（电力电子与电力传动专业论文）潮流发电嵌入式计算机控制系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w ：e n e r g ys o u c o sc o n s u m ei n c r e a s i n gd a i l ya n de n v i r o n m e n te m p o i s o n b e i n gs e r i o u sg r a d u a l l y ，t i d a lp o w e r ，a sr e n e w a b l e ，n op o l l u t i o ne n e r g ys o u r c e ， i sp a i dg r e a ta a e n f i o nb ym o r ea n dm o r ec o u n t r i e s n 圮t e c h n o l o g ya l s ob e c o m e s r e s e a r c hh o t s p o to f m a n yc o u n t r i e s s c h o l a r 1 1 1 ep a p e rh a sd o n ea l l a r o u n ds t u d yo nt h ee l e c t r o n i ce n e r g yc h a n g ef r o m s i m u l a t i o nt oe x p e r i m e n ta n df r o mt h e o r yt 0p r a c t i c e a tt h es a m et i m e id i da t l a r g et h e o r ya n a l y s i st ot h ee m b e d d e ds y s t e ma n dc o n n e c tw i t ht i d a lp o w e r , w h i c h h a se 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 rn e x ts t u d yw o r k t h ep a p e rm a i n l yd i s e u s s e st h et i d a lg e n e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mw i t ha ct od c t oa ca sm a i nt i r e u i ti nd e t a i l ，w h i c hi m p l e m e n t st h ed ct oa cc o n t r 0 1 t h eb a t t e r y c h a r g ec o n 廿o la n dt h ec o m m u n i c a t i o nw i t hp c t h es y s t e m1 1 2 a yk e e dc o n s t a n t f r e q u e n c ya n dv o l t a g e t h ec o n s u m e rg e ts t e a d yv o l t a g en om a t t e rh o wt h et i d e c h a n g e n i sp a p e rp r e s e n t sp ms o l u t i o nt ot h et i d a lg e n e r a t i o ns y s t e m i r e s e a r c ht h ec o m p o s eo fi l l a i nc i r c u i to ft h et i d a lg e n e r a t i o ne l e c t r i c i t ys y s t e m m a t l a bs o f t w a r ei m i t a t e st h es c h e m e d u r i n gi m i t a t i o n ii n 缸o d u c et h em o d e l o fe v e r ym o d u l e n l cr e s u l tw h i c hi sg a i n e db yt h em o d e lp r o v e st h es c h e m e f e a s i b l e o nt h e d e s i g n o ft h ec o n t r o l l e r , t h e p a p e ra d o p t s t h ee m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o rl p c 2 2 1 0a n d1 u c u b r a t ei t sh a r d w a r ef r a m e w i t ht l l en e e do ft h e s y s t e m ，t h el p c 2 2 1 0o nt h ec o n n e c t i o nw i t hp w mg e n e r a t o rm a yr e a l i z et h e c o n t r o lo f d c - a cc i r c u i t t h el p c 2 2 1 0h a sap w v lg e n e r a t o r , w h i c ha c h i e v e st h e b a r e r yc h a r g e t h ep a p e ra l s od e t a i l st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mo nu c o s i i i ta l l e v i a t e st h ew o r k l o a do ft h es y s t e ma p p l i c a t i o ne x p l o i t a t i o n d u r i n gt h e d e s i g no fs y s t e ms o f t w a r e ia d v a n c ea r i t h m e t i co fp ia n dm e d i a nf i l t e r , a n do f f e r p r o g r a mf l o wc h a r t t h eo u t c o m eo fe x p e r i m e n t a t i o na l s op r o v e st h es c h e m ei s f e a s i b l e a t l 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 di m i t a t i o nr e s u l t aw h o l ee l e c t r i c i t y e n e r g yt r a n s i t i o nh a sb e e nd e v e l o p e da n did i dm a n ye x p e r i m e n t sa n dt h e o 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 f t h e o r yr e s e a r c h ，w h i c hp r o v e st h e a p p l i c a t i o nv a l u eo f t 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 n e l e c t r i c i t y ；d c - a c ；b a t t e r yc h a r g e ；p w m l p c 2 2 1 0 ；u c o s i i 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 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 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) ：冷欠 日期：砌年月，。日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 潮流发电的研究背景 随着人口的剧增，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 海洋能源的利用 海洋被认为是地球上最后的资源宝库，也被称作为能量之海。2 1 世纪海 洋将在为人类提供生存空间、食品、矿物、能源及水资源等方面发挥重要作 用，而海洋能源也将扮演重要角色。海洋能源通常指海洋中所蕴藏的可再生 的自然能源，主要为潮汐能、波浪能、海流能( 潮流能) 、海水温差能和海 水盐差能。更广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以 及海洋生物质能等。究其成因，潮汐能和潮流能来源于太阳和月亮对地球的 引力变化，其他基本上源于太阳辐射。海洋能源按储存形式又可分为机械能、 热能和化学能。其中，潮汐能、海流能和波浪能为机械能，海水温差能为热 能，海水盐差能为化学能。 从技术及经济上的可行性，可持续发展的能源资源以及地球环境的生态 平衡等方面分析，海洋能中的潮汐能作为成熟的技术将得到更大规模的利用； 波浪能将逐步发展成为行业，近期主要是固定式，但大规模利用要发展漂浮 式；可作为战略能源的海洋温差能将得到更迸一步的发展，并将与海洋开发 综合实施，建立海上独立生存空间和工业基地；潮流能也将在局部地区得到 规模化应用。潮汐能的大规模利用涉及大型的基础建设工程，在融资和环境 评估方面都需要相当长的时间。大型潮汐电站的研建往往需要几代人的努 力。波浪能在经历了十多年的示范应用过程后，正稳步向商业化应用发展， 且在降低成本和提高利用效率方面仍有很大技术潜力。依靠波浪技术、海工 技术以及透平机组技术的发展，波浪能利用的成本可望在5 1 0 年左右的时 间内，在目前的基础上下降2 4 倍，达到成本低于每千瓦装机容量1 万元人 民币的水平。国内在波浪能技术方面与国外先进水平差距不大。中国是世界 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上海流能量资源密度最高的国家之一，发展海流能有良好的资源优势。海流 能也应先建设百千瓦级的示范装置，解决机组的水下安装、维护和海洋环境 中的生存问题。海流能和风能一样，可以发展“机群”，以一定的单机容量 发展标准化设备，从而达到工业化生产以降低成本的目的。 1 1 2 潮流发电国内外发展现状 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 德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。 根据中国潮流能利用的需要，广州能源研究所和意大利研究者开展了合 作研究，内容包括抗台风、海洋工程施工、能量转换方式、保护控制、无电 网条件下的发电问题等。希望通过合作，研制出适用于中国、菲律宾、印度 尼西亚等国的潮流能装置。中意双方的研究合作引起了联合国工业发展组织 ( u n i d o ) 的重视。u n i d o 建议形成区域性的研究计划，研究者包含意大利、 中国、菲律宾、印度尼西亚等国的学者。相信这些合作研究将促进潮流能在 中国、菲律宾、印度尼西亚等国的应用。 我国的潮流能，据对1 3 0 个航门水道的统计，理论平均发电功率为l4 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老铁山水道，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- 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。据专家估计，随着技术的成熟， 潮流能发电的经济效益完全有可能超过风能，对能源危机和环境破坏起到一 定的缓解作用。我国潮流发电研究始于7 0 年代末，首先在舟山海域进行了8 千瓦潮流发电机组原理性试验。8 0 年代，哈尔滨、青岛的一些研究单位，进 行过千瓦级湖流发电船的试验。潮流发电船利用潮流冲击安装在锚定的船舶 两侧的水轮机转动发电。8 0 年代一直进行立轴自调直叶水轮机潮流发电装置 试验研究，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。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 嵌入式系统 随着应用对象的扩大和微电子技术、软件技术的发展，嵌入式系统逐渐 从单片机发展到高性能嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。经过几十年的发 展，嵌入式技术已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且 这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个 性。例如，h i p 3 、数码相机与打印机就有很大的不同。即使我们看不见，嵌入 式系统也无处不在。目前，对嵌入式系统的定义多种多样，下面给出两种比 较合理定义： ( 1 ) 嵌入式系统：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系统。 ( 2 ) 嵌入式系统：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使 其紧密耦合在仪器的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系 统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入 式系统。 两种定义的出发角度不同，一个是从技术的角度来定义的，另一个是从 系统的角度来定义的。事实上，在大多数情况下，嵌入式系统是真正的被嵌 入，即它们是“系统中的系统”。 1 2 1 嵌入式系统硬件 普通个人计算机中的处理器是通用目的的处理器。它们的设计非常丰富， 因为这些处理器提供全部的特性和广泛的功能，故可以用于各种应用中。使 用这些通用处理器的系统有大量的应用编程资源。现代处理器具有内置的内 存管理单元( m m u ) ，提供内存保护和多任务能力的虚存和通用目的的操作系 统。这些通用的处理器具有先进的高速缓存逻辑。许多这样的处理器具有执 行快速浮点运算的内置数学协处理器。这些处理器提供接口，支持各种各样 的外部设备。这些处理器能源消耗大，产生的热量高，尺寸也大，其复杂性 意味着这些处理器的制造成本昂贵。近年来，随着大量先进的微处理器制造 技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不是用通用目 的的处理器。这些嵌入式处理器是为完成特殊的应用而设计的特殊目的的处 理器。 一类嵌入式处理器注重尺寸、能耗和价格。因此，某些嵌入式处理器限 定其功能，即处理器对于某类应用足够好，而对于其他类的应用可能就不够 好了。这就是为何许多的嵌入式处理器没有太高的c p u 速度的原因。另一类 嵌入式处理器更关注性能。这些处理器功能很强，并用先进的芯片设计技术 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 包装，这些处理器设计满足那些用通用目的处理器难以达到的密集型计算的 应用需求。新出现的高度特殊的高性能的嵌入式处理器，包括为网络设备和 电信工业开发的网络处理器。总之，系统和应用速度是人们关心的主要问题。 还有一类嵌入式处理器关注全部4 个需求一性能、尺寸、能耗和价格。 例如，蜂窝电话中的嵌入式数字信号处理器具有特殊性的计算单元、内存中 的优化设计、寻址和带多个处理能力的总线体系结构，这样d s p 可以非常快 地实时执行复杂的计算。在同样的时钟频率下，d s p 执行数字信号处理要比 通用目的的处理器速度快若干倍，这就是在蜂窝电话的设计上用d s p 而不用 通用目的的处理器的原因。 片上系统s o c 处理器对嵌入式系统具有特别的吸引力。s o c 处理器具有 c p u 内核并带内除外设模块，如可编程通用目的计时器、可编程中断控制器、 d m a 控制器和以太网接口。这样的自含设计使嵌入式设计可以用来建造各种 嵌入式应用而不需要附加外部设备，再次减少了最终产品的整个费用和尺寸。 嵌入式处理器的分类可分为： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u ，它一般装配在专门设计 的电路板上，只保留与嵌入式应用有关的母板功能，但是电路板上必须包括 r o m 、删、总线接口、各种外设等器件。嵌入式处理器目前主要有 a m l 8 6 ，8 8 、p o w e rp c 、m i p s 、a r m 系列等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t m l l e ru n i t , m c u l 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。从2 0 世纪7 0 年代末单片机出现 到今天，虽然已经经过了2 0 多年的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入 式设备中仍然有着极其广泛的应用。嵌入式微控制器一般以某种微处理器为 核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时肼数器、 看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m 等各种 必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化， 体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入 式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制， 因此称为微控制器。比较具有代表性的通用系列有8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 5 1 、 m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 、c 1 6 6 1 6 7 等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a l s i g n a l p r o c c s s o r ，d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算 法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、 f f t 、频谱分析等各种仪器上d s p 获得了大规模的应用。d s p 的理论算法在 2 0 世纪7 0 年代就已经出现，但是由于当时专门的d s p 处理器还未出现，所 以这种理论算法只能通过m p 等由分立元件实现。m p u 较低的处理速度无法 满足d s p 的算法要求，它的应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随 着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。其运 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 算速度比m p u 快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。 至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步与发展，第二代基于c m o s 工艺的 d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到了成倍提高，成为语音处 理、图像硬件处理技术的基础。到8 0 年代后期，d s p 的运算速度进一步提 高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机一面。9 0 年代后，d s p 发 展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。 目前最为广泛应用的是t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 6 0 0 0 系列。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t c m o n c h i p ，s o c ) 片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用 领域的热门话题之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接 在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一 个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要 再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只 需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的 标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分 系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和 功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 由于s o c 往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的s o c 产品p h i l i p s 的s m a r tx a 。少数通用系列如s i e m e n s 的t r i c o r e 、m o t o r o l a 的 m - c o r n 、某些a r m 系列器件、e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片 等。预计不久的将来，一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市 场的s o c 芯片，一举击退竞争者。s o c 芯片也将在声音、图像、影视、网 络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。 1 2 2 嵌入式系统软件 软件方面主要可以依据操作系统的类型划分。目前嵌入式系统的软件主 要有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统 和软实时系统，如图1 1 所示。实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的， 可以严格地按时序执行功能，其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在 实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系 统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽然响应时 间l 司样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上 需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软 件方面通过编程实现时限的管理。比如w i n d o w s c e 2 0 就是一个多任务分时 系统，而u c o s 则是典型的实时操作系统。当然，除了上述分类之外，还有 许多其他分类方法，比如从应用方面分为工业应用和消费电子等，在这里就 不一一赘述了。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 嵌入式系统分类 从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特征； ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资 源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的 o s e 分布式系统，内核只有5 k b ，丽w i n d o w s 的内核则要大得多。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结 合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列 的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的 任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这 种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分， 不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时 也利于实现系统安全。 ( 4 ) 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求 固化存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 ( 5 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但是为了合 理地调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须 自行选配r t o s ( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执 行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身 不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能 进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般 是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后 的执行机，开发时需要交替结合进行。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 潮流能最大的特点就是波动大，从而发动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： ( 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、斩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。 ( 2 ) 实现逆变环节和蓄电池充电的恒流恒压控制。由a r m 为核心，来 实现逆变控制、充电控制和与上位机的通讯。在逆变控制中，要实现恒压恒 频输出和过电流电压保护。在蓄电池充电控制模块中，要实现先恒流再恒压 的充电方式。与上位机通讯可以及时反应电压值、电流值等信息。 ( 3 ) 用m a ta b 搭建系统模型，对系统进行仿真，重点在逆变部分和 滤波部分。观察滤波的效果是否理想，输出电压是否稳定。 ( 4 ) 建立一套完整的电能转换系统，无论输入电压如何变化，系统都可 以保证输出端恒压恒频。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章潮流发电系统主电路分析 2 1 主电路总体设计方案 交直交变频”是通过整流与逆变两种变换将输入工频交流电变换为要求 电压和频率的交流电。交直交变频理论上可以产生任意频率的交流电，是现 代变频电源普遍采用的方法。交直交变频电源的基本构成框图如图2 1 所示， 主要由主电路( 包括整流器、中间直流环节、逆变器) 和控制电路组成。 网侧变流器负载倒变流器 令 图2 1 交直交变频电源基本构成框图 上述框图中，整流器是将三相( 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，使之尽量接近理想的直流电或达到满 足逆变要求、脉动尽可能小的直流电。控制电路主要是对可控整流电路和逆 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整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。 潮流发电的过程，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 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。 系统指标：功率4 0 k w 电压4 0 0 v 频率5 0 h z - - b 0 2 5 h z 系统功能：能输出交流稳定电压4 0 0 v 系统组成框图如图2 2 所示： 2 2 整流环节嘧3 图2 2 系统结构框图 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，所用元件少，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 元件较多，成本相对较高，但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，所需滤波元件的容量变小，体积变小。整流电路还 9 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： 1 片 y ：兰! 兰k = 0 9 k ( 2 - 1 ) 式中k 为整流输出电压，巧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： 圪= 1 3 5 ( 2 2 ) 式中k 为输出直流电压，k 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、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。 2 3 逆变环节 2 3 1 三相逆变电路n 4 1 绷 在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。采用电力晶体管 作为可控元件的电压型三相桥式逆变电路如图2 3 所示，电路有三个半桥组 成。为了分析方便，给图的直流侧电源划出了假象中点。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，对其输出的三项分别用u 相、v 相、w 相表示。对于u 相来说，当桥臂l 导通时，坼。= 虬2 ，当桥臂4 导通时， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 n 图2 3 三相桥式遵变电路 = 一2 。因此，”，的波形是矩形波。v 、w 两相的情况和u 相类似，“、 “。的波形形状和“，的相同，只是相位依次相差1 2 0 度。甜“，、“。、”i f ，的 波形如图2 4 所示。设负载中心点n 与直流电源假象中心点n 之间的电压为 u n n ，则负载各相的相电压可以由下式求出： h2 。h 一甜n n j “p = “p w ，一l f w ， ( 2 3 ) = “w ，一甜，j 把上面各式相加并整理可求得n n n ，： ，= j i ( + “m ，+ “。，) 一j t ( + “州+ ) ( 2 4 ) 设负载为三相对称负载，则有+ ”。+ “。= 0 ，故可得 i x n n , ：i ( 心，+ “，+ 甜w ) ( 2 5 ) u n n ，的波形如图2 4 所示，它也是矩形波，但其频率为“。，频率的3 倍， 幅值为6 。利用式( 2 3 ) 和式( 2 5 ) 即可绘出图2 4 中负载相电压甜w 、 “、“w 的波形。 厂 7 v ，y 1 ，一矿1 p l p 7 图2 4 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 负载线电压 w 、t 1 1 , 9 7 、g l l w j 可由下式求出： w = 一“1 乩：弘一。 l ( 2 6 ) “州= “p w 一“聊r 。一d “附2 - u w n 一“w j 图2 4 给出了“。的波形。由的波形可以求i j 相电流0 的波形。负载的阻 抗角不同，0 波形的形状和相位都有所不同。图2 4 中给出的是感性负载 下 o 时为吼导通，0 一 、7 ， 对于电路的具体工况，可据此式判断负载电流是否连续。 在负载电流断续工作情况下，负载电流一降到零，续流二极管v d 即关 断，负载两端电压等于e m 。输出电压平均值为： 砜= 坐学= 一毕 聊 e ( 2 - 3 0 ) u o 不仅和占空比口有关，也和反电动势e m 有关。此时负载电流平均值为： l = 湘枇+ 扣r ) = 卜字m 屠毕c z - s ， 2 5 滤波环节曲“ 输出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 串连在电路中，滤波电容c 并联在 电路中，串联在电路中的电感阻抗z ，= 2 z f l 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 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 z c = l 2 n f c 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。由串连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 的阻抗乙= 1 2 互心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：