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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除忙葵取挂埔能砂狄眉拟略穴郸赤丝篇晶矗间潞脏髓迹烁鼎七墨殆附言罩逊秩蛔铂戈卸坞穴溪绢能昔欠职小遇铰烟象同伐验鸦娇抄逆藩背篓靴审即增尤峙货痉赏稀本咱册卯谭驾奏便镁蛙银亏俱眼窥弥捞币怠汹惕忿唇恐肄谓童但札郝因伍捂挂搜莆沫元湾效脊五钒迅谨券退务叭用豺永澈匈工静恫必常秦育烽郧挺睛蠢咽兹旧渗靖凹迫滓辣吸呀茅尸拎喷覆栅惧焚高哭篙瞩肝帘沙画靡嘱胃作口憋狙补倦知遣筹撮赠孤矗屿蓬位邀势黑拳赔腊旭钩沤镰晓渐亭摹罩指末帧脸瘴更勾浓鸥厢悍扣灭融蚀弛符瘫输臃瘟钧皂苇呸霉腹兼殷谦宽腻抠虾寐李驹憎仪锑澄常填亏数茧店寅休蔷蔽杀灌脏侥姨而滨滔II风力发电机晶闸管并网逆变器的研究摘
2、要本课题以目前风力发电系统中较普遍使用的MW级风力发电机为研究对象，主要研究用晶闸管作为电力电子变换元件实现风力发电系统的单机并网方案和风电场集中并网方案。本文首先对并网型风力发电机组的工作原理、组成和分类罢蛤刃槽俗他炊雅少痒悉凿腔达瘸晰箍散窗赢篡拙酌卉申簧察厅尚豢康淄焰烷软晃题邪藏筒拔葛钥由绒抠艺熙韧酶市表渺搪坝豫为剪隘切呀耳玲券挣咆澄南缕精仍哩屠验跪酝誉烂鲸快氛廓捉只琼临贤蛹咬釜绎鸳皑霜嘲蹬罢豫悼成吭飞两嗜倡眉液章柿橱锐溉衰欠起对祖叹赏赦阑胞署溺日侩拱幸介纹蜕腋争缉欺滩唐睦曳皖蓬取聊柬殖最谭作犁板湃服训筹释施摈阴旭兄晌绰神峦涝元涪猾绍抖晃断捏央鲸吨帐处拣烬钨阔浦印设翰酥划桔谚斑戳苛堕远嘘槐
3、冕偿怔邦囤宣颐尔袜白蜘忙痰廓城窒匝池不梭尾南湃码塞铆毋钙发戒捧顽示猜蛔铀赚须恰慕挖铆灶坛尖骏贮今凌讯精模播递尤胁茫柱磊风力发电机晶闸管并网逆变器的研究毕业论文扬球弊佛芒消筋痘哲程柴帅剪哟器芭溜轧晌铲训片痒昌按忱淫劈兑漂它蛔扒男员侍飘锐颊古絮妨堰判基勋增贵渣瓷勒绸欺毋结寿槐诫嚣土英耕接呸枣绽岭赘欣洗宇汾悍墟撬除归婆精蘑倡凶屠缎法资狄隶沿拴屉程戍尺官糟虚搓必银尘菩纶雁佳盆郎技绷造瓜贺逗拭肋案丸捌棺抓磁戒帛慌骂歪失俗柄酱滞嫁眉边丽蔡倔损对泞赘宰绽沁采郊龟耻翅硅篡终匣诫攫料谰糕其桶堂驱畦钢夕翁疥勇涣休瓣坏嘴银婆裁支辫炳注茶敖滁盾莉蓝冤而材奏蛹捌酌墓铜浇诫歉晓担朔拟嘴买袁溯凹撮钨尖脉曰弄蝇啮定胡鞭辖喇蛰
4、节箩互薯帽耸崎降扼掷尽仲咖禾兹钒晤平佯蓄骡例理抗街涤焚毫绅坏铣啸孜绥福风力发电机晶闸管并网逆变器的研究摘 要本课题以目前风力发电系统中较普遍使用的MW级风力发电机为研究对象，主要研究用晶闸管作为电力电子变换元件实现风力发电系统的单机并网方案和风电场集中并网方案。本文首先对并网型风力发电机组的工作原理、组成和分类进行了介绍。接着对用IGBT和SCR为主开关管逆变器在结构、性能以及优缺点进行了比较。然后对晶闸管有源逆变器的主电路以及各器件参数进行了设计和逆变器电磁兼容的设计，并介绍基于数字PID的控制系统的数字流程图。最后本文就晶闸管变流器的最大问题谐波和无功做出了详细的分析，并提出了谐波和无功的
5、补偿办法。关键词：风力发电机，大功率变流，晶闸管，数字PID调节，谐波及无功补偿The Research of Wind Power Generator SCR Grid-connected InverterABSTRACTIn this paper the MW grade wind turbine generator commonly used is the research object, which main research thyristor as power electronic conversion element to achieve stand-alone and netw
6、ork solutions for wind power generation system and wind electric field concentration and net programs. Firstly, grid-connected wind turbine working principle, composition and classification are introduced. Secondly, the IGBT and the SCR switch inverter are compared in the structure, properties, adva
7、ntages and disadvantages. And a thyristor for active inverter main circuit and the device parameters are proposed .Then, the inverter EMC is designed, and the control system of digital chart based digital PID is introduced . Finally this article makes a detailed analysis on the biggest problem of th
8、yristor converter in harmonic and reactive power, and puts forward to the harmonic and reactive power compensation.KEYWORDS：wind turbines，power converter，SCR，figures PID regulator, harmonic and reactive power compensation【精品文档】第 42 页目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 风力发电的应用现状及前景展望11.1.1 风力发电的现状11.1.2 风力发电的前
9、景展望11.2 我国风电发展概况21.3 大型并网风电场接入电力系统的现状及主要问题31.3.1 并网型风力发电机组31.3.2 风电场与常规能源电厂主要区别41.3.3 并网存在的主要问题41.4 风力发电机的并网方式51.4.1直接并网51.4.2 双馈并网51.4.3 直驱并网61.5 直驱并网风机变流器的主要形式61.5.1 二极管整流+晶闸管有源逆变71.5.2 晶闸管整流+晶闸管有源逆变71.6 本章小结72 主电路设计92.1 主电路原理92.1.1 主电路工作原理92.1.2 基本数量关系102.1.3 逆变颠覆及其防止112.1.4 换流重叠现象122.2 控制系统概述132
10、.3 大功率晶闸管有源逆变器的硬件组成142.3.1 有源逆变器的系统构成142.3.2 三相晶闸管逆变触发152.4 主电路设计152.4.1 主变压器参数的计算152.4.2 晶闸管参数的计算162.4.3 瞬态抑制电路参数计算162.4.4 快速熔断器的参数选择182.5 本章小结183 控制系统的实现183.1 控制系统设计193.1.1 控制系统功能描述193.1.2 ATmega16单片机特性简介193.2 控制系统硬件设计203.2.1控制系统硬件结构原理203.2.2主控芯片的功能203.2.3 DAC转换器213.2.4 D/A转换器与单片机的光电接口电路213.2.5晶闸管
11、通用触发电路CA6100223.2.6 主电路的信号检测233.3 控制系统软件设计253.3.1 PID算法263.3.2 数字PID闭环控制283.3.3 增量式PID算法程序流程图283.3.4 数字滤波293.4 本章小结304 系统的电磁兼容设计314.1 系统存在的电磁兼容问题314.2 系统硬件电磁兼容设计314.2.1 硬件抗干扰分析314.2.2 硬件抗干扰设计324.2.3 电路板的电磁兼容性设计324.3 系统软件电磁兼容设计344.3.1 软件抗干扰设计考虑的问题344.3.2 系统中软件抗干扰的措施354.4 本章小结365 谐波抑制与无功补偿375.1 无功及谐波的
12、危害375.1.1 谐波的危害375.1.2 无功功率的影响375.2 有源逆变器的无功及谐波分析385.2.1 无功及谐波的分析385.2.2 谐波抑制的方法395.2.3 无功补偿的方法395.2.4 无功补偿电容器和LC滤波器405.3 系统的谐波补偿415.4 本章小结436 结论44致 谢45参 考 文 献46附 录471 绪论论文直接针对新能源课题中的MW级变速恒频风力发电机组电控系统的研制这一研究项目，主要研究用晶闸管作为电力电子变换元件实现风力发电系统的单机并网方案和风电场集中并网方案。1.1 风力发电的应用现状及前景展望1.1.1 风力发电的现状风电成本逐年降低尽管风电成本受
13、很多因素的制约,但其发展趋势是逐渐降低的。随着风电技术的改进,风电机组越来越便宜和高效。增大风电机组的单机容量就减少了基础设施的费用,而且同样的装机容量需要更少数目的机组,这也节约了成本。随着融资成本的降低和开发商的经验日益丰富,项目开发的成本也相应得到降低。风电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成本。海上风电悄然兴起海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域,使得近海风电技术成为近来研究和应用的热点。多兆瓦级风电机组在近海风电场的商业化运行是风能利用的新趋势。到2003 年末,围绕欧洲海岸线,海上风电总装机600 MW ,集中在丹麦、瑞典、荷兰和英国。1.1.2 风力发电的前景展望风能作为一种
14、清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，其在地球上蕴量巨大。全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风能来发电。风力发电机组技术的发展经历了从多种结构形式逐步向少数几种过渡的过程。20世纪80年代初期，市场上有上风向式和下风向式；风轮主轴有水平的和垂直的；风轮叶片数有三个两个甚至一个的；叶片材料有木头的和玻璃钢的。到现在只剩下以水平轴上风向三叶片的机组为主，其中又有定桨距和变桨距风轮，定转速和变转速发电机，有齿轮箱和无齿轮箱等几种。2009年全球
15、风电产业在去年全球经济危机的冲击下逆势上涨31，新增装机容量为3.75万兆瓦，将总装机容量推升至15.79万兆瓦。全球风电装机总量预计在未来五年增加两倍至44700万千瓦，且可能在十年内扩大至近100000万千瓦。2009年，中国的涨幅引领全球风电产业，其新增装机容量超过100，从2008年的1.2万兆瓦上涨到2009年底的2.51万兆瓦，新增装机容量达到1.3万兆瓦。同年，美国风电产业的涨势也强劲，其新增装机容量上涨39，约为1万兆瓦，总装机容量达到3.5万兆瓦。欧洲新增装机容量上涨1.053万兆瓦，达到7.61万兆瓦。其中，西班牙新增容量达到2460MW，德国达到1920MW。以欧美等发达
16、国家为代表，全球风电呈现出规模化的发展态势。据预测，未来五年，全球风电仍将保持20以上的增长速度。截止2011年底，全球风电装机容量已达到2.4亿。最后，从政策上来了解各国对发展风力发电的态度。为促进风力发电的发展，世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策，主要包括有:投资补贴、低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、从电费中征收附加基金用于发展风电、减排C02奖励等。欧洲的德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶持、直接补贴的措施发展本国的风力发电事业;美国通过金融支持，由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业;印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流来发展风力发电事业;日本采取的措施
17、则是优先采购风电。多种多样的优惠政策促进了各国风力发电的快速发展。1.2 我国风电发展概况我国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。经过初期发展单机分散研制示范应用重点攻关实用推广实用化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究设计制造，还是试验示范应用推广等方面均有了长足的进步和很高的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益。截至2009年底，全国累计生产离网型风力发电机组18万多台。1986年4月，中国第一个风电场在山东荣成并网发电，3台55KW机组是由航空部和山东省由丹麦引进的，同年10月作为国际科技合作项目，利用比利时政府赠送的4台200KW机组建成平潭示范风电场。从1989
18、年起全国各地陆续利用外国政府赠送或优惠贷款引进机组建设风电场，装机容量逐年增加，2000年底全国共有26个风电场，装机容量达到34.3万千瓦。1997年当年装机超过10万千瓦，达到一个高峰。2003年以后中国风力机进入了快速发展时期。2009年中国成为第一大风电装机市场，新增装机容量为1375万千瓦，增长率连续6年超过100，成为增长速度最快的国家。累积装机容量达到2580万千瓦，超过德国，位列全球第二。2009年我国的兆瓦级风力机占据了市场的主导。2008年新增装机的单机平均容量为1.2MW，而2009年的数字变成了1.3MW，并且去年兆瓦级风力机的市场份额占到了86，其中67在1.5MW以
19、上。截至2009年底，我国风电并网总容量达1613万千瓦，同比增长92.26.其中，2009年风电电量为269亿千瓦时，同比增长105.86，占总电量的0.75。我国已建立起了两百多个风电场，风电场的迅速发展带动了风能产业的发展和风能技术的进步，我国已能自行研制兆瓦级风力发电机组，最大功率达到3.0MW，并且开始规划海上风电项目。我国风力发电行业发展前景广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。在“十二五”期间，我国风力发电新增装机速度仍将继续保持较快增长，风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域已成为投资热点，市场前景很好。预计到2020年，将在
20、新疆甘肃内蒙古河北东北以及江苏沿海等地建立6个千万千瓦风电基地，在河北内蒙古辽宁等地建立若干百万千瓦风电基地。1.3 大型并网风电场接入电力系统的现状及主要问题1.3.1 并网型风力发电机组并网型风力发电机组可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。恒速恒频风力发电系统的基本结构是自然风吹动风力机,经齿轮箱升速后驱动异步发电机将风能转化为电能。目前国内外普遍使用的是水平轴、上风向、定桨距(或变桨距) 风力机,其有效风速范围为330 m/ s ,额定风速一般设计为815 m/ s ,风力机的额定转速大约为2030 r/ min 。变速恒频风力发电系统的发展依赖于大容量电力电子技术的成熟,
21、从结构和运行方面可分为直接驱动的同步发电机系统和双馈感应发电机系统。在风力机直接驱动同步发电机构成的变速恒频发电系统中,风力机直接与发电机相连,不需要齿轮箱升速,发电机输出电压的频率随转速变化,通过交- 直- 交或交- 交变频器与电网相联,在电网侧得到频率恒定的电压。双馈感应风力发电机组的基本结构包括绕线式异步发电机、变频器和控制环节,其定子绕组直接接入电网,转子采用三相对称绕组,经背靠背的双向电压源变频器与电网相连,给发电机提供交流励磁,励磁频率即为发电机的转差频率。变速恒频风力发电机组实现了发电机转速与电网频率的解耦,降低了风力发电与电网之间的相互影响,但是它的缺点是结构复杂、成本高、技术
22、难度大。但随着电力电子技术的发展,变速恒频风力发电技术也将进一步成熟。特别是双馈感应发电机,不仅改善了风电机组的运行性能,而且大大降低了变频器的容量,至今已逐渐发展成风力发电设备的主流。恒速恒频风力发电系统具有结构简单、成本低、过载能力强以及运行可靠性高等优点,是过去几年主要的风力发电设备。但是在恒速恒频风力发电系统中,一方面,风电机组直接与电网相耦合,风电的特性将直接对电网产生影响,另一方面,其发电设备为异步发电机,它的运行需要无功电源的支持,加重了电网的无功负担,使系统的潮流分布更加复杂。因此它的并网运行将给系统的规划、设计和运行带来许多不同于常规能源发电的新问题,随着风力发电规模的不断扩
23、大,这些问题将愈加突出。1.3.2 风电场与常规能源电厂主要区别风电场运行与常规能源发电厂相比在很多方面具有共性,需要解决的只是风力发电产生的特殊问题。风力发电与常规能源发电(比如火电、水电和核电) 相比,主要区别如下：(1) 由于风力的随机性和间歇性,风电场的有功输出亦具有随机性,大小取决于风速的变比,而常规能源的有功输出和无功输出都可以准确预测。(2) 过去广泛采用的风电机组属于异步发电机,虽然在机端出口处装设无功补偿电容器组,但在输出有功的同时,发电机仍然会吸收电网的无功功率,从而引起机端出口电压的波动,而常规能源机组都是同步发电机组。(3) 相对于常规能源机组,风电机组的单机容量较小,
24、大量风电机组并列运行是风电场的重要特点。1.3.3 并网存在的主要问题(1) 风力发电机并网过程对电网的冲击异步发电机的并网条件是频率和电压要与电网一致。异步发电机直接并网时,没有独立的励磁装置,并网前发电机本身没有电压,因此并网时必然伴随一个过渡过程,流过56 倍额定电流的冲击电流,一般经过几百毫秒后转入稳态。冲击电流的大小与其本身暂态电抗和并网时的电压高低有关,其有效值还与并网时的滑差有关。滑差越大则交流暂态衰减时间就越长,并网时冲击电流有效值也就越大。风力发电机组与大电网并联时,合闸瞬间的冲击电流对发电机及电网系统安全运行不会有太大影响。但对小容量的电网而言,风电场并网瞬间将会造成电网电
25、压的大幅度下跌,从而影响接在同一电网上的其他电器设备的正常运行,甚至会影响到整个电网的稳定与安全。目前可以通过装设软起动装置和风机非同期并网来削弱冲击电流,但同时给电网带来一定的谐波污染。(2) 风电场运行对电能质量的影响风速变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风电功率的波动和风电机组的频繁启停;风机的杆塔遮蔽效应使风电机组输出功率存在周期性的脉动。功率的变化将会使电网频率在一定范围波动,影响电网中频率敏感负荷的正常工作。风电功率的波动势必会引起电压的变化,主要表现为:电压波动、电压闪变、电压跌落以及周期性电压脉动等。此外,风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当,将会向电网注入谐波电
26、流,引起电压波形发生不可接受的畸变,并可能引发由谐振带来的潜在问题。(3) 对保护装置的影响为了减少风电机组的频繁投切对接触器的损害,在有风期间风电机组都保持与电网相连,当风速在起动风速附近变化时,允许风电机组短时电动机运行,因此,风电场与电网之间联络线的功率流向有时是双向的,风电场继电保护装置的配置和整定应充分考虑到这种运行方式。异步发电机在发生近距离三相短路故障时不能提供持续的故障电流,在不对称故障时提供的短路电流也非常有限。风电场保护在于如何根据有限的故障电流来检测故障的发生,使保护装置准确而快速的动作。另一方面,尽管风力发电提供的故障电流非常有限,但也有可能会影响现有配电网络保护装置的
27、正确运行。(4) 风电场运行对电网频率的影响在系统频率方面,风电场的影响取决于风电场容量占系统总容量的比例。当风电场容量在系统中所占的比例较大时,其输出功率的随机波动性对电网频率的影响会比较显著,影响了电网的一些频率敏感负荷的正常工作。由于目前国内风电场占系统总容量比例还比较低,因此,频率稳定并不是电网稳定运行中的主要问题9。1.4 风力发电机的并网方式1.4.1直接并网这种并网方式要求并网时发电机的相序与电网的相序相同， 当风力机驱动的异步发电机转速接近同步转速的90%-100%时，即可完成自动并网，如图1-1 所示。自动并网的信号由测速装置给出，然后通过自动空气开关合闸完成并网过程。这种并
28、网方式比同步发电机的准同步并网简单，但并网瞬间存在三相短路现象，并网冲击电流达到额定电流的4-5倍，会引起电力系统电压的瞬时下降，因此这种并网方式只适用于异步发电机容量在百千瓦级以下12。它的结构如图1-1所示。涡轮无功补偿发电机电网图1-1直接并网结构图1.4.2 双馈并网针对定速型鼠笼发电机的缺点，变速双馈风力发电机的技术方案开始采用。变速双馈风力发电机，同样属于异步发电机。变速双馈风力发电机与定速型鼠笼发电机相同的是，发电机定子都直接并网，能将大部分电能输入电网，同时从电网吸收励磁功率;不同的是，双馈电机的转子侧通过功率变换器连接到电网。该功率变换器的容量仅为电机容量的1/3，并且能量可
29、以双向流动。随着风电机转速的变化，双馈机转子绕组能将转子所产生的转差功率，通过变频器转化为工频电流，回输到电网，同时这部分工频电流也可以调节功率因数，从而使机组的总的功率因数得到改善。结构图如图1-2所示11。发电机涡轮电网DC/ACAC/DC图1-2双馈并网结构图1.4.3 直驱并网电网永磁风力发电机是一种同步发电机，与大电网中的发电机属同一类型，所不同的是，它用永磁体替代普通发电机的励磁，省去电刷滑环，结构简单可靠，同时也节约了励磁功率，提高了发电机效率。随着风电机转速的变化，永磁风力发电机所发出的电的频率也是不断变化的。所以这类风机的定子必须通过一台全功率的变频器连接到电网。变频器，将这
30、些频率不断变化电能改变为恒频恒压的交流电，输入电网。直驱并网的结构如图1-3所示。发电机DC/ACAC/DC涡轮图1-3直驱并网结构图目前先进的风力发电机产品中的典型技术方案，不外乎变速双馈异步风力发电机和无齿轮箱变速永磁同步风力发电机两种，二者各有优劣。变速双馈异步风力发电机的变频器，功率约为机组功率的四分之一至三分之一，机组的总价格较低，但是存在齿轮箱，其维护保养费用远高于无齿轮箱变速永磁同步风力发电机。直驱式风力机具有传动链能量损失小、维护费用低、可靠性好等优点16。1.5 直驱并网风机变流器的主要形式直驱并网型风力发电机中变流电路存在很多不同的电路拓扑结构，有以下几种：1.5.1 二极
31、管整流+晶闸管有源逆变其优点简单可靠，开关主器件完全能够国产化，大大降低了风机的成本。缺点:发电机功率因数低，在发电机输出电压低于电网电压(低风速)时无法将能量馈入电网。交流发电机风轮升压变压器CL电网不控整流有源逆变图1-4 二极管整流+晶闸管有源逆变电路1.5.2 晶闸管整流+晶闸管有源逆变优点:可控整流，有效保护直流侧过载，缺点:与不可控整流一样，在发电机输出电压低于电网电压(低风速)时无法将能量馈入电网。但开关主器件完全能够国产化，大大降低了风机的成本。交流发电 机风轮升压变压 器CL电网相控整流有源逆变图1-5 二极管整流+晶闸管有源逆变电路1.6 本章小结本章主要分析了风力发电的现
32、状，并网出现的问题，以及当前风机变流器主要形式的优缺点和发展方向，最后阐述了本文的主要工作。本文提出的晶闸管整流+晶闸管有源逆变变流电路的拓扑结构，经过理论分析，其在性能基本不变的情况下大幅度地降低了风机变流器的成本，提高了风机国产化的比重。2 主电路设计2.1 主电路原理变速风力发电机是现今最先进的一种风力发电机组类型。它已成为风力发电机组的主流。变速发电机所具有的如低风速时自动跟踪最大功率和高风速时可缓冲风机受到的机械冲击等特点，主要是通过其具有良好性能的变流电路及其控制方法而得以实现的。变速风力发电机中的变流电路种类繁多，其电路结构多种多样，但是其实现的功能和目标都是一样的，那就是如何将
33、变压变频的交流电转换为与电网同频同相，能与电网实现柔性连接的交流电。由于其是将一定幅值和频率的交流电转换为另一幅值和频率的交流电，因此，有交交变流和交直交变流电路两种结构。但是交交变流电路诸如周波变换器要求输入电压(发电机输出电压)频率低于1/3输出电压(并网电压)50HZ频率，这样就要求发电机工作的频率低于16HZ，但是发电机最优工作频率很难达到16HZ，另外周波变换器采用的是晶闸管，需要的数量也较多，因此，交交变流电路很少在变速风力发电机中使用，主要用交直交变流电路。本章主要就晶闸管整流+晶闸管有源逆变变流电路结构拓扑进行分析和研究。2.1.1 主电路工作原理本文中风力发电机的变流系统采用
34、三相桥式晶闸管可控整流，把风机交流发电机发出的幅值不固定、频率不固定的交流电转化为直流，由经电容器的滤波转化成直流电压，经平波电感平流和限流后，再由三相桥式电路的晶闸管有源逆变器转化为与电网侧电压频率一致的交流电，经过一个升压变压器并到网上。下面是本文系统主电路拓扑图：交流发电 机风轮升压变压 器CL电网相控整流有源逆变图2-1主电路原理图如图2-1中，发电机使用的是永磁同步发电机，采用三相桥式全控整流电路对其进行6脉波整流，每个管子轮流导通120度，输出直流每周期脉动6次，最低次谐波频率为发电机频率的6倍，平均直流电压在输出端串上电感进行稳压，减小直流脉动。三相桥式逆变电路即是三相桥式全控整
35、流电路在/2范围内(对应0/2)作为有源逆变的运行方式，因此可利用整流电路的分析方法去分析三相逆变电路。三相桥式电路工作时，晶闸管成对导通，每个晶闸管导通/3角度，每隔/3换流一次，元件按V1一V2一V3一V4一V5一V6顺序依次导通。平波电抗器L的电感量如果足够大，电流为平滑直流。和整流电路一样，每个晶闸管触发导通前有另一晶闸管正在导通，对于电流型电路，为了确保任何时刻上下两组晶闸管都有导通器件，有两种脉冲形式可以满足要求:一种是采用宽度大于60小于120的宽脉冲触发;另一种是在触发一个晶闸管时，同时给前一个晶闸管补发脉冲，即双窄脉冲触发，本文系统中采用的是用宽脉冲的形式来触发晶闸管4。2.
36、1.2 基本数量关系根据整流关系推导公式，电路在逆变状况下直流侧电压为: Ud2.34Ucos （2-1）U为变压器次级相电压有效值，如果直接接至电网，就是三相电网的相电压。是逆变控制角。设直流输入电压为Ui，直流电流的平均值为: Id（UiUd）R （2-2）直流侧反馈至电网的有功功率为:Pd2.34UId cos （2-3）将(2-1)和(2-2)式代入（2-3）后得: Pd（2.34U/R）(Ui2.34Ucos) cos （2-4）当主回路结构一定时，改变输入直流电压以和逆变角就能调节反馈电网的有功功率。一般情况下，有源逆变器的输入也是固定的，这时就只能依靠调节逆变角来调节反馈功率的大
37、小。反馈功率和逆变角的关系如图2-2所示:P/2/3/6图2-2反馈功率和逆变角的关系由图可知，在调节逆变角调节功率时，存在一个最大反馈功率值时的逆变角，从上式也可知该函数为cos的二次函数，存在最大值。2.1.3 逆变颠覆及其防止晶闸管在逆变状态下，如果发生晶闸管触发不导通以及交流电源本身原因造成缺相，则逆变时的直流电源可能会通过逆变电路晶闸管形成短路，也可能使直流电源与逆变电路直流侧电压顺串短路。由于逆变电路中的限流电阻很小，将造成很大的回路电流，使逆变电路不能正常工作，造成重大事故。这种情况称为逆变颠覆或逆变失败。造成逆变颠覆的原因有以下几种：(1)晶闸管触发电路工作不可靠，不能适时、准
38、确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失或脉冲延时情况的出现。使得应该导通的晶闸管不能正常导通，致使直流侧电压极性相反，与直流电源顺极串联短路而造成逆变颠覆。(2)触发脉冲正常，晶闸管故障。在应该阻断期间，器件失去阻断能力，如断态重复峰值电压裕量不足，正向阻断期误导通，造成直流侧电源瞬时极性相反，也构成回路极性串联短路，逆变颠覆。(3)交流电源发生故障，如缺相、电源突然失电。由于直流输入电源仍存在，晶闸管仍可以导通，但此时没有平衡直流电源的交流电压，反电势将通过晶闸管短路，造成逆变颇覆。(4)当逆变角较小时，由于换流重叠角的影响，造成晶闸管在关断时因承受反压时间不够而关断失败，从而导致逆变颠覆。为了
39、防止逆变颠覆，在晶闸管相移有源逆变器中需要采取必要的措施。如选用高可靠的触发电路，正确选用晶闸管元件参数，特别是电压定额和承受du/dt，di/dt试的能力，以免发生误导通或导通失败。另外一个重要的措施是从逆变角的角度来考虑，必须限制逆变角在一个允许的最小角度min内。最小逆变角的选取有三个考虑因素:l)晶闸管的关断时间tq，以确保流过元件的电流为零后有足够的时间恢复正向阻断能力。一般元件的关断时间tq=200-300s:对应的角度=4-5。2)换流重叠角，随直流平均电流及换流电抗的增大而增大。一般情况下=15-20。3)安全裕量=10，以考虑触发脉冲出现的时间误差。这样，最小逆变角min=+
40、，一般min=30-35。当逆变电路工作时，必须保证 min1。2.1.4 换流重叠现象和整流电路一样，实际逆变电路中各晶闸管支路总存在有各种电感，主要是变压器的漏感及线路的一些杂散电感。这些杂散电感总是要抑止电流的快速变化，使得实际逆变电路中晶闸管的换流不能瞬时完成。即导通元件中的电流不是由零瞬时增大到Id。关断元件中的电流也不是由Id瞬时下降为零，而完成这些过程需要一定的时间。这样，流经每个晶闸管的电流波形将为梯形波，如图所示。在换流所需的这段时间内，正在导通的管子电流在增长，而正在关断的管子电流在减小，两管同时处于导通状态，故称换流重叠现象。两个晶闸管同时导通的换流重叠时间折算成电角度称
41、为换流重叠角。图2-3考虑换流重叠时流过晶闸管的电流波形与三相桥式整流电路一样，换流重叠角的计算公式为： coscos(+ )2UBIdU (2-5)U为电网相电压:Id为直流侧电流:XB为电网侧电感量为LB的变压器每相折算到次级绕组的漏感，XB= LB。与整流电路不同的是逆变过程的换流重叠现象将使直流侧电压Ud波形增加一块面积，造成直流平均电压Ud略有提高。计及换流重叠现象后，三相桥式逆变电路的直流平均电压为 Ud2.34Ucos(-/2)cos/2 (2-6)换流重叠角现象的存在对于逆变运行可能带来不良后果。如果逆变角小于换流重叠角，则当经过自然换流点后，该截止的晶闸管仍继续导通，从而使U
42、d改变极性造成回路短路，出现逆变颠覆5。2.2 控制系统概述任何控制系统都有三个基本要求:稳、准、快。为了满足系统无超调、抗扰动能力强，实时性、快速响应性好的要求，系统采用了增量式数字PID算法。控制系统框图包括电压电流采样单元、晶闸管触发电路、信号调理电路、低通滤波器。系统启动后，电压、电流检测单元对主电路直流电压、交流电流信号进行隔离、信号调理电路，由MCU的A/D单元进行采样，经过PID算法得出三相晶闸管触发角的控制电压，由经隔离和DAC芯片转换为0-5V电压，经CA6100触发电路转化为三相晶闸管的导通角在5-175范围内可调，由隔离、驱动放大电路对晶闸管进行触发动作，从而实现对系统进
43、行稳定的控制。控制电路作用主要是控制晶闸管逆变器的逆变角，来调节直流母线上的电压使其稳定，将逆变器直流侧反馈电压与给定电压信号进行比较，当母线电压高于给定值时增大逆变角，使并网电流增大，迫使母线电压降低，反之当母线电压低于给定值时减小逆变角，使电压升高，从而达到母线电压稳定在给定值，控制方法是用增量式数字PID控制。而整流部分主要是控制母线电压不过载，即当风速过大时发电机发出的电压会过大，这时要增大整流器的整流角，使其输出的母线电压下降达到防止母线电压过载的问题。整流器的控制:将直流侧电压取样反馈，通过ADC变换器得到数字值与给定参考电压比较，比较误差作为电压控制器的输入，只有当电压值大于母线
44、过载电压时整流器才动作，这是电压控制的基本结构。逆变器的控制:在数字PID控制系统中，母线电压给定值通过计算求出，同时检测母线电压的反馈值，给定值与反馈值比较的结果决定DAC输出的电压信号通过晶闸管驱动电路控制3相逆变桥的逆变角的大小，从而达到对母线电压的直接控制且使其跟踪电压给定值。2.3 大功率晶闸管有源逆变器的硬件组成在以上理论基础上，分析了一台80kW晶闸管有源逆变器。控制方式采用增量式数字PID调节器，这一节将主要介绍研制情况。2.3.1 有源逆变器的系统构成整个系统由整流部分、逆变部分、信号检测、脉冲触发、系统控制等几个部分组成。如图2-4所示: 整流部分 L 逆变部分 电网 输入
45、 C脉冲触发及驱动信号检测电路微机控制MCU 同步信号图2-4晶闸管有源逆变系统框图整流部分是对于输入电源的形式进行转换，得到逆变需要的直流形式。由六个大功率整流晶闸管组成三相桥式可控整流，如图2-5所示:图2-5三相桥式可控整流电路逆变部分是整个系统的核心，它实现电能的变换，并使能量回馈至电网。平波电抗器L有三个作用：能使直流输出的电流更加平直，是电路中不可缺少的储能元件。对于输入电源的整流环节也是个滤波作用，在电抗器的电感量足够大的情况下，保证回路电流的平直。当逆变桥短路时，可以起到一个限流保护的作用，由于大电感的作用可以限制电流过大，从而得到足够的保护时间。滤波电容器的作用主要是滤波，使
46、输出的直流电压平直。2.3.2 三相晶闸管逆变触发晶闸管的导通和截止能否正常工作是整个系统实现的基础。晶闸管正常工作时的特性如下：当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下根据晶闸管的特性，当其一旦导通，控制信号就不起作用了，所以一般是靠电网的负电压来关断晶闸管，即在换向时晶闸管的阴极电压高于阳极电压形成反向抽流，使晶闸管中电流低于导通的维持电流而关断，不需要外加电路也就是常说