风力发电机组变频控制系统的设计.doc

华北科技学院毕业设计（论文）目录目录I设计总说明IVGeneral description of designVI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102.1 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203.1.1 控制系统功能描述203.1.2 ATmega16单片机特性简介203.2 控制系统硬件设计213.2.1 控制系统硬件结构原理213.2.2 主控芯片的功能223.2.3 DAC转换器223.2.4 D/A转换器与单片机的光电接口电路233.2.5晶闸管通用触发电路 CA6100243.2.6主电路的信号检测253.2.7电流不平衡检测保护273.3 控制系统软件设计283.3 PID算法293.3.1 PID的两种算法293.3.2数字PID闭环控制313.3.3增量式PID算法程序流程图323.3.4 数字滤波323.4 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A45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，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ATmega16单片机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转换及其与单片机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。本设计系统控制采用的是先进增量式数字PID控制原理，由主控芯片ATmegal6单片机实现运算，系统采样的数据通过ATmegal6的ADC转化单元输入到单片机中，经过PID环节的计算后得出控制信号输出到系统中的DAC转换器中经 CA6100晶闸管触发板缓冲后直接控制三相桥式晶闸管的触发角。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。并在文章对基于数字PID的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；数字PID调节General description of designThe wind energy into mechanical energy, and then converts mechanical energy to electrical energy, which is the wind power generation.The principle of wind power generation, is the use of wind to drive windmill blades rotate, and then through the gearbox will rotate speed increase, to facilitate power generation.On the basis of the current versions of the windmill, about three meters per second wind speed (breeze degree), you can start generating.Wind power is the world formed an upsurge, because the wind does not require the use of fuel, but also does not produce radiation and air pollution.China new energy strategy began to develop wind power generating set key.According to the national planning, the next 15 years, the wind power installed capacity will reach 20000000 to 30000000 kw.With every kilowatt installed capacity of 7000 yuan investment in equipment is calculated according to the wind, world magazine, the future of wind power equipment market will reach 140000000000 yuan to 210000000000 yuan.Power development at present stage, its cost is the formation and coal, hydropower competitive advantage.Wind power has the advantage of: the capacity of each increases one times, cost drops 15%, in recent years the world wind power growth has remained at more than 30%.Chinas installed wind power is homebred change and generation of large-scale, wind power costs are expected to fall again.So the wind power started to become more and more investors by golden land.At present, the existing high-power grid-connected wind turbine is the direct drive development.As a result of direct drive type wind power generator unit frequency conversion system requirements of power through the inverter, so the inverter need large power level switch tube, and because the wind turbines work environment is bad, the lightning event occurs, the requirements of the higher power levels of the main switching tube.In this level converter mainstream switching tube IGBT only imported heteronomy.Big power thyristor can completely localized low production cost.In order to improve wind turbine manufacturing localization rate, improve wind turbine grid-connected inverter is cost-effective, the design proposed one kind based on the ATmega16 MCU application in wind power generator thyristors in active inverter.The first design of the introduction briefly about wind power generation technology and application prospect, and introduced the fixed pitch, variable pitch and variable speed wind power generator unit three characteristics and three different grid connection.Then in the second chapter of IGBT and SCR switch inverter in the structure, properties and advantages and disadvantages are compared, and to identify the thyristor active inverter circuit as the main circuit and the parameters of the components are designed.Then in the third chapter of the design of the control system hardware circuit of the main control chip circuit, D/A conversion and SCM photoelectric interface circuit and drive circuit for thyristor and CA6100 in grid-connected inverter output side parallel filter, so that the alternating current into the power grid can meet the requirements of power grid.The design of control system adopts advanced incremental digital PID control principle, which is composed of a main control chip ATmegal6 MCU operation, system for sampling the data through ATmegal6 ADC conversion unit into the MCU, through PID links obtained control signal is output to the system of DAC converter by CA6100 thyristor trigger board buffer after direct control of three-phase bridge thyristor trigger angle.Finally the design of thyristor inverter harmonics and reactive power problem to make brief analysis, put forward the harmonic and reactive power compensation.And in this article based on the digital PID control system is to draw the main software flow diagram.At last, the design of the circuit diagram, can be used as reference for the development of future practical device.In the final and attach the design diagram of main circuit and control system circuit diagramKeywords: wind power generator; frequency control; thyristor; digital PID controlVII1 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。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公司为首的风电机制造商，着力去掉齿轮箱，推出无齿轮箱变速永磁风力发电机。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。图l-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二种，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。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，有一下几种：1.5.1 二极管整流+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。其结构如1-4所示。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。其结构如1-5所示。图1-5 晶闸管整流+晶闸管有源逆变电路1.5.3 二极管整流 +B005T升压+IGBT逆变优点：因为具有升压斩波环节，对发电机输出电压不作要求，从而拓宽了风机的工作范围;整流桥采用二极管不控整流，因此，成本相对比较低，在大功率的时候更加明显。缺点：发电机相对损耗较大;电感、电容尺寸较大，升压管承受高压。其结构如1-6所示。图1-6 不控整流+升压斩波+PWM逆变变流电路1.5.4 双PWM型变流电路该电路即整流部分采用PWM三相桥整流，逆变部分采用PWM三相桥逆变。电路拓扑结构如图1-7所示。图1- 7 PWM整流+PWM逆变电路该电路优点：能够与大阻抗的同步发电机相联接;与二极管不控整流相比，输入电流为正弦波，减少了发电机的铜耗和铁耗;可调节发电机功率因数为l。但是该电路结构要求低速永磁同步发电机在运行过程中都能发出电压高于并网电压的交流电，限制了其在低风速时的应用。另外，该结构要求有两个与发电机功率相当的可控桥，当发电机功率较大时，成本增加显著。1.5.5 不控整流+Z源逆变型源逆变是新近提出的一种新型逆变器结构，其电路结构如图1-8所示。图1-8 不控整流+Z源逆变型变流电路它不同于传统意义上的电压源和电流源逆变器，有着其独特的优点：Z源变换器的电源既可为电压源，也可为电流源，其主电路既可为传统的电压源结构，也可为传统的电流源结构；Z源变换器的负载可为电感性或电容性；最重要的是Z源逆变器是一种升/降压型逆变器，因此对于低风速时，发电机发出低电压的情况下也适用，相比前面类型省去了中间升压斩波环节；Z源逆变器允许上下桥臂直通，没有传统意义上的逆变器因为电磁干扰而导致直通损坏器件的风险。虽然Z源逆变器有上述诸多优点，但是其控制较复杂，特别是大功率应用实例几乎没有。1.6 设计的主要内容1.本设计对直驱式永磁同步风力发电机的变流系统做了全面的研究，以及对几种常见变流器类型做出了优缺点分析。2.为推动大功率风机的国产化，本设计大胆的尝试用晶闸管做变流器的主开关管，并给出了变流器拓扑电路。3.针对晶闸管变流器所带来的无功和谐波大的缺点本设计给出了详细的无功补偿和谐波分析的方法和内容。4.作者尝试性的做出了试验样机的硬件电路搭建和全数字式控制板，以及全软件的编程调试等工作，并给出了试验波形。1.7 本章小结本章主要分析了风力发电的现状，前沿技术的概况，以及当前风机变频装置主要形式的优缺点和发展方向，最后阐述了本设计的主要工作。本设计意义在于加速风机制造的国产化进程。本设计提出的晶闸管整流十晶闸管有源逆变变流电路的拓扑结构，经过理论分析和试验验证，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。由于作者水平和试验条件有限，也只能做到抛砖引玉的作用，望同仁能更加完善这个浩大的工程。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诸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十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主电路工作原理本设计中风力发电机的变频系统采用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，由经支撑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。下面是本设计系统主电路拓扑图：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流电路在范围内(对应)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。图为逆变器分别工作在和时直流侧的电压波形：图2-2 工作在和时直流侧的电压波形三相桥式电路工作时，晶闸管成对导通，每个晶闸管导通角度，每隔换流一次，元件按V1-V2-V3-V4-VS-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，本设计系统中采用的是用宽脉冲的形式来触发晶闸管。2.1.2 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： (2-1)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，直流电流的平均值为： (2-2)直流侧反馈至电网的有功功率为： (2-3) 将(2-2)和(2-3)式代入后得： (2-4)当主回路结构一定时，改变输入直流电压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小。反馈功率和逆变角的关系如图2-3：图2-3 反馈功率和逆变角声的关系由图可知，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，有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。如断态重复峰值电压裕量不够，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=200300对应的电角度。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。3)安全裕量，以考虑触发脉冲出现的时间误差。这样，最小逆变角，一般取。当逆变电路工作时，必须保证。2.1.4 换流重叠现象图2-4 考虑换流重叠时流过晶闸管的电流波形和整流电路一样，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2-4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为换流重叠角。与三相桥式整流电路一样，换流重叠角的计算公式为： (2-5)为电网相电压； 为直流侧电流；为电网侧电感量为，的变压器每相折算到次级绕组的漏感，。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 (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，从而使改变极性造成回路顺串短路，出现逆变颠覆。2.2 控制系统概述对于任何控制系统来说都有三个基本要求：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、晶闸管触发包路、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5175范围内可调，由隔离、驱动放大电路对晶闸管进行触发动作，从而实现对系统进行稳定的控制。控制电路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值使其稳定，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过载申压时整流器才动作，这是电压控制的基本结构。电压控制器的调节算法，还是以数字PID控制，取得了较好的效果。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。具体控制系统的实现要在第三章给出。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，设计了一台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2-5所示。图2-5 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2-6所示。图2-6 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。其工作原理已在上节中讲述。平波电抗器L的作用十分重要。它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。另外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。平波电抗器的另一个重要作用是当逆变桥短路时，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。晶闸管由阻断转为导通必需同时具备两个条件:一是晶闸管阳极电位高于阴极电位。二是门极与阴极之间必须有合适的控制电压。但晶闸管一旦导通，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的自然关断。在三相逆变电路中，为了能够正常工作且具有调节功能，对于触发电路有以下要求：触发脉冲应与交流电源同步；触发脉冲的相位应能调节，并且其调节范围满足一定要求；触发脉冲的参数合乎要求。本系统采用 CA6100专用晶闸管触发装置，经改进调整，使其在给定电压信号下，输出60宽脉冲束。整流触发角限定在，即逆变角在，有效防止逆变颠覆。2.4 主电路设计2.4.1 主变