风力发电机组变频控制系统的设计

烟台工程职业技术学院毕业论文第 1 页 共 45 页目录目录 .I设计总说明 .IVGeneral description of design .VI第一章 绪论 .11.1 风力发电的应用现状及前景展望 .11.1.1 风力发电的应用现状 .11.1.2 风力发电的前景展望 .11.2 风力发电技术概况 .21.2.1 风能资源的评估与预测 .21.2.2 风力发电装备制造技术 .21.3 风力发电机的分类和主要特点 .31.3.1 定桨距风力发电机组及其特点 .31.3.2 变桨距风力发电机组及其特点 .31.3.3 变速风力发电机组及其特点 .31.4 风力发电机的并网方式 .41.4.1 直接并网 .41.4.2 双馈并网 .51.4.3 直驱并网 .51.5 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。 .61.5.2 晶闸管整流+晶闸管有源逆变 .61.5.3 二极管整流 +B005T 升压+IGBT 逆变 .71.5.4 双 PWM 型变流电路 .71.5.5.不控整流+Z 源逆变型 .81.6 设计的主要内容 .81.7 本章小结 .9第二章 主电路设计 .10基于 PLC 的风力电动机变频控制系统第 2 页 共 45 页2.1 主电路原理 .102.1.1 主电路工作原理 .102.1.2 基本数量关系 .112.1.3 逆变颠覆及其防止 .122.1.4 换流重叠现象 .132.2 控制系统概述 .142.3 大功率晶闸管有源逆变器的硬件组成 .152.3.1 有源逆变器的系统构成 .152.3.2 三相晶闸管逆变触发 .162.4 主电路设计 .162.4.1 主变压器参数的计算 .162.4.2 晶闸管参数的计算 .172.4.3 瞬态抑制电路参数计算 .182.4.4 快速熔断器的参数选择 .192.5 本章小结 .20第三章 控制系统的实现 .203.1 控制系统设计 .3.1.1 控制系统功能描述 .203.1.2 PLC S7-200 特性简介 .203.2 控制系统硬件设计 .3.2.1 控制系统硬件结构原理及设计 .213.2.2 控制系统结构图 .3.2.3 主电路 .233.2.4 晶闸管通用触发电路 CA6100.243.2.5 主电路的信号检测 .253.2.6 电流不平衡检测保护 .273.3 控制系统软件设计 .3.3.1 主程序 .3.3.2 硬件中断程序 .323.3.3 数字滤波 .32烟台工程职业技术学院毕业论文第 3 页 共 45 页3.4 本章小结 .34第四章 谐波抑制与无功补偿 .354.1 无功及谐波的危害 .354.1.1 谐波的危害 .354.1.2 无功功率的影响 .364.2 有源逆变器的无功及谐波分析 .364.2.1 无功及谐波的分析 .364.2.2 谐波抑制的方法 .374.2.3 无功补偿的方法 .384.2.4 无功补偿电容器和 LC 滤波器 .394.3 本章小结 .40第五章 结论与展望 .41参考文献 .42致谢 .44附录 A.45设计总说明把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，基于 PLC 的风力电动机变频控制系统第 4 页 共 45 页也不会产生辐射或空气污染。中国新能源战略开始把大力发展风电发电设为重点。按照国家规划，未来 15 年，全国风力发电装机容量将达到 2000 万至 3000 万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资7000 元计算，根据风能世界杂志发布，未来风电设备市场将高达 1400 亿元至2100 亿元。发电发展到目前阶段，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于：能力每增加一倍，成本就下降 15%，近几年世界风电增长一直保持在 30%以上。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。目前，现存的大功率并网型风力发电机组正向着直驱化发展。由于直驱式风力发电机组的变频系统要求全功率通过的变频器，因此变频器需要超大功率等级的开关管，又因为风力发电机的工作环境相当恶劣，雷击事件时有发生，故要求的更高功率等级的主开关管。在这种等级下变流器的主流开关管 IGBT 只能国外引进受制于人。大功率晶闸管完全能够本土化生产成本低。为了提高风力发电机制造的本土化比例，提高风力发电机并网逆变器的性价比，本设计提出了一种基于 7-300PCL 的应用在风力发电机并网的晶闸管有源逆变器。本设计首先在绪论中简要的谈了下风力发电技术的应用现状及前景展望，并介绍了定桨距，变桨距和变速三种风力发电机组的特点和三种不同的并网方式。接着在第二章中对用 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，并确定了以晶闸管有源逆变电路作为主电路以及各元器件参数进行了设计。然后在第三章设计了控制系统硬件电路中的主控芯片电路、D/A 转换及其与 PLC 的光电接口电路和晶闸管驱动电路 CA6100 以及在并网逆变器输出侧并联滤波器，使送入电网的交流电能满足电网要求。第四章中本设计就晶闸管逆变器的谐波和无功问题做出了简要的分析，并提出了谐波和无功的补偿办法。并在文章对基于 PLC 控制系统画出了主要软件流程图。最后附上了本设计的电路原理图，可作为今后实际装置开发的参考。在最后并附上了本设计的主电路原理图和控制系统的电路原理图关键字：风力发电机；变频控制；晶闸管；PLC烟台工程职业技术学院毕业论文第 5 页 共 45 页1 绪论设计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，力争为在变速变频风力发电机系统的国产化过程中出自己一份力，为我国相对落后的风力发电事业做出贡献，所以设计以实用技术的研究和分析为主导，同时也做了一些大胆的尝试和创新。1.1 风力发电的应用现状及前景展望1.1.1 风力发电的应用现状自 20 世纪 70 年代初第一次世界石油危机以来，能源日趋紧张，各国相继制定法律，以促进用可再生能源来代替高污染的能源。从世界各国可再生能源的利用与发展趋势看，风能、太阳能和生物质能发展速度最快，产业前景也最好。风力发电在可再生能源发电技术中成本最接近于常规能源，因而也成为产业化发展最快的清洁能源。自 1990 年以来，世界风力发电得到了飞速发展，风力发电装机容量几乎每 3 年翻一番，到 2002 年底世界风力发电总装机容量已超过 31000MW。根据全球风能顾问委员会通报，2004 年世界风力发电量提高 20%，达到 47317 兆瓦。欧盟各成员国名列榜首，占总数的 72%，北美位居第二，其次是亚洲。最近十年，我国风力发电也同样发展非常迅速，从 1990 年的不足 4.1MW 迅速发展到 2005 年的 1800MW。风力发电的利用方式主要有 2 类，一类是独立运行供电系统，单机容量一般在100w-10kw，另一类是作为常规电网电源，商业化机组单机容量为 150-1650kw，大中型风力发电机组并网发电是大规模利用风能最经济的方式，己经成为世界风能利用的主要形式。目前国外数百千瓦级的大型风电机组己经商品化，兆瓦级的风力发电机组也即将商品化。当前，全世界风电装机总容量已超过 1000 万千瓦，单位千瓦造价为 1000美元，发电成本为 5 美分/千瓦时，已经接近火力发电的成本。随着并网机组需求持续增长，生产量上升，机组更新换代，单机容量提高，机组性能优化，故障降低，生产成本将会越来越低，风电必将具备与常规能源竞争的能力。1.1.2 风力发电的前景展望国际上由于风电能在减排温室气体方面发挥的作用，所以得到各国政府的鼓励，发展非常迅速。目前每年增加 200 多万千瓦装机容量，技术进步和规模的扩大使发电成本继续下降，估计 10 年后完全可与清洁的燃煤电厂竞争，成为可持续发展的能源结构中重要组成部分。欧盟国家风电发展目标是 2000 年达到 800 万千瓦(实际上 1999 已基于 PLC 的风力电动机变频控制系统第 6 页 共 45 页超过 900 万千瓦)，2010 年达到 4000 万千瓦，2020 年达到 l 亿千瓦，届时风电的比例将超过 10%。我国有着丰富的风能资源。“世界能源理事会”1994 年风能评估报告指出，中国理论风力资源潜力是 17，000TWh/年。在现阶段，我国风电成本一般为0.450.70 元/千瓦时，仍需国家政策给予扶持。但是随着对能源需求的增加和环保法规执法力度的不断加大，随着风电技术作为一门不断发展和完善中的多学科的高新技术，通过技术创新，提高单机容量，改进结构设计和制造工艺，以及减轻部件重量，降低造价，风力发电的优势和经济性必将日益显现出来。考虑各种制约因素，按当前实施的政策预计 2005 年风电装机可达 150 万千瓦。到 2010 年累积总装机约 300500万千瓦。到 2030 年累积总装机约 8000 万千瓦；2050 年累积总装机约 2 亿千瓦。1.2 风力发电技术概况风力发电技术主要分为风能资源评估与预测、风力发电装备制造技术、风电机组测试、近海风电技术、风电对公共电网的影响等几个方面。1.2.1 风能资源的评估与预测国外己对风能资源的测试与评估开发出很多先进的测试设备和评估软件，在风电场选址，特别是微观选址方面已经开发了商业化的软件。如丹麦 RIS 中国家研究实验室开发的用于风电场微观选址的资源分析工具软件WASP；美国 TrueWindSolutions公司开发的 MesoMap 和 SiteWind 风能资源评估系统等。在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟软件。国外还对风力机和风电场的短期及长期发电预测做了很多研究，精确度可达 90%以上。1.2.2 风力发电装备制造技术(l)单机容量继续稳步上升。20 世纪 S0 年代生产的旧式机组单机容量仅为20kW60kW，而今天在风电市场上销售的商业化机组容量一般为 600kw2,500kw。目前单机容量最大的风电机组是由德国 Repower 公司生产的，容量为 5MW，安装在 120m 高的塔架上。(2)大型风电机组的典型结构。目前大型水平轴风力机主要有定桨距失速型和变速变桨距型。对变速变桨距型风电机组，从风轮到发电机的驱动方式又可分为 3 种：一种是通过多级增速箱驱动双馈异步发电机，简称为双馈式。第二种是风轮直接驱动多极同步发电机，简称为直驱式(或无齿轮箱式)。第三种是单级增速装置加多极同步发电机技术，简称为混合式。(3)大型风电机组的功率调节方式。大型风电机组的功率调节方式主要有失速调节烟台工程职业技术学院毕业论文第 7 页 共 45 页和变桨距调节两种。两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。从目前市场情况看，变桨距调节方式将逐渐取代失速调节方式。(4)大型风电机组的运行控制方式。目前市场上的失速型风电机组一般采用双绕组结构(4 极/6 极)的异步发电机，双速运行。变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电机。1.3 风力发电机的分类和主要特点风力发电机组经历了由定桨距到变桨距最后到变速的不断升级换代的发展过程。1.3.1 定桨距风力发电机组及其特点20 世纪 80 年代中期开始进入风力发电市场的定桨距风力发电机组，主要解决了风力发电机组的并网和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，桨叶的节距角在安装时已经固定，而发电机的转速由电网频率限制。因此，只要在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对风速变化引起输出能量的变化不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术，使得定桨距风力发电机组能够在较短时间内实现商业化运行。1.3.2 变桨距风力发电机组及其特点20 世纪 90 年代后，风力发电机组的可靠性己经不是问题，变距风力发电机组开始进入风力发电市场。采用全桨变距的风力发电机组，起动时可以对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著改善。风力发电机组的液压系统不再是简单的执行机构，作为变距系统，它自身己组成闭环控制系统，采用了液压比例阀或电液伺服阀，使控制系统的水平提高到一个新的阶段。1.3.3 变速风力发电机组及其特点由于变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了 20 世纪 90年代中期，基于变距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电场。变速风力发电机组的控制系统与定速风力发电机组的控制系统的根本区别在于，变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要特点是:低于额定风速时，它能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转化效率;高于额定风速时，它增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定，特别是解决了高次谐波与功率因数等问题后，达到了高效率、高质量地向电网提供电能的基于 PLC 的风力电动机变频控制系统第 8 页 共 45 页目的。可以说，风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变距技术的变速运行，己经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电能到理想地向电网提供电能的最终目标。1.4 风力发电机的并网方式1.4.1 直接并网风力发电机技术，从最初的小功率同步发电机，到上世纪八十年代的大型风电机所采用的使用升速齿轮箱的定速型鼠笼发电机的异步发电机技术都属于直接并网方式。异步发电机技术将鼠笼发电机直接并网。由于尾流的变化，所以需要转子转速随发电机发出的功率而变化，而风轮的转速变化很小，大约只有 1-2%，所以这种风力机常称作恒速或定速风力机。这种风力机通常通过改变发电机定子绕组的极对数而以两种速度运行。鼠笼式发电机通常要消耗无功功率，所以一般用电容器来部分或全部补偿其无功消耗，使其功率因数接近于 1。它的优点是鼠笼发电机结构简单、维护方便、价格便宜，并网容易，采用齿轮箱提高风轮机的转速，配合体轻价廉的高速鼠笼发电机，具有比较高的性价比。由于技术简单、经济性高，该机种从上世纪末至今，获得了许多国家广泛的应用，目前我国己建成运行中的大型风电机，绝大多数属于这一技术类型。它的结构如图 1-l 所示。图 l-l 直接并网结构图但是定速型鼠笼发电机的缺点也很明显。首先，定速型风机在不同的风速下难以获得合适的叶尖速，导致截获风能的效率降低;其次，齿轮箱在风况和环境变化中承受变荷冲击、悬殊温差，工况严酷，维修保养的成本很高，成为风力发电机组中的软肋环节;第三，鼠笼发电机的效率不高，转差功率无法利用，转差率稍高就严重发热，同时还必须从电网中吸收励磁功率，功率因数低。烟台工程职业技术学院毕业论文第 9 页 共 45 页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(一般为双 PWM 交直交型变换器)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。目前美国 GE 能源、德国 Fuhrl&auminder 等公司的很多风力发电机产品，采用变速双馈风力发电的技术方案。它的结构图如图 1-2 所示。图 1-2 双馈并网结构图1.4.3 直驱并网以德国 Enercon 公司为首的风