風(fēng)力發(fā)電機(jī)晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究

V風(fēng)力發(fā)電機(jī)晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究摘要本課題以目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中較普遍使用的MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，主要研究用晶閘管作為電力電子變換元件實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的單機(jī)并網(wǎng)方案和風(fēng)電場(chǎng)集中并網(wǎng)方案。本文首先對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理、組成和分類進(jìn)行了介紹。接著對(duì)用IGBT和SCR為主開(kāi)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。然后對(duì)晶閘管有源逆變器的主電路以及各器件參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和逆變器電磁兼容的設(shè)計(jì)，并介紹基于數(shù)字PID的控制系統(tǒng)的數(shù)字流程圖。最后本文就晶閘管變流器的最大問(wèn)題諧波和無(wú)功做出了詳細(xì)的分析，并提出了諧波和無(wú)功的補(bǔ)償辦法。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大功率變流，晶閘管，數(shù)字PID調(diào)節(jié)，諧波及無(wú)功補(bǔ)償

TheResearchofWindPowerGeneratorSCRGrid-connectedInverterABSTRACTInthispapertheMWgradewindturbinegeneratorcommonlyusedistheresearchobject,whichmainresearchthyristoraspowerelectronicconversionelementtoachievestand-aloneandnetworksolutionsforwindpowergenerationsystemandwindelectricfieldconcentrationandnetprograms.Firstly,grid-connectedwindturbineworkingprinciple,compositionandclassificationareintroduced.Secondly,theIGBTandtheSCRswitchinverterarecomparedinthestructure,properties,advantagesanddisadvantages.Andathyristorforactiveinvertermaincircuitandthedeviceparametersareproposed.Then,theinverterEMCisdesigned,andthecontrolsystemofdigitalchartbaseddigitalPIDisintroduced.Finallythisarticlemakesadetailedanalysisonthebiggestproblemofthyristorconverterinharmonicandreactivepower,andputsforwardtotheharmonicandreactivepowercompensation.KEYWORDS：windturbines，powerconverter，SCR，figuresPIDregulator,harmonicandreactivepowercompensation目錄摘要 IABSTRACT II1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)電的現(xiàn)狀 11.1.2風(fēng)力發(fā)電的前景展望 11.2我國(guó)風(fēng)電發(fā)展概況 21.3大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀及主要問(wèn)題 31.3.1并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 31.3.2風(fēng)電場(chǎng)與常規(guī)能源電廠主要區(qū)別 41.3.3并網(wǎng)存在的主要問(wèn)題 41.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式 51.4.1直接并網(wǎng) 51.4.2雙饋并網(wǎng) 51.4.3直驅(qū)并網(wǎng) 61.5直驅(qū)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)變流器的主要形式 61.5.1二極管整流+晶閘管有源逆變 71.5.2晶閘管整流+晶閘管有源逆變 71.6本章小結(jié) 72主電路設(shè)計(jì) 92.1主電路原理 92.1.1主電路工作原理 92.1.2基本數(shù)量關(guān)系 102.1.3逆變顛覆及其防止 112.1.4換流重疊現(xiàn)象 122.2控制系統(tǒng)概述 132.3大功率晶閘管有源逆變器的硬件組成 142.3.1有源逆變器的系統(tǒng)構(gòu)成 142.3.2三相晶閘管逆變觸發(fā) 152.4主電路設(shè)計(jì) 152.4.1主變壓器參數(shù)的計(jì)算 152.4.2晶閘管參數(shù)的計(jì)算 162.4.3瞬態(tài)抑制電路參數(shù)計(jì)算 162.4.4快速熔斷器的參數(shù)選擇 182.5本章小結(jié) 183控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 183.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 193.1.1控制系統(tǒng)功能描述 193.1.2ATmega16單片機(jī)特性簡(jiǎn)介 193.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 203.2.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理 203.2.2主控芯片的功能 203.2.3DAC轉(zhuǎn)換器 213.2.4D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的光電接口電路 213.2.5晶閘管通用觸發(fā)電路CA6100 223.2.6主電路的信號(hào)檢測(cè) 233.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 253.3.1PID算法 263.3.2數(shù)字PID閉環(huán)控制 283.3.3增量式PID算法程序流程圖 283.3.4數(shù)字濾波 293.4本章小結(jié) 304系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì) 314.1系統(tǒng)存在的電磁兼容問(wèn)題 314.2系統(tǒng)硬件電磁兼容設(shè)計(jì) 314.2.1硬件抗干擾分析 314.2.2硬件抗干擾設(shè)計(jì) 324.2.3電路板的電磁兼容性設(shè)計(jì) 324.3系統(tǒng)軟件電磁兼容設(shè)計(jì) 344.3.1軟件抗干擾設(shè)計(jì)考慮的問(wèn)題 344.3.2系統(tǒng)中軟件抗干擾的措施 354.4本章小結(jié) 365諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償 375.1無(wú)功及諧波的危害 375.1.1諧波的危害 375.1.2無(wú)功功率的影響 375.2有源逆變器的無(wú)功及諧波分析 385.2.1無(wú)功及諧波的分析 385.2.2諧波抑制的方法 395.2.3無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒?395.2.4無(wú)功補(bǔ)償電容器和LC濾波器 405.3系統(tǒng)的諧波補(bǔ)償 415.4本章小結(jié) 436結(jié)論 44致謝 45參考文獻(xiàn) 46附錄 47PAGE46陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)PAGE49風(fēng)力發(fā)電機(jī)晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究1緒論論文直接針對(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，主要研究用晶閘管作為電力電子變換元件實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的單機(jī)并網(wǎng)方案和風(fēng)電場(chǎng)集中并網(wǎng)方案。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)電的現(xiàn)狀=1\*GB2⑴風(fēng)電成本逐年降低盡管風(fēng)電成本受很多因素的制約,但其發(fā)展趨勢(shì)是逐漸降低的。隨著風(fēng)電技術(shù)的改進(jìn),風(fēng)電機(jī)組越來(lái)越便宜和高效。增大風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量就減少了基礎(chǔ)設(shè)施的費(fèi)用,而且同樣的裝機(jī)容量需要更少數(shù)目的機(jī)組,這也節(jié)約了成本。隨著融資成本的降低和開(kāi)發(fā)商的經(jīng)驗(yàn)日益豐富,項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的成本也相應(yīng)得到降低。風(fēng)電機(jī)組可靠性的改進(jìn)也減少了運(yùn)行維護(hù)的平均成本。=2\*GB2⑵海上風(fēng)電悄然興起海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域,使得近海風(fēng)電技術(shù)成為近來(lái)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。多兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組在近海風(fēng)電場(chǎng)的商業(yè)化運(yùn)行是風(fēng)能利用的新趨勢(shì)。到2003年末,圍繞歐洲海岸線,海上風(fēng)電總裝機(jī)600MW,集中在丹麥、瑞典、荷蘭和英國(guó)。1.1.2風(fēng)力發(fā)電的前景展望風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，其在地球上蘊(yùn)量巨大。全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。風(fēng)很早就被人們利用主要是通過(guò)風(fēng)車來(lái)抽水、磨面等，而現(xiàn)在，人們感興趣的是如何利用風(fēng)能來(lái)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從多種結(jié)構(gòu)形式逐步向少數(shù)幾種過(guò)渡的過(guò)程。20世紀(jì)80年代初期，市場(chǎng)上有上風(fēng)向式和下風(fēng)向式；風(fēng)輪主軸有水平的和垂直的；風(fēng)輪葉片數(shù)有三個(gè)﹑兩個(gè)﹑甚至一個(gè)的；葉片材料有木頭的和玻璃鋼的。到現(xiàn)在只剩下以水平軸﹑上風(fēng)向﹑三葉片的機(jī)組為主，其中又有定槳距和變槳距風(fēng)輪，定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，有齒輪箱和無(wú)齒輪箱等幾種。2009年全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在去年全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的沖擊下逆勢(shì)上漲31％，新增裝機(jī)容量為3.75萬(wàn)兆瓦，將總裝機(jī)容量推升至15.79萬(wàn)兆瓦。全球風(fēng)電裝機(jī)總量預(yù)計(jì)在未來(lái)五年增加兩倍至44700萬(wàn)千瓦，且可能在十年內(nèi)擴(kuò)大至近100000萬(wàn)千瓦。2009年，中國(guó)的漲幅引領(lǐng)全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，其新增裝機(jī)容量超過(guò)100％，從2008年的1.2萬(wàn)兆瓦上漲到2009年底的2.51萬(wàn)兆瓦，新增裝機(jī)容量達(dá)到1.3萬(wàn)兆瓦。同年，美國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的漲勢(shì)也強(qiáng)勁，其新增裝機(jī)容量上漲39％，約為1萬(wàn)兆瓦，總裝機(jī)容量達(dá)到3.5萬(wàn)兆瓦。歐洲新增裝機(jī)容量上漲1.053萬(wàn)兆瓦，達(dá)到7.61萬(wàn)兆瓦。其中，西班牙新增容量達(dá)到2460MW，德國(guó)達(dá)到1920MW。以歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家為代表，全球風(fēng)電呈現(xiàn)出規(guī)?；陌l(fā)展態(tài)勢(shì)。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)五年，全球風(fēng)電仍將保持20％以上的增長(zhǎng)速度。截止2011年底，全球風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到2.4億。最后，從政策上來(lái)了解各國(guó)對(duì)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的態(tài)度。為促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，世界各國(guó)政府特別是歐美國(guó)家出臺(tái)了許多優(yōu)惠政策，主要包括有:投資補(bǔ)貼、低利率貸款、規(guī)定新能源必須在電源中占有一定比例、從電費(fèi)中征收附加基金用于發(fā)展風(fēng)電、減排C02獎(jiǎng)勵(lì)等。歐洲的德國(guó)、丹麥、荷蘭等采用政府財(cái)政扶持、直接補(bǔ)貼的措施發(fā)展本國(guó)的風(fēng)力發(fā)電事業(yè);美國(guó)通過(guò)金融支持，由聯(lián)邦和州政府提供信貸資助來(lái)扶持風(fēng)力發(fā)電事業(yè);印度通過(guò)鼓勵(lì)外來(lái)投資和加強(qiáng)對(duì)外合作交流來(lái)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電事業(yè);日本采取的措施則是優(yōu)先采購(gòu)風(fēng)電。多種多樣的優(yōu)惠政策促進(jìn)了各國(guó)風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展。1.2我國(guó)風(fēng)電發(fā)展概況我國(guó)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用起源于20世紀(jì)70年代初。經(jīng)過(guò)初期發(fā)展﹑單機(jī)分散研制﹑示范應(yīng)用﹑重點(diǎn)攻關(guān)﹑實(shí)用推廣﹑實(shí)用化和標(biāo)準(zhǔn)化幾個(gè)階段的發(fā)展，無(wú)論在科學(xué)研究﹑設(shè)計(jì)制造，還是試驗(yàn)﹑示范﹑應(yīng)用推廣等方面均有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和很高的提高，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。截至2009年底，全國(guó)累計(jì)生產(chǎn)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組18萬(wàn)多臺(tái)。1986年4月，中國(guó)第一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在山東榮成并網(wǎng)發(fā)電，3臺(tái)55KW機(jī)組是由航空部和山東省由丹麥引進(jìn)的，同年10月作為國(guó)際科技合作項(xiàng)目，利用比利時(shí)政府贈(zèng)送的4臺(tái)200KW機(jī)組建成平潭示范風(fēng)電場(chǎng)。從1989年起全國(guó)各地陸續(xù)利用外國(guó)政府贈(zèng)送或優(yōu)惠貸款引進(jìn)機(jī)組建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量逐年增加，2000年底全國(guó)共有26個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量達(dá)到34.3萬(wàn)千瓦。1997年當(dāng)年裝機(jī)超過(guò)10萬(wàn)千瓦，達(dá)到一個(gè)高峰。2003年以后中國(guó)風(fēng)力機(jī)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。2009年中國(guó)成為第一大風(fēng)電裝機(jī)市場(chǎng)，新增裝機(jī)容量為1375萬(wàn)千瓦，增長(zhǎng)率連續(xù)6年超過(guò)100％，成為增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家。累積裝機(jī)容量達(dá)到2580萬(wàn)千瓦，超過(guò)德國(guó)，位列全球第二。2009年我國(guó)的兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)占據(jù)了市場(chǎng)的主導(dǎo)。2008年新增裝機(jī)的單機(jī)平均容量為1.2MW，而2009年的數(shù)字變成了1.3MW，并且去年兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)的市場(chǎng)份額占到了86％，其中67％在1.5MW以上。截至2009年底，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)總?cè)萘窟_(dá)1613萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)92.26％.其中，2009年風(fēng)電電量為269億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)105.86％，占總電量的0.75％。我國(guó)已建立起了兩百多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電場(chǎng)的迅速發(fā)展帶動(dòng)了風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和風(fēng)能技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)已能自行研制兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，最大功率達(dá)到3.0MW，并且開(kāi)始規(guī)劃海上風(fēng)電項(xiàng)目。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展前景廣闊，預(yù)計(jì)未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間都將保持高速發(fā)展，同時(shí)盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。在“十二五”期間，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)速度仍將繼續(xù)保持較快增長(zhǎng)，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域已成為投資熱點(diǎn)，市場(chǎng)前景很好。預(yù)計(jì)到2020年，將在新疆﹑甘肅﹑內(nèi)蒙古﹑河北﹑東北以及江蘇沿海等地建立6個(gè)千萬(wàn)千瓦風(fēng)電基地，在河北﹑內(nèi)蒙古﹑遼寧等地建立若干百萬(wàn)千瓦風(fēng)電基地。1.3大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀及主要問(wèn)題1.3.1并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是自然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)力機(jī),經(jīng)齒輪箱升速后驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。目前國(guó)內(nèi)外普遍使用的是水平軸、上風(fēng)向、定槳距(或變槳距)風(fēng)力機(jī),其有效風(fēng)速范圍為3～30m/s,額定風(fēng)速一般設(shè)計(jì)為8～15m/s,風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)速大約為20～30r/min。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展依賴于大容量電力電子技術(shù)的成熟,從結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方面可分為直接驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。在風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中,風(fēng)力機(jī)直接與發(fā)電機(jī)相連,不需要齒輪箱升速,發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率隨轉(zhuǎn)速變化,通過(guò)交-直-交或交-交變頻器與電網(wǎng)相聯(lián),在電網(wǎng)側(cè)得到頻率恒定的電壓。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)包括繞線式異步發(fā)電機(jī)、變頻器和控制環(huán)節(jié),其定子繞組直接接入電網(wǎng),轉(zhuǎn)子采用三相對(duì)稱繞組,經(jīng)背靠背的雙向電壓源變頻器與電網(wǎng)相連,給發(fā)電機(jī)提供交流勵(lì)磁,勵(lì)磁頻率即為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的解耦,降低了風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)之間的相互影響,但是它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、技術(shù)難度大。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也將進(jìn)一步成熟。特別是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī),不僅改善了風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行性能,而且大大降低了變頻器的容量,至今已逐漸發(fā)展成風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的主流。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、過(guò)載能力強(qiáng)以及運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn),是過(guò)去幾年主要的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。但是在恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,一方面,風(fēng)電機(jī)組直接與電網(wǎng)相耦合,風(fēng)電的特性將直接對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響,另一方面,其發(fā)電設(shè)備為異步發(fā)電機(jī),它的運(yùn)行需要無(wú)功電源的支持,加重了電網(wǎng)的無(wú)功負(fù)擔(dān),使系統(tǒng)的潮流分布更加復(fù)雜。因此它的并網(wǎng)運(yùn)行將給系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行帶來(lái)許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的新問(wèn)題,隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大,這些問(wèn)題將愈加突出。1.3.2風(fēng)電場(chǎng)與常規(guī)能源電廠主要區(qū)別風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行與常規(guī)能源發(fā)電廠相比在很多方面具有共性,需要解決的只是風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的特殊問(wèn)題。風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電(比如火電、水電和核電)相比,主要區(qū)別如下：(1)由于風(fēng)力的隨機(jī)性和間歇性,風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出亦具有隨機(jī)性,大小取決于風(fēng)速的變比,而常規(guī)能源的有功輸出和無(wú)功輸出都可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。(2)過(guò)去廣泛采用的風(fēng)電機(jī)組屬于異步發(fā)電機(jī),雖然在機(jī)端出口處裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償電容器組,但在輸出有功的同時(shí),發(fā)電機(jī)仍然會(huì)吸收電網(wǎng)的無(wú)功功率,從而引起機(jī)端出口電壓的波動(dòng),而常規(guī)能源機(jī)組都是同步發(fā)電機(jī)組。(3)相對(duì)于常規(guī)能源機(jī)組,風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量較小,大量風(fēng)電機(jī)組并列運(yùn)行是風(fēng)電場(chǎng)的重要特點(diǎn)。1.3.3并網(wǎng)存在的主要問(wèn)題(1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)的沖擊異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)條件是頻率和電壓要與電網(wǎng)一致。異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)時(shí),沒(méi)有獨(dú)立的勵(lì)磁裝置,并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)本身沒(méi)有電壓,因此并網(wǎng)時(shí)必然伴隨一個(gè)過(guò)渡過(guò)程,流過(guò)5～6倍額定電流的沖擊電流,一般經(jīng)過(guò)幾百毫秒后轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。沖擊電流的大小與其本身暫態(tài)電抗和并網(wǎng)時(shí)的電壓高低有關(guān),其有效值還與并網(wǎng)時(shí)的滑差有關(guān)?；钤酱髣t交流暫態(tài)衰減時(shí)間就越長(zhǎng),并網(wǎng)時(shí)沖擊電流有效值也就越大。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí),合閘瞬間的沖擊電流對(duì)發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行不會(huì)有太大影響。但對(duì)小容量的電網(wǎng)而言,風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)瞬間將會(huì)造成電網(wǎng)電壓的大幅度下跌,從而影響接在同一電網(wǎng)上的其他電器設(shè)備的正常運(yùn)行,甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。目前可以通過(guò)裝設(shè)軟起動(dòng)裝置和風(fēng)機(jī)非同期并網(wǎng)來(lái)削弱沖擊電流,但同時(shí)給電網(wǎng)帶來(lái)一定的諧波污染。(2)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)電能質(zhì)量的影響風(fēng)速變化、湍流以及風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)造成的紊流會(huì)引起風(fēng)電功率的波動(dòng)和風(fēng)電機(jī)組的頻繁啟停;風(fēng)機(jī)的桿塔遮蔽效應(yīng)使風(fēng)電機(jī)組輸出功率存在周期性的脈動(dòng)。功率的變化將會(huì)使電網(wǎng)頻率在一定范圍波動(dòng),影響電網(wǎng)中頻率敏感負(fù)荷的正常工作。風(fēng)電功率的波動(dòng)勢(shì)必會(huì)引起電壓的變化,主要表現(xiàn)為:電壓波動(dòng)、電壓閃變、電壓跌落以及周期性電壓脈動(dòng)等。此外,風(fēng)電機(jī)組中的電力電子控制裝置如果設(shè)計(jì)不當(dāng),將會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流,引起電壓波形發(fā)生不可接受的畸變,并可能引發(fā)由諧振帶來(lái)的潛在問(wèn)題。(3)對(duì)保護(hù)裝置的影響為了減少風(fēng)電機(jī)組的頻繁投切對(duì)接觸器的損害,在有風(fēng)期間風(fēng)電機(jī)組都保持與電網(wǎng)相連,當(dāng)風(fēng)速在起動(dòng)風(fēng)速附近變化時(shí),允許風(fēng)電機(jī)組短時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行,因此,風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線的功率流向有時(shí)是雙向的,風(fēng)電場(chǎng)繼電保護(hù)裝置的配置和整定應(yīng)充分考慮到這種運(yùn)行方式。異步發(fā)電機(jī)在發(fā)生近距離三相短路故障時(shí)不能提供持續(xù)的故障電流,在不對(duì)稱故障時(shí)提供的短路電流也非常有限。風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)在于如何根據(jù)有限的故障電流來(lái)檢測(cè)故障的發(fā)生,使保護(hù)裝置準(zhǔn)確而快速的動(dòng)作。另一方面,盡管風(fēng)力發(fā)電提供的故障電流非常有限,但也有可能會(huì)影響現(xiàn)有配電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)裝置的正確運(yùn)行。(4)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)頻率的影響在系統(tǒng)頻率方面,風(fēng)電場(chǎng)的影響取決于風(fēng)電場(chǎng)容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤?。?dāng)風(fēng)電場(chǎng)容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時(shí),其輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)頻率的影響會(huì)比較顯著,影響了電網(wǎng)的一些頻率敏感負(fù)荷的正常工作。由于目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)占系統(tǒng)總?cè)萘勘壤€比較低,因此,頻率穩(wěn)定并不是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行中的主要問(wèn)題[9]。1.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式1.4.1直接并網(wǎng)這種并網(wǎng)方式要求并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同，當(dāng)風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速的90%-100%時(shí)，即可完成自動(dòng)并網(wǎng)，如圖1-1所示。自動(dòng)并網(wǎng)的信號(hào)由測(cè)速裝置給出，然后通過(guò)自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)合閘完成并網(wǎng)過(guò)程。這種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)同步并網(wǎng)簡(jiǎn)單，但并網(wǎng)瞬間存在三相短路現(xiàn)象，并網(wǎng)沖擊電流達(dá)到額定電流的4-5倍，會(huì)引起電力系統(tǒng)電壓的瞬時(shí)下降，因此這種并網(wǎng)方式只適用于異步發(fā)電機(jī)容量在百千瓦級(jí)以下[12]。它的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。渦輪渦輪無(wú)功補(bǔ)償發(fā)電機(jī)電網(wǎng)圖1-1直接并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖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(kāi)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(guò)功率變換器連接到電網(wǎng)。該功率變換器的容量?jī)H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(guò)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)組的總的功率因數(shù)得到改善。結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示[11]。發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) 渦輪渦輪電網(wǎng)電網(wǎng)DC/ACAC/DCDC/ACAC/DC圖1-2雙饋并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖1.4.3直驅(qū)并網(wǎng)電網(wǎng)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(jiǎn)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(guò)一臺(tái)全功率的變頻器連接到電網(wǎng)。變頻器，將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。電網(wǎng)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)DC/ACAC/DC渦輪DC/ACAC/DC渦輪圖1-3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(wú)齒輪箱變速永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩種，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(wú)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)[16]。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)，有以下幾種：1.5.1二極管整流+晶閘管有源逆變其優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單可靠，開(kāi)關(guān)主器件完全能夠國(guó)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(wú)法將能量饋入電網(wǎng)。交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī)風(fēng)輪升壓變壓器CL電網(wǎng)不控整流有源逆變圖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(guò)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(wú)法將能量饋入電網(wǎng)。但開(kāi)關(guān)主器件完全能夠國(guó)產(chǎn)化，大大降低了風(fēng)機(jī)的成本。交流發(fā)電交流發(fā)電機(jī)風(fēng)輪升壓變壓器CL電網(wǎng)相控整流有源逆變圖1-5二極管整流+晶閘管有源逆變電路1.6本章小結(jié)本章主要分析了風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀，并網(wǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題，以及當(dāng)前風(fēng)機(jī)變流器主要形式的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展方向，最后闡述了本文的主要工作。本文提出的晶閘管整流+晶閘管有源逆變變流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)理論分析，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(guó)產(chǎn)化的比重。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(guò)其具有良好性能的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，主要用交直交變流電路。本章主要就晶閘管整流+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主電路工作原理本文中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變流系統(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)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(guò)一個(gè)升壓變壓器并到網(wǎng)上。下面是本文系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D：交流發(fā)電交流發(fā)電機(jī)風(fēng)輪升壓變壓器CL電網(wǎng)相控整流有源逆變圖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π/2<α<π范圍內(nèi)(對(duì)應(yīng)0<β<π/2)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。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/3角度，每隔π/3換流一次，元件按V1一V2一V3一V4一V5一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)，本文系統(tǒng)中采用的是用寬脈沖的形式來(lái)觸發(fā)晶閘管[4]。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:Ud＝2.34Uαcosβ（2-1）Uα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。β是逆變控制角。設(shè)直流輸入電壓為Ui，直流電流的平均值為:Id＝（Ui－Ud）∕R（2-2）直流側(cè)反饋至電網(wǎng)的有功功率為:Pd＝2.34UαIdcosβ（2-3）將(2-1)和(2-2)式代入（2-3）后得:Pd＝（2.34Uα/R）(Ui－2.34Uαcosβ)cosβ（2-4）當(dāng)主回路結(jié)構(gòu)一定時(shí)，改變輸入直流電壓以和逆變角β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β來(lái)調(diào)節(jié)反饋功率的大小。反饋功率和逆變角β的關(guān)系如圖2-2所示:PPβπ/2π/3π/6圖2-2反饋功率和逆變角β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cosβ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(guò)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，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失或脈沖延時(shí)情況的出現(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。在應(yīng)該阻斷期間，器件失去阻斷能力，如斷態(tài)重復(fù)峰值電壓裕量不足，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(méi)有平衡直流電源的交流電壓，反電勢(shì)將通過(guò)晶閘管短路，造成逆變頗覆。(4)當(dāng)逆變角β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，正確選用晶閘管元件參數(shù)，特別是電壓定額和承受du/dt，di/dt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(lái)考慮，必須限制逆變角在一個(gè)允許的最小角度βmin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(guò)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=200-300μs:對(duì)應(yīng)的角度θ=4°-5°。2)換流重疊角μ，隨直流平均電流及換流電抗的增大而增大。一般情況下μ=15°-20°。3)安全裕量φ=10°，以考慮觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)間誤差。這樣，最小逆變角βmin=θ+μ+φ，一般βmin=30°-35°。當(dāng)逆變電路工作時(shí)，必須保證β≧βmin[1]。2.1.4換流重疊現(xiàn)象和整流電路一樣，實(shí)際逆變電路中各晶閘管支路總存在有各種電感，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(guò)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(zhǎng)，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γ稱為換流重疊角。圖2-3考慮換流重疊時(shí)流過(guò)晶閘管的電流波形與三相橋式整流電路一樣，換流重疊角γ的計(jì)算公式為：cosα－cos(α+γ)＝2UBId∕Uα(2-5)Uα為電網(wǎng)相電壓:Id為直流側(cè)電流:XB為電網(wǎng)側(cè)電感量為L(zhǎng)B的變壓器每相折算到次級(jí)繞組的漏感，XB=ωLB。與整流電路不同的是逆變過(guò)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Ud＝2.34Uαcos(β-γ/2)cosμ/2(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(lái)不良后果。如果逆變角β小于換流重疊角γ，則當(dāng)經(jīng)過(guò)自然換流點(diǎn)后，該截止的晶閘管仍繼續(xù)導(dǎo)通，從而使Ud改變極性造成回路短路，出現(xiàn)逆變顛覆[5]。2.2控制系統(tǒng)概述任何控制系統(tǒng)都有三個(gè)基本要求:穩(wěn)、準(zhǔn)、快。為了滿足系統(tǒng)無(wú)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，系統(tǒng)采用了增量式數(shù)字PID算法。控制系統(tǒng)框圖包括電壓電流采樣單元、晶閘管觸發(fā)電路、信號(hào)調(diào)理電路、低通濾波器。系統(tǒng)啟動(dòng)后，電壓、電流檢測(cè)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，由MCU的A/D單元進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)PID算法得出三相晶閘管觸發(fā)角的控制電壓，由經(jīng)隔離和DAC芯片轉(zhuǎn)換為0-5V電壓，經(jīng)CA6100觸發(fā)電路轉(zhuǎn)化為三相晶閘管的導(dǎo)通角在5-175°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?？刂齐娐纷饔弥饕强刂凭чl管逆變器的逆變角β，來(lái)調(diào)節(jié)直流母線上的電壓使其穩(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β，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β，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(guò)載，即當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓會(huì)過(guò)大，這時(shí)要增大整流器的整流角α，使其輸出的母線電壓下降達(dá)到防止母線電壓過(guò)載的問(wèn)題。整流器的控制:將直流側(cè)電壓取樣反饋，通過(guò)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(guò)載電壓時(shí)整流器才動(dòng)作，這是電壓控制的基本結(jié)構(gòu)。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(guò)計(jì)算求出，同時(shí)檢測(cè)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(guò)晶閘管驅(qū)動(dòng)電路控制3相逆變橋的逆變角β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。2.3大功率晶閘管有源逆變器的硬件組成在以上理論基礎(chǔ)上，分析了一臺(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(cè)、脈沖觸發(fā)、系統(tǒng)控制等幾個(gè)部分組成。如圖2-4所示:整流部分L逆變部分電網(wǎng)輸入C脈沖觸發(fā)及驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)電路脈沖觸發(fā)及驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)電路微機(jī)控制MCU同步信號(hào)微機(jī)控制MCU圖2-4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2-5所示:圖2-5三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)。平波電抗器L有三個(gè)作用：=1\*GB2⑴能使直流輸出的電流更加平直，是電路中不可缺少的儲(chǔ)能元件。=2\*GB2⑵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。=3\*GB2⑶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(guò)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)。晶閘管正常工作時(shí)的特性如下：=1\*GB2⑴當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通=2\*GB2⑵當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通=3\*GB2⑶晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否存在，晶閘管都保持導(dǎo)通=4\*GB2⑷若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下根據(jù)晶閘管的特性，當(dāng)其一旦導(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(lái)關(guān)斷晶閘管，即在換向時(shí)晶閘管的陰極電壓高于陽(yáng)極電壓形成反向抽流，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(shuō)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:1)觸發(fā)脈沖應(yīng)與交流電源同步2)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3)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0°<α<90°，即逆變角在30°<β<90°，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有著重要作用。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)電路的諧波電流，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。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。在本文系統(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220V交流，副邊電壓為15V交流，由于直流母線上電壓為690V，母線上限流電阻為10Ω，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（2-7）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)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(guò)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S2=8.91kVa。變壓器原邊繞組上的最大電壓為380V，所以原邊電流=7.82A(2-8)2.4.2晶閘管參數(shù)的計(jì)算=1\*GB2⑴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)KU(1.5一2.0)要選取較大的數(shù)值。所以(2-9)故UT=1200V。=2\*GB2⑵電流容量選擇通過(guò)每個(gè)晶閘管的電流的有效值IT與線電流I的關(guān)系為:(2-10)實(shí)際承受的最高等效平均電流ITav，為:(2-11)式中，Ki為電流安全系數(shù)，一般取Ki=2一3。則(2-12)取ITav=400A2.4.3瞬態(tài)抑制電路參數(shù)計(jì)算為了吸收換流過(guò)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2-6所示:RSRCL圖2-6晶閘管瞬態(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(kāi)通時(shí)電流上升率，而且能抑制其電壓上升率。=1\*GB2⑴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(lái)吸收尖峰狀的過(guò)電壓，保護(hù)晶閘管?？紤]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(guò)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(guò)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(kāi)通損耗。例如本文系統(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:R=35Ω，C=0.33μF電阻的功率:(2-13)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;Ucm為電容上電壓最大值，Ucm=UT。所以(2-14)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率，使其消耗功率加大，所以取PR=15w。電容耐壓：(2-15)因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓波動(dòng)較大，取UC=1000V。但是阻容電路吸收過(guò)電壓的能力是有限的，出現(xiàn)雷擊等原因引起電網(wǎng)上產(chǎn)生更高的過(guò)電壓，或者過(guò)電壓的持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，過(guò)電壓仍會(huì)超過(guò)允許值。因此，在晶閘管兩端再并接壓敏電阻。=2\*GB2⑵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(guò)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):1)標(biāo)稱電壓UM應(yīng)大于電路正常工作時(shí)其兩端電壓的峰值。UM=(1.15-1.3)×1.5×U2=(700--790)V(2-16)取UM=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)[13]。2.4.4快速熔斷器的參數(shù)選擇快速熔斷器串聯(lián)在三相交流進(jìn)線中，對(duì)主電路中出現(xiàn)的過(guò)流起保護(hù)作用。熔斷器主要有熔體和安裝熔體的導(dǎo)電零件組成，此外還有絕緣座和絕緣管等。=1\*GB2⑴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?？紤]到開(kāi)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\*GB2⑵額定電流I的選擇這一參數(shù)是指能長(zhǎng)期承受的最大電流(有效值)。選取原則:KiI>I*>I(2-17)式中Ki為晶閘管電流安全系數(shù)；I為實(shí)際工作電流的有效值。因此選取I*=500A[6]。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，以及解釋了逆變失敗等事項(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(shuō)是在理論上奠定了堅(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(lái)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)和諧波及無(wú)功分析。3控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.1控制系統(tǒng)功能描述控制系統(tǒng)硬件電路主要包括主控芯片電路、D/A轉(zhuǎn)換及其與單片機(jī)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)濾波器可以更好地抑制諧波，使送入電網(wǎng)的交流電能滿足電網(wǎng)要求。本文系統(tǒng)控制采用的是先進(jìn)增量式數(shù)字PID控制原理，由主控芯片ATmega16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，系統(tǒng)采樣的數(shù)據(jù)通過(guò)ATmega16的ADC轉(zhuǎn)化單元輸入到單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)PID環(huán)節(jié)的計(jì)算后得出控制信號(hào)輸出到系統(tǒng)中的DAC轉(zhuǎn)換器中經(jīng)CA6100晶閘管觸發(fā)板緩沖后直接控制三相橋式晶閘管的觸發(fā)角。3.1.2ATmega16單片機(jī)特性簡(jiǎn)介ATmega16是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。工作于空閑模式時(shí)CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時(shí)終止CPU和除了異步定時(shí)器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。本芯片是片內(nèi)ISPFlash允許程序存儲(chǔ)器通過(guò)ISP串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)(ApplicationFlashMemory)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(BootFlashMemory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW操作。通過(guò)將8位RISCCPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega16成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16具有一整套的編程與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，包括：C語(yǔ)言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器、軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板[10]。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)原理根據(jù)控制系統(tǒng)包含的功能和所選擇的主控制器特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的變流裝置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理如圖所示。晶閘管觸發(fā)電路CA6100D/A轉(zhuǎn)換器晶閘管觸發(fā)電路CA6100D/A轉(zhuǎn)換器ATmega16I/O口輸出ATmega16I/O口輸出數(shù)字PID數(shù)字PID三相交直交變頻主電路A/D采樣調(diào)理電路整流輸出采樣電壓三相交直交變頻主電路A/D采樣調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換整流輸出采樣電流A/D轉(zhuǎn)換逆變并網(wǎng)側(cè)采樣電壓逆變并網(wǎng)側(cè)采樣電流圖3-1控制系統(tǒng)框圖3.2.2主控芯片的功能ATmega16這款單片機(jī)是AVR系列單片機(jī)中最高端型號(hào)，非常適合本文的逆變控制系統(tǒng)。選擇它作為本系統(tǒng)主控芯片的原因有以下幾個(gè):=1\*GB2⑴它應(yīng)用的是精簡(jiǎn)指令集，所以運(yùn)算速度快，能滿足本系統(tǒng)的要求。=2\*GB2⑵它自身集成了一個(gè)10位的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而省去了外加ADC轉(zhuǎn)換器帶來(lái)的成本升高系統(tǒng)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。=3\*GB2⑶它能支持ISP在線編程即無(wú)需更換芯片即可使系統(tǒng)升級(jí)。3.2.3DAC轉(zhuǎn)換器圖3-2MAX5154內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖MAX5154內(nèi)部的運(yùn)算放大器增益可以設(shè)置成1或2。還可設(shè)置成單極性或雙極性輸出電壓。MAX5154利用1個(gè)帶有單電源供電的運(yùn)算放大器“倒轉(zhuǎn)的”R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)，將10位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)。由于電流輸出型A/D轉(zhuǎn)換器的REFIN引腳是運(yùn)算放大器求和的連接點(diǎn)或虛地。然而，相對(duì)參考電壓來(lái)說(shuō)這種應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致輸出電壓反向，MAX5154的拓?fù)涫沟幂敵龅臉O性與參考電壓輸入極性相同。上電時(shí)，內(nèi)部復(fù)位電路使DAC寄存器復(fù)位為零，此外，當(dāng)CLR引腳保持低電平時(shí)，使寄存器都置零，CLR引腳的工作異步并獨(dú)立于片選CS端。此外，MAX5154內(nèi)部帶有2.048V的電壓基準(zhǔn)源，可以作為A/D采集單元的參考電壓。3.2.4D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的光電接口電路圖3-3DAC與MCU之間的光電接口電路為保證轉(zhuǎn)換的精度并減少接線D/A轉(zhuǎn)換選用串行12位D/A轉(zhuǎn)換器MAX5154。該芯片具有功耗低，抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于工業(yè)過(guò)程控制、自動(dòng)測(cè)試、智能儀器儀表等領(lǐng)域。MAX5154是雙通道，12位分辨率，電壓輸出的D/A轉(zhuǎn)換器，每路DAC都由輸入寄存器和DAC寄存器組成的雙緩沖輸入。此外，MAX5154是與SPFQSPI和Microwire串行接口兼容的三線串行接口，在系統(tǒng)中MAX5154作為接受器件，由單片機(jī)發(fā)出的片選信號(hào)、輸入數(shù)據(jù)，在芯片內(nèi)串行控制的作用下，將串行信息首先輸入16位移位寄存器。在過(guò)程控制中，由于被控對(duì)象往往處在較強(qiáng)的噪聲環(huán)境中，因此，為確保系統(tǒng)可靠地工作，采用光電隔離的方法，切斷單片機(jī)與外設(shè)之間的公共地線進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，可采用數(shù)字隔離及在I/O與D/A之間進(jìn)行隔離。具體做法是用鎖存器對(duì)地址信號(hào)、控制信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行鎖存，在通過(guò)光耦器件對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離，然后用這些信號(hào)對(duì)D/A芯片進(jìn)行操作，完成多路開(kāi)關(guān)的選通，完成D/A轉(zhuǎn)換。這種方法可靠、方便、經(jīng)濟(jì)，不影響D/A的精度和線性度。電路如圖3-3所示[13]。3.2.5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:(1)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的兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，本系統(tǒng)采用寬脈沖(>60°)觸發(fā)電路。(3)各觸發(fā)電路應(yīng)與相應(yīng)的網(wǎng)側(cè)交流電壓相序一致，并且保持同步。傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)電路是KC、KJ小規(guī)模集成電路。他們的基本控制思想都是利用將同步正弦波信號(hào)處理后得到的三相鋸齒波與直流控制信號(hào)相比較，以獲得相移信號(hào)的參考點(diǎn)。比較信號(hào)中小的干擾就可能造成較大的相移誤差，因而電路的可靠性和自動(dòng)平衡能力較差。CA6100通用三相晶閘管觸發(fā)板則完全脫離了前述的控制思路，它利用鎖相環(huán)技術(shù)、根據(jù)壓控振蕩器(VCO)鎖定的三相同步信號(hào)之間的邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)出的晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。CA6100電路是以40芯CMOS大規(guī)模集成電路(專用芯片)為核心，利用鎖相環(huán)技術(shù)(PLL)和多芯片合成技術(shù)(MCM)，根據(jù)壓控振蕩器(VCO)鎖定的三相同步信號(hào)間的邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)出的一種晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。0-5V的直流輸入電壓信號(hào)，可以控制輸出脈沖的移相從5-175度可調(diào)。用計(jì)算機(jī)送出的D/A信號(hào)控制大功率晶閘管的工作。三相晶閘管逆變器可以通過(guò)改變晶閘管的逆變角β的大小來(lái)調(diào)節(jié)逆變器輸入的直流電壓和逆變輸出的交流電流的有效值。而整流器是控制它的觸發(fā)角a來(lái)控制防止直流母線上電壓過(guò)載。系統(tǒng)把從主電路上采集來(lái)的數(shù)字反饋信號(hào)值和給定值進(jìn)行差分比較再通過(guò)數(shù)字PID算法得到輸出為0-5V的信號(hào)電壓給三相晶閘管觸發(fā)電路CA6100，CA6100即可實(shí)現(xiàn)把電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的晶閘管觸發(fā)角并對(duì)晶閘管進(jìn)行觸發(fā)導(dǎo)通，從而達(dá)到對(duì)整流器和逆變器的控制。觸發(fā)電路只要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成:相位基準(zhǔn)電路，緩沖放大器，鎖相環(huán)，缺相檢查及禁止電路，相序檢測(cè)，監(jiān)控電路，脈沖放大電路和脈沖放大器。其結(jié)構(gòu)原理如圖3-4所示:緩沖放大控制電路緩沖放大環(huán)路濾波器A環(huán)路濾波器計(jì)數(shù)器VCO檢相器B計(jì)數(shù)器VCO檢相器C禁止接口禁止接口邏輯陣列相序檢測(cè)邏輯陣列相序檢測(cè)觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖圖3-4CA6100晶閘管觸發(fā)結(jié)構(gòu)原理圖3.2.6主電路的信號(hào)檢測(cè)為了有效的檢測(cè)到主電路的輸出電壓、電流，需要對(duì)整流后直流電壓、電流，交流網(wǎng)側(cè)三相輸出電壓、電流進(jìn)行信號(hào)采樣。在許多實(shí)際系統(tǒng)中，主電路的電流數(shù)值較大，為便于測(cè)量和控制，就需要將大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)，常用的元器件有分流器、霍爾電流傳感器和電流互感器。分流器相當(dāng)于功率較大的采樣電阻，應(yīng)用時(shí)串聯(lián)在主回路中而從其兩端輸出小的電壓信號(hào)，對(duì)應(yīng)分流器的額定電流一般輸出為75mA。因此輸入與輸出之間沒(méi)有電的隔離，而且輸出信號(hào)一般經(jīng)過(guò)放大之后再進(jìn)行控制。霍爾電流傳感器輸入輸出之間具有良好的電隔離，被測(cè)信號(hào)的頻率范圍較寬，測(cè)量結(jié)果具有良好的精確度和線性度，但是正常工作時(shí)需要外接直流穩(wěn)壓電源，且一般為正負(fù)雙電源。普通的電流互感器原理如圖3-5所示，輸入與輸出之間具有良好的電隔離，在規(guī)定的工作頻率下有較高的精確度。額定二次電流一般為5A，少數(shù)有1A、0.5A、1A。正常工作時(shí)在副邊接測(cè)量回路(測(cè)量?jī)x表)或保護(hù)回路(接繼電器)，運(yùn)行在近似短路狀態(tài)。其主要參數(shù)有:=1\*GB2⑴電流比額定電流比:K1n=I1n/I2n=N2/N1=2\*GB2⑵負(fù)荷和容量額定負(fù)荷一般很小，不超過(guò)幾歐姆。=3\*GB2⑶額定電壓其誤差ε的計(jì)算公式為:ε=KZ02/N22Sμ=K(Z2+Z)/N22Sμ(3-1)式中，K一常數(shù);Z2一二次繞組內(nèi)阻抗;Z一二次負(fù)荷阻抗;Z02一二次回路總阻抗;N2一二次繞組匝數(shù);S一鐵心截面;μ一鐵心磁導(dǎo)率II1I2R被測(cè)線路圖3-5電流互感器原理圖對(duì)于直流側(cè)輸出電壓，采用分壓比為100:1的專用分壓器進(jìn)行降壓，再通過(guò)霍爾電壓傳感器KV10A/P進(jìn)行采集。KV10A/P模塊是磁平衡式電流傳感器，利用霍爾效應(yīng)，采用磁補(bǔ)償原理，被測(cè)回路與輸出回路絕緣，輸出電流正比于被測(cè)電壓。二次電流采集則采用回路串電阻的方式，采樣電阻采用1Ω/5W的功率電阻，同時(shí)在電阻兩端并聯(lián)無(wú)極性電容和快速恢復(fù)二極管作為保護(hù)電路，防止反應(yīng)器放電時(shí)出現(xiàn)電壓尖峰，對(duì)控制系統(tǒng)造成損害。對(duì)于交流側(cè)輸出電壓，采用380V/5V的變壓器進(jìn)行降壓，并實(shí)現(xiàn)了電源主電路和控制系統(tǒng)的隔離。對(duì)于一次電流的檢測(cè)，則選用DELIXI的LMZJI一0.5系列電流互感器，其電流比為150A/5A，再通過(guò)調(diào)理電路接入ATmega16的ADC轉(zhuǎn)換器。采樣輸入調(diào)理電路主要作用是把采樣反饋回來(lái)的信息通過(guò)隔離變壓器與控制系統(tǒng)進(jìn)行隔離，再通過(guò)精密整流電路整流，運(yùn)算放大電路進(jìn)行成比例的縮放到0一5V穩(wěn)定的直流電壓信號(hào)，輸出給MCU的ADC轉(zhuǎn)換器，可以說(shuō)信號(hào)調(diào)理電路起著傳感器和ADC轉(zhuǎn)換器之間紐帶的作用。如圖3-6所示為本設(shè)計(jì)中信號(hào)調(diào)理電路的電路原理圖。圖3-6交流采樣調(diào)理電路原理圖3.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序流程圖如圖3-7所示:上電復(fù)位上電復(fù)位數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析初始化MCU,ADC,DAC,定時(shí)器初始化MCU,ADC,DAC,定時(shí)器數(shù)字濾波開(kāi)中斷數(shù)字濾波開(kāi)中斷關(guān)閉脈沖輸出是否故障？等待中斷是關(guān)閉脈沖輸出是否故障？等待中斷是否中斷？否否是否中斷？PID調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)輸出信息給ADC是輸出信息給ADC啟動(dòng)ADC采集電壓，電流信息啟動(dòng)ADC采集電壓，電流信息返回返回圖3-7系統(tǒng)軟件流程圖系統(tǒng)上電復(fù)位后進(jìn)行初始化，包括MCU的I/O設(shè)置、ADC模塊定時(shí)器的設(shè)置，其中定時(shí)器中斷時(shí)間周期設(shè)置為A/D采樣周期。初始化完畢后，開(kāi)中斷，等待中斷。響應(yīng)中斷后，根據(jù)中斷向量寄存器的值判斷中斷類型。如果中斷為定時(shí)器中斷，則啟動(dòng)ADC模塊，采集各路電壓、電流信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如果數(shù)據(jù)分析表明系統(tǒng)發(fā)生故障(包括過(guò)壓、過(guò)流、缺相等)，進(jìn)入故障處理程序，關(guān)閉脈沖輸出，使主電路停止工作如果數(shù)據(jù)分析表明系統(tǒng)工作正常，則根據(jù)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行PID計(jì)算，調(diào)節(jié)輸出脈沖的相角，達(dá)到閉環(huán)控制使母線上電壓穩(wěn)定在給定值上。3.3.1PID算法PID控制是一種線性控制算法，根據(jù)給定與實(shí)際值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合達(dá)到控制目標(biāo)。比例控制可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，積分控制可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微分控制可以減小調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。PID算法分為位置型和增量型，由于位置型PID需要用到各采樣時(shí)刻的偏差值，計(jì)算復(fù)雜，且需要占用內(nèi)存。而增量型PID有誤動(dòng)作小、易于實(shí)