（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的潮流电站电能变换及处理系统研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ed a i l yi n c r e a s i n go fe n e r g ys o t l r c e sc o n s u m i n ga n d g r a d u a l l ys e r i o u se n v i r o n m e n te m p o i s o n ，t i d a lp o w e r , a sr e n e w a b l ea n dn o p o l l u t i o ne n e r g ys o u r c e ，i sb e i n gp a i dg r e a ta t t e n t i o nb ym o r ea n dm o r ec o u n t r i e s t h i sk i n do f t e c h n o l o g ya l s ob e c o m e sr e s e a r c hh o t s p o to fm a n ys c h o l a r sf r o m d i f f e r e n tc o u n t r i e s 1 1 1t h ep a p e r ，r e s e a r c ho i lt i d a l g e n e r a t i o ne l e c t r i c i t yk e yt e c h n o l o g y ( t h e e l e c t r o n i c e n e r g yc o n v e r s i o n ) h a sb e e nd o n ea 1 1 a r o u n df r o mt h e o r yt o p r a c t i c e - a tt h es a m et i m e ，t h ed i g i t a ls y s t e mw h i c hh a sg r e a ta p p l i c a t i o n f o r e g r o u n dh a sb e e na n a l y z e da tl a r g ei nt h e o r y t h e i ro r g a n i cc o m b i n a t i o nh a s e s t a b l i s h e ds t a b i l i t yt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r t h ef o l l o w i n g s t u d y b a s i n go nt h es p w md ct oa cc o n t r o lt h e o r y , t h em a i nc i r c u i ta sw e l la s c o n t r o lr u l eo ft i d a lg e n e r a t i o nc o n t r o ls y s t e ma r er e s e a r c h e di nd e t a i l m e a n w h i l e ， a m i n ga tt h ec h a r a c t e r so ft i d a lg e n e r a t i o ne l e c t r i c i t y ，a ct od c 、d ct oa c c o n t r o l ，t h eb a t t e r yc h a r g ec o n t r o la n dt h ef i l t e rc i r c u i ta r ea c c o m p l i s h e d t h i si sa c o n s t a n tf r e q u e n c ya n dv o l t a g es y s t e mt h a tt h ec o n s u m e rc o u l dg e ts t e a d yv o l t a g e w h e nt h et i d ec h a n g e sa sd e s i g n e d t h em i c r o p r o c e s s o rd s p 2 4 0 7 ai su s e di nt h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e r , a n d t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o ni sa l s ol u c u b r a t e e d t h e a p p l i c a t i o no ft h ei g b t i n t e l l i g e n c em o d u l ei p mi nm a i nc i r c u i tc o u l ds i m p l i z et h ec o n f i g u r a t i o n r e d u c e t h ec o s t ，e n h a n c et h e r e l i a b i l i t ya n db ec o m p e t e n tf o ra l lk i n d so fo p e r a t i o n d e m a n d a tl a s t ，o nt h eb a s i so ft h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t ，a l le l e c t r i c i t y e n e r g yc o n v e r s i o nh a sb e e nd e v e l o p e d m a n ye x p e r i m e n t sa n de m l u a t o r sh a v e b e e nd o n ea n dt h eo b s e r v e dw a v e sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h o s eo ft h e o r yr e s e a r c h , w h i c hp r o v e st h ea p p l i c a t i o nv a l u eo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：t i d a lg e n e r a t i o ne l e c t r i c i t y ；i n v e r t e r ；s t o r a g eb a t t e r y ；s p w m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：受! 塾孟 日期：硼年弓月r 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 潮流发电的背景及发展现状 随着世界工业的发展和人1 2 1 的剧增，人们对能源的需求越来越大，电能 是我们日常生活中必不可少的一部分，我们的生活和生产无时无刻不依赖于 电能给我们带来的便利与效率。但我们在利用电能的同时，不知不觉地给我 们的环境造成了大量的破环与污染，这种破坏已经直接关系到整个生态系统 能否正常运行，我们强调可持续发展战略，我们更加需要无污染的健康绿色 能源1 1 。 1 1 1 海洋能发展现状 近2 0 多年来，受化石燃料能源危机和环境变化压力的驱动，作为主要 可再生能源之一的海洋能事业取得了很大发展，在相关高技术后援的支持 下，海洋能应用技术日趋成熟，为人类在下个世纪充分利用海洋能展示了美 好前景；能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济发展和提高人民生 活质量都极为重要。在高速增长的经济环境下，我国能源工业面临经济增长 与环境保护的双重压力。世界上越来越多的国家认识到，一个能够持续发展 的社会应该是一个既能满足社会需要，又不危及后代人前途的社会。因此， 节约能源，提高能源利用效率，尽可能多地用洁净能源替代高含碳量的矿物 燃料，是我国能源建设遵循的原则。海洋能具有众多优点，海洋能在海洋总 水体中的蕴藏量巨大，但单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较 小。海洋能具有可再生性，海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力， 只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用 之不竭。海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一旦开发后，其本身对环境污 染影响很j 、。 根据联合国教科文组织1 9 8 1 年出版物的估计数字，五种海洋能理论上 可再生的总量为7 6 6 亿千瓦。其中温差能为4 0 0 亿千瓦，盐差能为3 0 0 亿千 瓦，潮汐和波浪能各为3 0 亿千瓦，海流能为6 亿千瓦。但是难以实现把上 述全部能量取出，设想只能利用较强的海流、潮汐和波浪；利用大降雨量地 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 域的盐度差，而温差利用则受热机卡诺效率的限制。因此，估计技术上允许 利用功率为6 4 亿千瓦，其中盐差能3 0 亿千瓦，温差能2 0 亿千瓦，波浪能 l o 亿千瓦，海流能3 亿千瓦，潮汐能1 亿千瓦( 估计数字) f 2 】。 海洋能的强度较常规能源低。海水温差小，海面与5 0 0 1 0 0 0 米深层水 之间的较大温差仅为2 0 左右；潮汐、波浪水位差小，较大潮差仅7 - 1 0 米，较大波高仅3 米；潮流、海流速度小，较大流速仅4 - 7 节。即使这 样，在可再生能源中，海洋能仍具有可观的能流密度。以波浪能为例，每米 海岸线平均波功率在最丰富的海域是5 0 千瓦，一般的有5 - - 一6 千瓦；后者相 当于太阳能流密度1 千瓦米。又如潮流能，最高流速为3 米秒的舟山群 岛潮流，在一个潮流周期的平均潮流功率达4 5 千瓦米。海洋能作为自然 能源是随时变化着的。但海洋是个庞大的蓄能库，将太阳能以及派生的风能 等以热能、机械能等形式蓄在海水里，不象在陆地和空中那样容易散失。海 水温差、盐度差和海流都是较稳定的，2 4 小时不问断，昼夜波动小，只稍 有季节性的变化。潮汐、潮流则作恒定的周期性变化，对大潮、小潮、涨 潮、落潮、潮位、潮速、方向都可以准确预测。海浪是海洋中最不稳定的， 有季节性、周期性，而且相邻周期也是变化的。但海浪是风浪和涌浪的总 和，而涌浪源自辽阔海域持续时日的风能，不象当地太阳和风那样容易骤起 骤止和受局部气象的影响。 所以，为克服化石燃料能源的不足，适应社会可持续发展的需要，世界 一些主要海洋国家纷纷把目光转向海洋加大投入。 1 1 2 潮流能发电系统的意义及发展现状 在海水潮涨潮落的垂直运动过程中，同时也发生了水平流动，这就是潮 流。用潮流的冲击力，推动水轮机螺旋桨旋转，带动发电机发电。目前，国 外常采用一种叫做“花五式海流发电”的形式来发电。电站可设在海里，也可 装在河口。还有一种装用锚固定的船形浮体电站，船两侧装有多组水轮机， 发电机发出的电通过电缆送往陆地。 据估算，当潮流速度为2 米秒时，在1 平方米水流断面上，一年可发 出约2 万度电，可见潮流能量是相当可观的。在我国近海一些狭窄的海峡及 岛屿的水道内，潮流速度很大，是潮流能的主要蕴藏场所。浙江省的资源点 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ( 水道) 有3 7 外之多，占全国首位，装机容量占全国的7 0 左右，其次是 福建和广东、辽宁、山东、上海。像长江口北港水道、杭州湾、舟山群岛金 塘水道等，都是全国海岸带潮流能源密度较高的地区。 潮流发电研究国际上开始于7 0 年代中期，主要有美国、日本和英国等 进行潮流发电试验研究，至今尚未见有关发电实体装置的报导。意大利阿基 米得公司以及那不勒斯大学从事潮流能的研究已有多年，目前已研制成功基 于其专利透平k o b o l d 的潮流能装置e n e r m a ，并在意大利西西里附近的墨 西拿水道进行了试验，在水流速度1 8 米秒时发电2 0 k w ，总效率达到 2 3 ，但e n e r m a 缺乏抗浪能力，不能直接应用于中国、菲律宾等台风高 发区。 据对1 3 0 个航门水道的统计，我国的潮流能理论平均发电功率为1 4 0 0 万千瓦。我国的浙江、福建沿海是世界上潮流能最丰富的地区之一。著名的 潮流高能密度区有渤海海峡铁山水道，杭州湾北侧，舟山群岛的金塘水道和 西候门水道等。舟山群岛一带的大部海域流速在2 _ _ 4 米秒，其能流密度相 当于2 0 - _ 4 0 米秒( 即9 级一1 2 级以上) 风能的能流密度。与太阳能、风 能、波浪能等可再生能源相比较，潮流能的规律性最强，能量最稳定，最易 于电网的发配电管理，因此是最优秀的可再生能源。 潮流发电，目前国内外都处于试验阶段。1 9 7 8 年我国在舟山西侯门水 道进行了8k w 潮流发电机级原理性发电试验，当流速为3 米秒时，发出电 力5 7k w 。1 9 8 1 年哈尔滨研制出可调直立叶片水轮机潮流发电机组；青岛 则研制出柱式水轮机潮流发电装置，并在白沙1 5 1 进行了试验，1 9 8 9 年完成 了1k w 可调直立叶片摆线式水轮机的研制，为潮流发电技术的发展奠定了 基础。据“九五”计划和远景目标，我国将在浙江舟山建1 0k w 级、1 0 0k w 级和1 0 0 0k w 级的潮流电站。2 0 0 2 年3 月，哈尔滨工程大学在潮流实验电 站研究上取得重大突破，在岱山县龟山门水道建成并通过专家验收和鉴定我 国第一座7 0k w 潮流实验电站，2 0 0 5 年1 2 月，又完成了4 0 k w 潮流发电 系统，该系统由水轮机、增速器、发电机、整流及滤波装置、充电控制装 置、蓄电池组、三相逆变器、滤波器、变压器、电流传感器、电压传感器、 控制装置等组成。我国已经开始研建实体电站，在国际上居领先地位，但尚 有一系列技术问题有待解决1 3 1 。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 2 数字控制技术在潮流发电中的应用 数字信号处理器( d s p ) 应用技术，是伴随着数字信号处理器芯片的普 及应用和高速发展而倍受瞩目的。数字信号处理器是在模拟信号变换成数字 信号以后进行高速处理的专用处理器，其处理速度比最快的c p u 还快1 0 5 0 倍，目前一般的d s p 运算速度为1 0 0 m i p s ，即每秒钟可运算1 亿条指令。 t i 的t m 3 2 0 c 6 x 芯片由于采用了v l i w ( v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ) 超长 指令字结构设计，其处理速度己高达2 0 0 0 m i p s ，这是迄今为止的最高速 度。 传统的控制系统都是多数采用模拟控制系统，模拟控制经过多年的发 展，已经非常成熟。然而模拟控制有着固有的缺点：控制电路的组件比较 多，体积庞大，结构复杂；灵活性不够，硬件电路一旦设计完成，控制策略 就不能改变；调试比较麻烦，且仿真器件的工作点漂移，会导致系统参数的 漂移，从而给调试带来不便。为了解决上述传统的模拟控制技术的诸多问 题，人们开始研究数字元方式控制。随着d s p 技术的成熟和普遍，新一代 的数字信号处理器采用哈佛结构、流水线操作，即大大减少了指令执行周 期，使得很多复杂的控制算法可以得以实现。尤其是对于采用s p w m 调制 策略这种需要在线计算和控制的复杂算法，采用d s p 不仅可以比较方便地 实现控制目的，而且大大简化了控制电路设计，提高了可靠性 4 1 。 数字控制有许多的优点： 1 数字控制可以简化硬件电路，解决模拟控制元器件老化和温漂带来 的问题，具有很强的抗干扰能力。仿真控制器的稳定性能依赖于所选用组件 的稳定性。但是模拟组件的参数容易随环境和温度的变化而变化，如电阻、 电容等都有一定的温度系数，所以模拟控制的稳定性很差。数字控制用数字 来表示控制量，这样就可以很大程度上提高系统的稳定性和可靠性。 2 易实现复杂的非线性控制策略，提高控制系统的性能。由于开关器 件的存在，电力电子中的各种变换器一般是强非线性系统。传统的模拟控制 只是在变换器的近似线性模型的基础上利用频域分析法设计补偿网络。这种 设计方法虽然具有设计简单、实现容易等优点，但一般很难提高系统的控制 性能。数字元控制可以根据非线性模型来实现各种非线性控制策略，如自适 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 应控制、模糊控制等。这样就可以大大提高控制系统的性能。 3 通用性强，可以在几乎不改变硬件的情况下，通过修改软件来实现 不同的控制算法或提高系统的性能。易于实现大规模产品生产。 4 采用数字控制可以更好地与信息化接轨，使发电系统的操作使用接 口更加人性化，可以给用户提供更完整的操作和历史资料，还能实现输出电 压调节、电压保护、电流保护、功率保护、故障监测等功能，使得发电系统 具有“智能化”。另外，可以通过通讯口，把发电系统接入p c 机，实现远 程监控等功能。 但是，由于受a d 转换和芯片运算速度的限制，尽管目前d s p 比微处 理器的速度己提高了1 0 倍以上，但是数字控制技术仍然有局限性。目前还 不能完全替代模拟控制技术，但将数字控制与模拟控制有效地结合在一起， 能在很大程度上简化控制、提高可靠性，将使控制日臻完美。 由于具有超强的数据处理能力和很快的处理速度，配合高性能的 a d c ，d s p 能瞬时地读取逆变系统的输出，并实时的计算出p w m 值。 鉴于上述情况，本文选择了基于d s p 的潮流电站的电能变换及处理系 统的研究作为研究方向。 1 3 本文的主要研究内容 潮流能最大的特点就是波动大，从而发电机发出的电能则是不稳定的交 流电，而用户需要得到稳定的三相交流电，针对这一特点，我们所要做的工 作则是设计一个恒频恒压系统，保证无论潮流如何变化，我们都可以使用户 得到稳定的交流电。本文主要完成以下几个方面的工作：系统的长期工作 的稳定性技术，过电流、过电压、超载保护技术，输入直流电压大范围变化 情况下，输出交流电压的稳定性技术，储能蓄电池的充电控制技术，功率开 关组件的驱动与保护技术等。 1 完成潮流发电系统的总体设计，对整流电路、逆变电路、正弦波的 滤波电路进行具体的理论分析，并对p w m 逆变电路进行深入地研究。潮流 发电系统要具备长期稳定工作的能力，才有生命力，该研究项目也才有价 值。本系统主要由电力电子电路、电磁组件和微电子控制电路组成。对于逆 变电路设计采用i p m 智能模块，简化了系统设计而且更加稳定。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 实现逆变环节恒频恒压控制。由d s p 为核心，来实现逆变控制。在 逆变控制中，直流母线的电压在一定的范围内变化，对于逆变器来说，当 p w m 的调制度一定时，直流电压变化，输出的交流电压就要变化。本系统 采用改变调制度从而输出稳定的电压，当母线电压最低时调制度最大，电 压最高时，调制度最小。由于系统的关键器件的承受过电流过电压的能力很 弱，就有可能造成永久性的损坏，必须采取实时的快速过电流、过电压的保 护技术。 3 针对潮流发电特点，由于电能的不稳定性，设计套蓄电池充电控 制系统，保证整个系统能够连续正常运行，实现先恒流再恒压的充电方式。 4 电磁兼容设置，电能变换及处理系统是典型的电力电子系统。系统 始终处于大电流、脉冲工作状态。这种工作状态对控制电路具有极强的干扰 作用。对硬件及软件分别实施抗干扰措施，保证长期稳定工作。 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章潮流发电系统结构设计 2 1 潮流发电系统的整体设计 潮流发电的整个过程，就是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水 轮机，再由水轮机带动发电机来发电。发电机发出的不稳定的三相交流电经 过整流环节变成稳定的直流电，直流电送经由逆变器，变成带有谐波分量的 三相交流电，然后经滤波、变压环节送至用户或电网。 为了实现实时数据采集与监控功能，需要在发电机和变压器的输出端放 置传感器，这样可以及时采集到电压、电流的幅值和频率，准确地建立一个 在线监测系统。由于潮流发电随潮汐涨落而变化，这对于不能中断用电的用 户来说，矛盾十分突出。为了解决这一问题，我们在此系统中以蓄电池作为 能量储存单元，保证成为不断电系统。 潮流的波动比较大，在0 1 0 0 范围内变化，同时发电机发出的交流电 的变化范围也在0 1 0 0 之间变化。为了得到稳定的交流电，针对潮流的特 点，为了充分利用潮流能，我们所要做的工作就是设计一个变速恒频系统， 无论潮流如何变化，都能保证用户得到稳定的交流电。 当有潮流时，潮流发出的电能经过变换和处理后对外供电，同时将一部 分多余的电能通过蓄电池储存起来，当无潮流时，利用蓄电池储存的电能对 外供电。 该潮流发电系统由水轮机、增速器、发电机、整流及滤波装置、充电控 制装置、蓄电池组、三相逆变器、滤波器、变压器、电流传感器、电压传感 器、控制装置等组成。整个系统的发电机构图如图2 1 所示。 系统中整流器的作用是将三相( 或单相) 交流电变成直流电，整流可分为 可控整流和不可控整流。逆变器是将直流电变为单相或三相交流电。最常见 的结构形式是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路和利用四个 半导体主开关组成的单相桥式逆变电路，有规律地控制逆变器中开关器件的 导通和关断，可以得到任意频率的三相或单相交流电输出。中间直流环节是 对经过整流的脉动直流电压进行平滑， 足逆变要求、脉动尽可能小的直流电。 7 使之尽量接近理想的直流电或达到满 控制电路主要是对可控整流电路和逆 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 变电路进行控制使输出的直流和交流满足要求。控制电路通常由运算电路、 检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成，其主要任务是完 成对逆变器的开关控制和对各种检测信号进行比较分析，_ 以及完成各种保护 功能等。 2 2 发电机的选择 图2 1 潮流发电系统结构图 对于变速恒频潮流发电系统，常见的有几种电机方案： 1 鼠笼异步发电系统 采用的发电机为笼型转子，水轮机通过增速器拖动发电机的转子，电机 的定子绕组通过变频器和电网相连接。由于水流的速度的不断变化，发电机 的转速也随之变化，既电机发出来的电是变频的。采用转子磁链定向的向量 控制以及网侧p w m 整流的方法把频率变化的电能转换为与电网频率相同的 恒频电能，这样就实现变速恒频。由于其控制策略在定子侧实现，变频器的 容量和发电机的容量之比大于1 0 0 ，使整个系统的成本、体积和重量显著 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 增加；而且由于变频器直接和电网相连接，不可避免地对电网造成一些谐波 污染。但鼠笼式异步电机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、易于维护和 适宜恶劣的工作环境等优点，得到了广泛的应用。 2 双馈发电机变速恒频系统 双馈电机与普通的绕线式感应电机类似。定子绕组与电网直接相连，转 子绕组通过变频器供以频率、幅值、相位和相序都可改变的三相低频励磁电 流。无论水流速度如何发生变化，当电机的转速改变时，通过变频器调节转 子的励磁电流频率来改变转子磁势的旋转速度，使转子磁势相对于定子的转 速始终是同步的。定子感应电势频率即可保持定值，发电系统便可做到变速 恒频运行。此种结构的发电机是通过对其转差频率的控制来实现发电机的双 馈调速。由于控制方案是在电机的转子侧实现的，流过转子电路的功率是由 交流励磁发电机的转速运行范围所决定的，转差功率仅为发电机定子额定功 率的1 4 至1 3 。所以功率转换装置的容量小、电压低，变频器的成本大为降 低，系统容易设计与整理。这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可 实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，还可调节励磁电流的相位，达到 改变功率角使发电机稳定运行的目的，所以可吸收更多无功功率，参与电网 的无功功率调节，解决电网电压升高的弊病，从而提高电网运行效率、电能 质量与稳定性。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷，电刷和滑环之间 的机械磨损会影响电机的寿命，需要经常维护。 3 无刷双馈型变速恒频系统 双馈电机的无刷化可采用两种方式： a ) 双电机级联式 级联式双馈感应电机是一种过渡形式，它由两台绕线式感应电机同轴串 联而成。具有两套分离的定、转子绕组，两台电机通过转轴和转子电路的连 接实现机械、电气上的一体化，以消除电刷。其中一台机的定子直接连电 网，另一台绕线式感应电机的定子通过变换器供电。两台电机的转子绕组不 用滑环电刷而直接相联，控制变换器既可实现整个级联电机的控制。由于其 中一台作为功率电机，一台作为控制电机，因而控制与功率是独立的磁路， 很容易实现有功、无功功率的解耦。但是数量巨大的绕组数使得在机组上的 损耗很大，所以效率低。 9 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 b ) 单电机无刷双馈 单电机的无刷双馈电机是在定子上安装两套极数不同的绕组，一为功率 绕组，直接接电网；另一为控制绕组，通过双向变换器接电网。两套定子绕 组在电路和磁路方面是解耦的。其发电机转子为特殊设计无刷的笼型结构或 者磁阻式结构。转子极数为定子两个绕组极数之和，通过限制磁通路径，以 产生交、直轴方向上的磁阻差别，来调制定子绕组产生的极数不同的气隙磁 场。 无刷双馈电机中定子的功率绕组和控制绕组的作用，相当于绕线式双馈 电机的定子绕组和转子绕组。单电机的无刷化比双电机方案体积小、成本 低。其缺点是电机的设计比双电机复杂。虽然两种电机的运行机制不同，但 在控制上可以通过和绕线式双馈电机同样的策略实现： 无z = ( 0 + 尼) 厶 ( 2 一1 ) 式中： 是定子功率绕组电流频率，与电网频率相同；z 是定子控制 绕组电流频率；尼是定子功率绕组的极对数；最是定子控制绕组的极对 数。超同步时，取“+ ”，亚同步时取“”。当发电机转速变化时，即厶变化 时，若控制疋相应发生变化，尼将保持恒定不变，从而实现了变速恒频控 制。 这种控制方案除了可实现变速恒频控制，变频器容量只占系统容量的一 小部分，还可以实现有功、无功功率的灵活控制。对电网而言可起到无功补 偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高 了系统运行的可靠性。由于无刷双馈电机兼有笼型、绕线型异步电机和电励 磁同步电机的共同优点，还可以调节功率因子和运行速度，因此非常适合于变 速恒频发电系统。该项技术目前在国内不是十分成熟，处于理论研究阶段， 尚未进入工程实用阶段。 4 永磁同步发电系统 该系统与笼型变速恒频发电系统类似，利用永久磁铁取代转子励磁磁场， 无需外部提供励磁电源。变速恒频策略是在定子侧实现的。通过控制变频 器，将发电机输出的变频变压交流电转换为与电网同频的交流电，因此变频 器的容量与系统的额定容量相同，存在谐波污染问题。 主要优点：发电机结构简单，可靠性高。综合考虑成本和运行条件时， l o 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 m e 一 z 一 _ _ i i ；i i i ；暑；i ；i ；宣；i i 宣i i i 宣i 宣；i ；i ；i 可省去增速传动机构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性，便于维 护。但是转速很低，发电机体积大、成本高。 5 开关磁阻发电机系统 采用开关磁阻发电机，发电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽 结构，定子上设有集中绕组，转子为导磁材料，既无绕组也无永磁体，因此 机械结构简单，起动转矩大，低速性能好，没有异步电机在起动时出现的冲 击电流的现象。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，与定子电枢合二为 一。定子接驱动器将电能输出到直流侧，通过控制器实现励磁与发电，控制 系统结构大大简化，提高了可靠性，而且发电机绕组间无电磁耦合，其容错 能力极强。由于开关磁阻发电机运行时相当于一个电流源，电流波形脉动，易 实现并网运行，但其逆变器和驱动器容量大，开关磁阻电机容易出现力矩波 动。 通过以上的分析，发电系统采用变速恒频技术，能充分利用资源，现得 出几点结论： 1 双馈发电机系统和无刷双馈发电机系统的变频器容量仅为系统总容 量的一部分，故这两种方案适用于大、中容量的发电系统。 2 无刷双馈发电机没有滑环和电刷，结构简单，可靠性好，非常适用于 发电系统，但要加强发电机本体的研究，使其进入实用阶段。 3 采用直接驱动，不需要增速箱，系统的运行噪声将大大降低，可靠 性不断提高，成为目前变速恒频的热点之一【5 】【6 】。 2 3 整流环节设计 在变频电源中，主电路通常采用交直交变换实现变频和变压，交直变换 即整流电路，是将交流电变为直流电。 整流电路通常可按相数分为单相整流、三相整流以及多相整流，由于多 相整流并不常见，所以这里只介绍单相和三相整流。单相整流就是将单相工 频交流电整流为直流电压，它的特点是整流电路简单，所用组件少，成本 低，缺点是整流后的直流电压脉动大，如果在交流输入侧不加变压器，它整 流后得到的直流电压也比较低。三相整流是将三相工频交流电整流为直流电 压，它的特点是整流电路相对单相来说，所用组件较多，成本相对较高，但 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它具有整流输出的直流电压脉动小、电压高的优点。由于直流脉动小，所需 滤波组件的容量变小，体积变小。 整流电路还可根据所用整流器件分为不可控整流和可控整流电路。不可 控整流电路就是由不可控的器件( 整流二极管) 构成的整流电路，此种整流 电路输出的直流电压不可调节。不可控单相整流电路在理想情况下，输出电 压与输入电压的关系为： y ：堑k ：0 9 k ( 2 - 2 ) 刀 式中v 为整流输出电压，k 为整流输入交流电压有效值或者变压器二次侧 电压有效值。不可控三相桥式整流电路在理想情况下，输出直流电压与输入 交流电压之间的关系为： y = 1 3 5 圪 ( 2 3 ) 式中v 为输出直流电压，l 为整流输入的三相交流电压线电压的有效值。 可控整流电路就是由可控器件( 晶闸管、m o s f e t 等) 构成的整流电 路。该种整流电路的输出直流电压大小可通过控制开关器件的导通角来调 节。如果只能控制开关器件的导通而无法控制它的关断，关断只能由另外增 加的换流电路来完成，这样的整流电路称为半控型整流电路。如果既能控制 开关器件导通又能控制关断，这样的整流电路称为全控型整流电路。可控型 整流电路输出的直流电压可根据实际需要进行调节。 本系统采用不可控整流，直接将发电机发出的三相交流电经过整流环节 变为含有直流脉动的直流电1 7 1 1 引。 2 4 逆变环节设计 在整个系统中，逆变部分是整个设计的重点，因为整个系统要想输出频 率恒定不变、电压稳定的电能，要通过控制逆变电路来实现。 在三相逆变电路中，三相桥式逆变电路是应用最广泛的。三相桥式电路 结构示意图如图2 2 所示。三相桥式逆变器电路结构简单，采用的器件少， 功率管承受母线电压，在输出端增加变压器得到三相四线制的输出电压，提 高逆变器带不平衡负载的能力。逆变电路的开关器件采用m o s f e t 或者 i g b t 作为可控组件的电压型三相桥式逆变电路1 9 1 1 0 1 。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图2 2 三相桥式逆变电路 如图2 2 所示电路由三个半桥组成。为了分析方便，图的直流侧电源画 出了假像中点n 。电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式是1 8 0 度，同 一相( 即同一半桥) 上下两个臂交替导电，各相开始导电的时间依次相差 1 2 0 度。因为每次换向都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此称为纵 向换相。这样，在任一瞬间，将有三个臂同时导通。可能是上面一个臂下面 两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。在分析三相逆变电路 时，对其输出的三相分别用u 相、v 相、w 相表示。 rr 对于u 相来说，当桥臂1 导通时，“删= 睾，当桥臂4 导通时 z r r 甜蜊= 一半因此的波形是矩形波。v ，w 两相的情况和u 相类似。设 厶 负载中心点n 与直流电源假像中心点之间的电压为“。，则负载各相的 相电压可以由下式得出： 甜州2 甜一。 甜p 2 “阳v 一“。 甜刚。“删一2 。 把上面个式整理得可求出“埘 ( 2 4 ) 哈尔浜工程大学帧士学位论又 “删2 言( + 印。+ 删) 一孝( + 茚跗+ 聊) ( 2 5 ) 设负载为3 相对称负载则有+ “+ 材删= 0 ； 故可得 1 “n i r 2 ；( u w + u m + “删。) ( 2 6 ) 甜的波形如图所示，它也是矩形波，但其频率为”脚频率的3 倍，幅 值为玩6 。 利用式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 即可绘出负载相电压、扰胪甜删的波形1 1 1 1 2 1 。 l j 翮厂i l l 一 厂 l 厂 厂 一 一l j l f r l 厂 厂一 l j l j r 一 小 厂 厂 厂 几厂丌 一 uuuuu 牟l ，一 jb 阿一 “、，一 nn 。 “l r 一 n 卜 “，一 习厂 一 一 f 图2 3 三相逆变电路的电压波形 2 5 滤波环节设计 滤波器按其电路结构的不同可以分为l ，c 串、并联滤波器和l c 谐振 1 4 h d h d o d l 1 d 州 d _ 奁 d 董 口 “ “ 弘 “ 哈尔滨工程大学硕士学何论文 型滤波器。根据其处理对象的不同又可以分为电压滤波器和电流滤波器。开 关电路输出的交流电压不可能是标准正弦交流电压，输出电压滤波器的功能 就是要将开关电路输出交流、电压中的谐波电压滤除，只将正弦基波电压输 出给负载。在输出滤波器中，滤波电感l 串联在电路中，滤波电容c 并联 在电路中，串联在电路中的电感阻抗与频率成正比，低频电流、特别是直流 电流可以畅通无阻地通过电感；对高频电流，电感则呈现高阻抗、高压降， 因此电感可以作为电流的低通( 高阻) 滤波器。相反，电容的阻抗 z ，= 2 n u l ，与频率成反比，把电容并联在主电路中，高频电流可以被旁 路掉，而对低频电流特别是直流电流，电容则呈现高阻抗。因此，电容可以 作为电流的高通( 低阻) 滤波器。由串联电感和并联电容所组合构成的l c 串、并联滤波器得到了广泛的应用。在输出滤波器中选择适当的电容和电 感，可使得对谐波频率电流，串联电感l 的阻抗z ，= 2 n f l ，远大于输出端谐 波等效阻抗、而并联电容c 的阻抗z r = 1 ( 2 x 形) 远小于负载等效阻抗， 从而开关电路输出电压中的谐波电压大部分降落在电感l 上，负载上的谐 波电压很小；同时开关电路输出电压中的谐波电压产生的、流过电感l 的 谐波电流，因滤波电容c 对谐波电流的阻抗很小而使谐波电流几乎全部流 入滤波电容c ，负载中没什么谐波电流。对基波电压，电感l 的阻抗小，基 波压降不大，可以使滤波器对负载基波电压影响不大。对基波电流而言，电 容c 的阻抗大，流入c 的基波电流不大，它对开关中路中开关器件的电流 值影响不大。 设计输出l c 滤波器时的一般要求是： 1 负载中单次谐波电压和总谐波电压降低到允许的范围内。 2 电容c 中的电流不过分增加开关器件中通过的电流。 3 滤波电感l 的基波阻抗不大，使负载变化时负载电压波动不大。 4 滤波器l c 电压、电流的乘积值小，成本低、体积小、重量轻。 由于谐振型l c 滤波器都是针对某些特定的频率而设计的，因而仅仅适 用于逆变器的基波和谐波频率固定的场合，它能使逆变器滤除特定谐波并使 基波畅通无阻。正是由于谐振型l c 滤波器的这种特点使得它的应用受到限 制。在开关频率比较高的情况下，一般只用体积很小的一阶低通l ，c 串、 并联滤波器就足够了。 哈尔滨二r 程大学硕士学位论文 图2 4 滤波电路 那么在交直交逆变电源输出电路中，逆变器输出的电压既包含了5 0 h z 基波，又包含了高于5 0 h z 的谐波；电源中只允许输出5 0 h z 电压，而不让 高于5 0 h z 的谐波电压输出，故在逆变输出电路中，需要设计l c 滤波器对 主电路的交流输出进行滤波，以便得到性能更好的正弦输出波形。l c 滤波 电路如图2 4 所示1 1 3 x l = c o l = 2 n f z , ，五随频率升高而升高；如= 1 ( c 0 1 ) = 1 ( 2 n f c ) ，x c 随频率升高而降低。国三= 1 c o c 所对应的频率为截至频率五，五与l 、c 关系如下： c o o l = 1 c o c c ，c o c 2 = i l c ( 2 7 ) 2 万z = c o c ( 2 - 8 ) 应用中基波频率f = 5 0 h z ，f c = i k h z ，载波频率为4 9 5 0h z ，最低次谐 波五1 = 4 9 0 0 h z 。 ( 2 木3 1 4 木1 0 0 0 ) 2 = 1 ( l c ) ( 2 9 ) l c = 0 0 2 5 母1 0 击h * f = 0 0 2 5 m h 木1 0 0 0 9 f ( 2 1 0 ) 这只是理论计算得出的结果，因为电感值大则其体积也大，在滤波效果 相近的情况下，可以把滤波电容值取大一些，而电感值取得小一点以减小滤 波电感体积。 由于彳 无，故c o i l z ，c o k l l 1 c o k l c ，c o k l l 对最 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 i i i i ；i ；i ；i i - - 暑；i ；i ；i i ；i i ；i i 宣i i i i 宣i i i i i i 暑i i 低次谐波信号阻力很大，1 魄。c ，对最低次谐波信号分流很大，因此滤波器 不允许最低次谐波信号通过，更不允许高次谐波信号通过【3 i 。 2 6 本章小结 本章针对潮流发电系统的总体结构，分析了构成系统的几个关键结构的 设计，包括电机选择、整流电路、逆变电路和滤波电路，并针对具体电路给 出了具体参数。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学能论文 第3 章潮流发电控制系统硬件设计 3 1d s p 芯片2 4 0 7 a 硬件结构 目前，随着计算机和信息产业的飞速发展，信号处理学科不但在理论 上，而且在方法上都获得了迅速发展。特别是信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 的诞生与快速发展，使各种数字信号处理算法得以实时实现，为 数字信号处理的研究和应用打开了新局面。由于d s p 具有丰富的硬件资 源、改进的并行结构、高速数据处理能力，强大的指令系统和日益提高的性 价比己经成为世界半导体产业中紧随微处理器与微控制器之后的又一个热 点，在通信、航空、航天、雷达、工业控制，网络及家用电器等各个领域得 到了广泛的应用。、 d s p 具有如下特点：采用改进型哈佛结构，具有独立的程序总线和数 据总线，可同时访问指令和数据空间，允许数据在程序内存和数据存储器之 间进行传输。高度的操作“并行性”，在一个指令周期内可以完成多重操 作，一般能够完成一次乘法和一次加法，支持流水处理。片内含有硬件乘法 器和高性能的运算器及累加器。片内集成了r a m ，r o m ，f l a s h 及双口 r a m 等存储空间，并通过不同的片内总线访问这些空间，因此不存在总线 竞争和速度匹配问题，大大提高了数据读写的速度。新型的d s p 不但具有 数据处理能力，而且集成了越来越多的其它部件，如a d ，比较器，捕获 器，p w m ，串行口及看门狗等，为将d s p 应用于智能测控，电机控制，电 力电子技术等领域提供了资源条件。 本系统采用的数字信号处理器为t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司 专为电机和电源等数字化控制而设计的d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 。这款 d s p 控制芯片有以下特点：采用高性能静态c m o s 技术，使供电电压降为 3 3 v 减小了控制器的功耗；4 0 m i p s 的执行速度，提高了控制器的实时控制 能力。片内有3 2 k 字的f l a s h 程序内存和1 5 k 字的数据程序r a m ， 5 4 4 字双口r a m ( d a s r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s 触认m ) 。两个 事件管理模块e v a 和e v b ，每个事件管理模块包括两个1 6 位通用定时 器，8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道，可编程的p w m 死区控制，看门 哈尔滨工程大学硕士学位论文 狗定时模块( w d t ) 。1 0 位a d 转换器，最小转换时间为3 7 5 n s 。可以以两个 8 信道的双排序方式采样，或一个1 6 信道排序方式采样。一个控制局域网 络( c a n ) 2 0 b 模块。串行通信接口( s c i ) 、1 6 位的串行外设接口模块 ( s p i ) ，4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。+ 下面具体 介绍其丰富的外围模块 1 4 1 1 5 】一 1 事件管理器模块 3 个1 6 位的通用定时器，有6 种计数方式，各带有一个比较逻辑单 元，共可输出3 路比较p w m 脉冲。通用定时器是数字化控制中不可缺少 的基本单元，它可以为p w m 模块、捕获单元等提供合适的时基。3 个全 比较单元，共可输出3 对带可编程死区控制的比较p w m 脉冲。全比较单 元是数字信号处理器中最适合生成逆变器p w m 控制信号的外围模块，它 采用双边调制的模式，控制p w m 信号占空比的是一个带有阴影的寄存 器，非常适合采用s p w m 、滞环等需要实时计算的控制方式，在本系统 中，p w m l 、2 、3 、4 、5 、6 用作三相全桥逆变器的双极性s p w m 控 制。全比较单元还配有死区控制单元，这样就不必再专门为电源驱动模块设 计死区设定单元，为控制带来很大的方便。3 个单比较单元，共可输出3 路比较p w m 脉冲。单比较单元与全比较单元基本类似，只是单比较单元 中不包含死区控制单元。所以，该单元一般应用于不需要设置死区的变换器 的控制。在本系统中，用定时器2 启动模数转换。4 个捕获单元，对应有 四个捕获引脚。捕获单元可以捕获到事先规定好的事件之间的时间差，事件