn)后，該截止的晶閘管仍繼續(xù)導(dǎo)通，從而使改變極性造成回路順串短路，出現(xiàn)逆變顛覆。2.2 控制系統(tǒng)概述對(duì)于任何控制系統(tǒng)來說都有三個(gè)基本要求：穩(wěn)、準(zhǔn)、快。為了滿足系統(tǒng)無超調(diào)、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性、快速響應(yīng)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(hào)調(diào)理電路、低通濾波器。系統(tǒng)啟動(dòng)后電壓、電

37、流檢測單元對(duì)主電路直流電壓、交流電流信號(hào)進(jìn)行隔離、信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)CA6100觸發(fā)電路轉(zhuǎn)化為三相晶閘管的導(dǎo)通角在5175范圍內(nèi)可調(diào)，由隔離、驅(qū)動(dòng)放大電路對(duì)晶閘管進(jìn)行觸發(fā)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定的控制。控制電路主要是控制晶閘管逆變器的逆變角，來調(diào)節(jié)直流母線上的電壓值使其穩(wěn)定，將逆變器直流側(cè)反饋電壓與給定電壓信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)母線電壓高于給定值時(shí)增大逆變角，使并網(wǎng)電流增大，迫使母線電壓降低，反之當(dāng)母線電壓低于給定值時(shí)減小逆變角，使電壓升高，從而達(dá)到母線電壓穩(wěn)定在給定值，控制方法是用增量式數(shù)字PID控制。而整流部分主要是控制母線電壓不過載，即當(dāng)風(fēng)速過大時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓會(huì)過大，這時(shí)要增大整流器的整

38、流角，使其輸出的母線電壓下降達(dá)到防止母線電壓過載的問題。整流器的控制：將直流側(cè)電壓取樣反饋，通過ADC變換器得到數(shù)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(dāng)電壓值大于母線過載申壓時(shí)整流器才動(dòng)作，這是電壓控制的基本結(jié)構(gòu)。電壓控制器的調(diào)節(jié)算法，還是以數(shù)字PID控制，取得了較好的效果。逆變器的控制：在數(shù)字PID控制系統(tǒng)中，母線電壓給定值通過計(jì)算求出，同時(shí)檢測母線電壓的反饋值，給定值與反饋值比較的結(jié)果決定DAC輸出的電壓信號(hào)通過晶閘管驅(qū)動(dòng)電路控制3相逆變橋的逆變角的大小，從而達(dá)到對(duì)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(shí)現(xiàn)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(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)80kW晶閘管有源逆變器?？刂品绞讲捎迷隽渴綌?shù)字PID調(diào)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(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)由整流部分、逆變部分、信號(hào)檢測、脈沖觸發(fā)、系統(tǒng)控制等幾個(gè)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(duì)于輸入電源的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到逆變需要的直流形式。由六個(gè)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(gè)系統(tǒng)的核心，它實(shí)現(xiàn)電能的變換，并使能量回饋至電網(wǎng)。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(chǔ)

40、能元件。另外對(duì)于輸入電源的整流環(huán)節(jié)也是個(gè)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(gè)重要作用是當(dāng)逆變橋短路時(shí)，可以起到一個(gè)限流保護(hù)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(hù)時(shí)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(dǎo)通和截止能否正常工作是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。晶閘管由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通必需同時(shí)具備兩個(gè)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(dǎo)通，控制信號(hào)就不起作用了，所以一般是靠電網(wǎng)的負(fù)電壓來關(guān)斷晶閘管，即在換向時(shí)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(dǎo)通的維持電流而關(guān)斷，不需要外加電路也就是常說的自然關(guān)斷。在三相逆變電路中，為了能夠正常工作且具有調(diào)節(jié)功能，對(duì)于觸發(fā)電路有以下要求：觸發(fā)脈沖應(yīng)與交流電源同步；觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能調(diào)節(jié)，并且其調(diào)節(jié)范圍滿足一定要求；觸發(fā)脈沖的參數(shù)合乎要求。本系統(tǒng)采用 CA6100專用晶閘管觸發(fā)裝置，經(jīng)改進(jìn)調(diào)整，使其在給定電壓信號(hào)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(shè)計(jì)2.4.1 主變壓器參數(shù)的計(jì)算主變壓器在電路中起著重要作用。首先，發(fā)電機(jī)的額定電壓與電網(wǎng)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(nèi)阻抗，能減弱網(wǎng)側(cè)電路

42、的諧波電流，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力;同時(shí)，為目前新研制出的多相發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)提供了方便。一也減小了對(duì)電網(wǎng)的干擾。再次，由于變壓器的存在，使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間只有磁的聯(lián)系，一旦發(fā)電機(jī)部分出現(xiàn)故障，不會(huì)波及電網(wǎng)，故障得以隔離。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中并網(wǎng)側(cè)有源逆變器連接是三相橋式電路，原邊接到電網(wǎng)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(yán)重。通常，高次諧波會(huì)

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(dǎo)致局部繞組過熱。因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(shù)的計(jì)算1.電壓容量選擇根據(jù)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(fēng)力發(fā)電機(jī)所聯(lián)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)幅度較大。因此電壓安全系數(shù)要選取較大的數(shù)值。所以 (2-7)取。由于是電網(wǎng)負(fù)載，電流波形不再有階躍，即不會(huì)出現(xiàn)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(zhuǎn)人阻斷時(shí)，電源電壓己經(jīng)過零，且達(dá)到下一半波的相當(dāng)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(duì)晶閘管的電壓上升率指標(biāo)的要求應(yīng)相應(yīng)提高。2.電流容量選擇通過每個(gè)晶閘管的電流的有效值I:與線電流I的關(guān)系為: (2-8)實(shí)際承受的最高等效平均電流為： (2-9)式中，為電流安全系數(shù)，一般取。則 (2-10)取。2.4.3 瞬態(tài)抑制電路參數(shù)計(jì)算為了吸收換流過電壓及電壓上升率，減緩對(duì)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(shí)電流上升率，而且能抑制

45、其電壓上升率。1.阻容參數(shù)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(hù)晶閘管。考慮到避免在RC電路中產(chǎn)生較大的功率損耗，電容C的數(shù)值不宜取得太大，應(yīng)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(chǎn)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(shè)計(jì)系統(tǒng)中情況根據(jù)晶閘管的電壓、電流容量、可以得到R、C的經(jīng)驗(yàn)值： 電阻的功率： (2-11)式中，f為晶閘管換流頻率，因?yàn)榫чl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(shí)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?yàn)殡娋W(wǎng)電壓波動(dòng)較大，取。阻容電路吸收過電壓的能力是有限的。當(dāng)出現(xiàn)雷擊等原因引起電網(wǎng)上產(chǎn)生更高的過電壓，或者過電壓的持續(xù)時(shí)間比較長，過電壓仍會(huì)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(shù)的選擇壓敏電阻正常工作時(shí)漏電流小、損耗小，而泄放沖擊電流能力強(qiáng)，抑制過電壓能力強(qiáng)，且對(duì)沖擊電壓反應(yīng)快，得到廣泛應(yīng)用。壓敏電阻選用時(shí)，主要考慮其兩個(gè)特性參數(shù)：l)標(biāo)稱電壓應(yīng)大于電路正常工作時(shí)其兩端電壓的峰值。 （2-13）取=750V2)額定通流容量應(yīng)大于電路工作時(shí)實(shí)際出現(xiàn)的浪涌電流值，可選取5-10(kA)。2.4.4 快速熔斷器的參數(shù)選擇快速熔斷器串聯(lián)

47、在三相交流進(jìn)線中，對(duì)主電路中出現(xiàn)的過流起保護(hù)作用。1.額定電壓的選擇這一參數(shù)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(yīng)能夠承受相電壓有效值的1.5。考慮到開斷時(shí)電路中等效電感會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，所以適當(dāng)提高電壓等級(jí)，選取額定電壓為750V。2.額定電流IR的選擇這一參數(shù)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(shù)；工為實(shí)際工作電流的有效值。因此選取=500A。2.5 本章小結(jié)本章主要分析了系統(tǒng)主電路的原理拓?fù)洌瑪?shù)學(xué)關(guān)系式，控制算法的可行性分析，以及為硬件的設(shè)計(jì)做好了充分的鋪墊如注意逆變失敗等事項(xiàng)。最后經(jīng)詳盡的計(jì)算得出主電路各個(gè)器件的參數(shù)。本章可以說是

48、在理論上奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并對(duì)系統(tǒng)的可行性也進(jìn)行了驗(yàn)證，接下來就需要根據(jù)此類參數(shù)進(jìn)行硬件主電路的搭建，控制電路的設(shè)計(jì)制版和單片機(jī)的軟件編程以及控制板和主電路的調(diào)試和波形的分析。3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3.1.1 變頻器的選擇 隨著變頻器性能價(jià)格比的提高，交流變頻調(diào)速己應(yīng)用到許多領(lǐng)域，由于變頻調(diào)速的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得交流變頻調(diào)速得到廣泛應(yīng)用。其功能較強(qiáng)，使用靈活，但其價(jià)格相對(duì)較貴。所以我選用了通用變頻器，通過合理的配置、設(shè)計(jì)和編程，同樣可以達(dá)到專用變頻器的控制效果。本設(shè)計(jì)采用的變頻器是西門子公司面向世界推出的21世紀(jì)通用型變頻器MM420。它可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制，使電動(dòng)機(jī)達(dá)到理想輸出，這種變頻器不僅考

49、慮了V/f控制，而且還實(shí)現(xiàn)了矢量控制，通過其本身的自動(dòng)調(diào)諧功能與無速度傳感器電流矢量控制，很容易得到高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與較高的調(diào)速范圍。MM420變頻器的特點(diǎn)如下： 1 包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。 2 有豐富的內(nèi)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(hù)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(shí)現(xiàn)風(fēng)力電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行控制(如自動(dòng)啟動(dòng)，停機(jī)等)，通過通訊接口監(jiān)測風(fēng)力電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況（如電網(wǎng)參數(shù)，溫度等變化情況），而且還需具備安全保護(hù)

50、功能?？刂葡到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行控制，參數(shù)監(jiān)測及監(jiān)控以及安全保護(hù)及處理三大功能。正常的運(yùn)行控制包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)軟并網(wǎng)，大/小發(fā)電機(jī)自動(dòng)切換，發(fā)電機(jī)除濕加熱，機(jī)組自動(dòng)對(duì)風(fēng)，液壓系統(tǒng)自動(dòng)開停，齒輪油泵自動(dòng)開停，齒輪油加熱器冷卻器啟停，電容補(bǔ)償自動(dòng)分組以及負(fù)功率自動(dòng)停機(jī)。參數(shù)監(jiān)測及監(jiān)控包括電網(wǎng)的三相電壓.頻率.發(fā)電機(jī)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(shù)，風(fēng)速，風(fēng)向，葉輪轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，液壓系統(tǒng)狀況，偏航系統(tǒng)狀況，軟并網(wǎng)等環(huán)節(jié)工作狀況，大/小發(fā)電繞組溫度，發(fā)電機(jī)前/后軸承溫度，控制柜溫度，環(huán)境溫度?？刂破鞲鶕?jù)傳感器提供的信號(hào)作出判斷，控制風(fēng)機(jī)可靠安全運(yùn)行。與就地操

51、作員面板實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以查詢風(fēng)力電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況，顯示故障狀態(tài)，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)以及控制操作：手動(dòng)起/停，復(fù)位，手動(dòng)偏航;同時(shí)控制器配置接口進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控通訊，監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，收集風(fēng)力電動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)出監(jiān)控指令。安全保護(hù)處理系統(tǒng)分三層結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的安全鏈保護(hù)，器件本身的保護(hù)措施。器件本身保護(hù)措施主要根據(jù)器件本身的特點(diǎn)，采取硬件保護(hù)措施，如線圈兩端加RC吸收回路等；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是對(duì)風(fēng)力電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行檢測。3.1.3 S7-200 PLC 特性簡介S7-200是由西門子生產(chǎn)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(duì)控制的可靠性和安

52、全性的要求高?？删幊炭刂破鳎≒LC）廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，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(diǎn)：.大范圍的各種功能模塊可以滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)；.簡單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)；.控制任務(wù)增加時(shí)，模塊擴(kuò)展方便與靈活；3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制信號(hào)主要有開關(guān)量輸入信號(hào)，開關(guān)量輸出型號(hào)，模擬量輸入信號(hào)（如溫度），頻率信號(hào)（如轉(zhuǎn)速 風(fēng)速）等。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制要求及被控制號(hào)的特點(diǎn)。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(chǔ)器，負(fù)載存儲(chǔ)器集成96KB RAM，最大可以擴(kuò)張512KB.MPI接口可以與OP7/DP操作面板進(jìn)行通訊。PROFIBUS DP接口實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程中央控制室PC機(jī)進(jìn)行通訊； .SM321數(shù)字量輸入模塊，16點(diǎn)輸入，24VDC; .SM321數(shù)字量輸入模塊，32點(diǎn)輸入，24VDC .SM322數(shù)字量輸入模塊，16點(diǎn)輸入，24VDC; .SM331模擬量輸入模塊，8通道隔離輸入； .FM350-2智能型計(jì)數(shù)模塊，8通道用于計(jì)數(shù)和測量任務(wù)可直接與24V增量編碼器和N

54、AMUR編碼器連接，可實(shí)現(xiàn)頻率測量，速度測量，并具有比較功能及對(duì)故障的中斷處理； .CP通訊處理器模塊，RS485接口，可以實(shí)現(xiàn)PPI通訊，與電量變送器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)（包括三相電壓，三相電流，有功功率，無功功率，頻率，功率因數(shù)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(gè)RS232通信接口，可與PLC/計(jì)算機(jī)/打印機(jī)連接。一個(gè)RS485接口，可與PLC或計(jì)算機(jī)連接，128K字節(jié)，8個(gè)功能鍵(F1-F4,K1-K4)均能被組態(tài)，完成不同的控制任務(wù)；3.2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2.3 主電路主電路是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主配電系統(tǒng)主要完成發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)包括無功功率補(bǔ)償裝置

55、，軟并網(wǎng)控制裝置各執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電動(dòng)機(jī)，電磁閥等）與控制回路的連接。當(dāng)中心控制器PLC發(fā)出控制指令時(shí)，由主電路將發(fā)電機(jī)中的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接為強(qiáng)電控制回路并提供電源，電源等級(jí)較多（如交流90V.400V.220V.24V.直流4V）同時(shí)將反饋信號(hào)送到中心控制PLC對(duì)接觸器，電動(dòng)機(jī)，供電電源等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)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(yīng)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(dǎo)通，否則不能構(gòu)成電流的通路。(2)為了保證電路起始工作時(shí)兩個(gè)晶閘管能夠同時(shí)導(dǎo)通，并且在并網(wǎng)時(shí)控制角較大時(shí)，仍能保證不同相的上下橋臂兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，本系統(tǒng)采用寬脈沖(6