設計風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng).doc

摘 要風能作為一種清潔的可再生能源，在當今能源短缺的情況下，變的越來越重要。由于風的不穩(wěn)定性和風力發(fā)電機單機容量的不斷增大，使風力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互影響也越來越復雜，因此，對風力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性提出了更高的要求。控制系統(tǒng)對提高風力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性有很大的作用，所以有必要對控制系統(tǒng)和控制過程進行分析。本文設計的是風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，采用igbt作為主功率器件，以專用集成芯片sa866為控制核心，充分利用其外圍電路簡單、具有多種波形選擇、無需其它處理器配合的特點，同時采用ir2113構成igbt的驅動電路，并且采用了數(shù)字電路單片機，來做鎖相環(huán)控制sa866輸出的spwm波頻率穩(wěn)定，使逆變電路輸出的電壓與電網(wǎng)同頻同相，達到并網(wǎng)的目的。關鍵詞 風力發(fā)電 并網(wǎng)逆變 鎖相環(huán)abstractthe wind energy which is used as a kind of clean and reproducible energy, nowadays gets more and more important in the energy scarcity cases. because instability of the wind and continuous enlarging capacity of the single machine in wind power generation, mutual effect between the wind power system and the grid is more and more complicated, so the higher demand is brought forward about the stability of output power of the wind power generation system. the control system may enhance the stability of output power, therefore we have the necessity to analyses control system and the control processes.this design is wind power grid system, using igbt as the main power devices to specific integrated chip sa866 as a control center, full use of its peripheral circuit is simple, with a variety of waveform selection, no other processor with the characteristics, the use of ir2113 constitute the igbt drive circuit, and digital circuits using single chip, do the phase-locked loop spwm control sa866 output wave frequency stability, so that the output of the voltage inverter circuit with the same frequency and phase power, reach and network purposes. keywords wind power grid inverter pll目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究背景11.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀31.3 風力發(fā)電的并網(wǎng)方式51.4 直驅式電能變換器控制技術6第二章 風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)分析62.1 風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的介紹62.2 風力發(fā)電并網(wǎng)的方法72.3 風能并網(wǎng)逆變器9第三章 硬件結構及原理113.1 風能逆變器控制分析113.2 并網(wǎng)逆變器控制技術分析123.3 pfo環(huán)節(jié)及其控制技術分析123.4 逆變電路的設計143.5 三相逆變器的工作原理17第4章 控制電路的實現(xiàn)194.1 三相pwm發(fā)生器sa866ae簡介194.1.1 功能特點194.1.2 管腳說明194.1.3 sa866的控制方式214.2 鎖相環(huán)控制214.2.1 atmeg8單片機的簡介224.2.2 數(shù)模轉換器 max530244.2.3 頻率采樣電路254.3過流顯示264.4 adc0832模數(shù)轉換器的介紹26第5章 隔離驅動和保護單元285.1 高壓懸浮驅動器ir2113285.2 光耦隔離電路295.3 過流檢測305.4 過壓檢測31第六章 輔助電源的設計326.1 電源的分類326.2 開關電源的基本工作原理326.3 輔助電源的設計33總 結34致 謝35參考文獻36附錄137directoryabstractiabstractiichapter 1 introduction11.1 wind power grid system background11.2 development in the world31.3 wind power and network approach51.4 direct drive power converter control technology6chapter 2 analysis of wind power generation system62.1 wind power grid system introduction62.2 method of wind power grid72.3 wind grid inverter9chapter 3 hardware structure and principle113.1 control of wind power inverter113.2 grid inverter control techniques123.3 pfo link analysis and control technology123.4 inverter circuit143.5 the working principle of three-phase inverter17chapter 4 control circuit1941 about three-phase pwm generator sa866ae194.1.1 features194.1.2 pin description194.1.3 sa866 control mode214.2 pll control214.2.1 atmeg8 about scm224.2.2 4.2.2 dac max530244.2.3 frequency sampling circuit254.3 through flow visualization264.4 adc0832 introduction26chapter 5 isolated drive and protection unit285.1 high suspended driver ir2113285.2 opto-isolation circuit295.3 over-current detection305.4 overvoltage detection31chapter 6 auxiliary power supply326.1 power supply classification326.2 the basic principle of switching power supply326.3 auxiliary power supply33summary34acknowledgements35references36appendix 137vi第1章 緒 論隨著世界工業(yè)化進程的不斷加快，使得能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為當今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引發(fā)的危機以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要?？梢哉f，對風力發(fā)電的研究和進行這方面的畢業(yè)設計對我們從事風力發(fā)電事業(yè)的同學是有著十分重大的理論和現(xiàn)實意義的，也是十分有必要的。風力發(fā)電起源于20世紀70年代，技術成熟于80年代，自90年代以來風力發(fā)電進入了大發(fā)展階段。隨著風力發(fā)電容量的不斷增大，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距控制和變速控制發(fā)展。前人在風輪機的空氣動力學原理和能量轉換原理的基礎上,系統(tǒng)分析了定槳距風力發(fā)電機組、變槳距風力發(fā)電機組、變速風力發(fā)電機組的基本控制要求和控制策略，并對并網(wǎng)型風力發(fā)電機組的變槳距控制技術進行了一定的研究。變槳距風力發(fā)電機組的主要控制是在起動時對風輪轉速的控制和并網(wǎng)后對輸入功率的控制。通過變距控制可以根據(jù)風速來調整槳葉節(jié)距角，以滿足發(fā)電機起動與系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定的雙重要求。但由于對運行工況的認識不足，對變槳距控制系統(tǒng)的設計不能滿足風力發(fā)電機組正常運行的要求，更達不到優(yōu)化功率曲線和穩(wěn)定功率輸出的要求。1.1 風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究背景隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人類對能源的需求越來越多。而地球不可再生能源，如石油、煤炭等，隨著過量開發(fā)利用也日趨短缺，并造成了較為嚴重的污染。為此，研究和開發(fā)潔凈可再生能源(如太陽能、風能等)已提到議事日程。可以預計:可再生能源大規(guī)模應用將是21世紀人類社會發(fā)展進步的一個重要標志。然而，要實現(xiàn)這一目標，首先必須完成可再生能源由補充能源向替代能源過渡，即使可再生能源由邊遠無電地區(qū)的獨立供電向有電地區(qū)的常規(guī)并網(wǎng)用電方向發(fā)展，這將大大提高可再生能源的利用率?？梢?，能源危機和環(huán)境保護問題困擾世界的同時也給諸多科技領域施加了動力并提供了廣闊的市場。其中電氣工程專業(yè)首當其沖。電力電子技術、自動控制技術和微電子技術等相結合進行技術創(chuàng)新，可以實現(xiàn)對可再生能源向電能的最佳轉換和最優(yōu)控制，以取得可觀的經(jīng)濟和社會效益。風能是最清潔的能源之一，風力發(fā)電是大規(guī)模利用風能最直接最有效的方式。從20世紀70年代中期，第一次石油危機之后開始受到世界各國的重視，由于風力發(fā)電比其他可再生能源(水能除外)利用在經(jīng)濟上更具有競爭優(yōu)勢，因而發(fā)展迅速。在政府對風力發(fā)電研究開發(fā)的大力支持下，許多發(fā)達國家如德國、丹麥、美國和瑞典都開始了大型風力發(fā)電機的研制，風力發(fā)電機也從早期的蓄電池充電方式向并網(wǎng)型發(fā)展。隨著槳葉空氣動力學、材料、發(fā)電機技術、計算機和控制技術的飛速發(fā)展，風力發(fā)電技術的發(fā)展極為迅速，單機容量從最初的數(shù)十千瓦級發(fā)展到最近進入市場的兆瓦級機組;功率控制方式從定槳距失速控制向全槳葉變距和變速控制發(fā)展;運行可靠性從20世紀80年代初的50%，提高到98%以上，并且在風電場運行的風力發(fā)電機組全部可以實現(xiàn)集中控制和遠程控制。風電場發(fā)展空間更加廣闊，從內陸移到海上。風能己成為一種重要的可再生能源。歷經(jīng)近30年的發(fā)展，風力發(fā)電系統(tǒng)的效率已經(jīng)得到顯著提高，其單機功率和風機的葉輪直徑也愈來愈大。目前國外一些大公司如vestas，ge，siemenswind，enercon己開發(fā)出3.6mw6mw的樣機，但從技術成熟等角度而言，2mw等級的風機仍然最具有市場前景。隨著風電技術的進步，風電機組單機功率大幅增加，風電產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，風電成本呈急劇下降的趨勢，開拓了高技術能源領域的新熱點。從1981年到1995年，風電成本由15.8歐分/kwh下降到5.7歐分/kwh，減少了2/3。當前的風電成本約為4歐分/kwh。在過去5年中，風電成本下降約20%。風電成本可以用每千瓦小時的發(fā)電成本和每千瓦的投資成本來衡量。在可預計的將來，風力發(fā)電的成本將會進一步降低，將可以和傳統(tǒng)發(fā)電方式(如水力發(fā)電、火力發(fā)電)進行競爭。風力發(fā)電機組(簡稱風電機)是將風能轉化為電能的設備。風輪是吸收風能并將其轉換成機械能的部件，由槳葉和輪般組成，是風電機最主要的部件。風以一定的速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉力矩而轉動，將風能轉變成機械能，進而通過增速器驅動發(fā)電機進行發(fā)電。風力發(fā)電機組可以分為兩大類，恒速恒頻和變速恒頻。風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，要求風電的頻率保持恒定，為電網(wǎng)頻率。恒速恒頻指在風力發(fā)電中，發(fā)電機轉速不變，從而得到頻率恒定的電能;變速恒頻指發(fā)電機的轉速隨風速變化，通過其他方法得到恒頻電能。目前新安裝的風機均為變速恒頻風電系統(tǒng)，其中的主流機型是直驅多極同步發(fā)電機交流/直流/交流系統(tǒng)和雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)。目前國際上有多種方案實現(xiàn)變速恒頻風力發(fā)電。如交一直一交系統(tǒng)、磁場調制發(fā)電機系統(tǒng)、交流勵磁雙饋發(fā)電機系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電機系統(tǒng)、雙極式發(fā)電機系統(tǒng)等，這些變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有的是發(fā)電機與電力電子裝置相結合實現(xiàn)變速恒頻的，有的是通過改造發(fā)電機本身結構而實現(xiàn)變速恒頻的。這些系統(tǒng)都有自己的特點，可以適用于不同場合。而當今變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展趨勢有以下兩種電機:雙饋電機和永磁同步電機。在雙饋發(fā)電機系統(tǒng)方案中，系統(tǒng)由雙饋發(fā)電機、電機側脈沖整流器、電網(wǎng)側脈沖整流器和微機實時控制系統(tǒng)組成。在發(fā)電機轉子的轉速小于電網(wǎng)同步轉速時，由于風速太小僅靠風能發(fā)出的電能不能滿足要求,因發(fā)電機的電壓和頻率都太低而不能將其傳送到電網(wǎng)上去，此時，由控制電路控制電網(wǎng)側脈沖整流器工作在整流狀態(tài)，將電網(wǎng)的部分電能轉換成直流電，然后再將直流電經(jīng)電機側脈沖整流器變換為交流電，其頻率應保證與轉子頻率之和等于50赫茲，即從電網(wǎng)獲得的電能和風能一并相加并傳送到交流電網(wǎng)，以此實現(xiàn)風能至電能的轉換;在發(fā)電機轉子的轉速大于電網(wǎng)同步轉速時，風能經(jīng)轉子進行電能轉換后，一部分經(jīng)定子傳送到交流電網(wǎng)，另一部分由轉子、電機側脈沖整流器、電網(wǎng)側脈沖整流器傳送到交流電網(wǎng)。雙饋發(fā)電系統(tǒng)由于電機結構限制，仍然存在著高傳輸比的齒輪傳輸機構和滑環(huán)，不可避免機械的維護問題，并且電機系統(tǒng)控制復雜。而在永磁同步電機加上交直交的變流系統(tǒng)中，電機隨風速的變化輸出交變的電壓，首先通過整流器整流成直流，經(jīng)升壓斬波器后得到穩(wěn)定的直流電壓，再通過逆變器變換為頻率恒定的交流電輸入電網(wǎng)。其優(yōu)點是在并網(wǎng)時沒有電流沖擊，對系統(tǒng)幾乎沒有影響;可調節(jié)無功功率;可以做到風力機與發(fā)電機的直接禍合，省去變速箱，減少了維護問題，由此可以提高可靠性，減小系統(tǒng)噪聲，降低維護成本，而且風機可以在低風速狀態(tài)下運行，風能利用率高，因此具有很大發(fā)展前景。本文討論的就是采用變速恒頻技術的交一直一交風力發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的控制技術。1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀世界風力發(fā)電的現(xiàn)狀，目前，中、大型風力發(fā)電機組已在世界上40多個國家陸地和近海并網(wǎng)運行，風電增長率比其它電源增長率高的趨勢仍然繼續(xù)。截止2005年12月31日世界裝機容量已達58982mw，年裝機容量為11,310mw，增長率為24%；風力發(fā)電量占全球電量的1%，部分國家及地區(qū)已達20%甚至更多。2005年世界風電累計裝機容量最多的十個國家，前十名合計51750.9mw，約占世界總裝機容量的87.7%。2005年國際風力發(fā)電市場份額的分布多樣化進程呈持續(xù)發(fā)展趨勢：有11個國家的裝機容量已高于1,000mw，其中7個歐洲國家（德國、西班牙、意大利、丹麥、英國、荷蘭、葡萄牙），3個亞洲國家（印度、中國、日本），還有美國。亞洲正成為發(fā)展全球風力發(fā)電的新生力量，其增長率為48%5。 2002年歐洲風能協(xié)會（ewea）與綠色和平組織（greenpeace international）發(fā)表了一份標題為“風力 12（wind force 12）”的報告，勾畫了風電在2020年達到世界電量12%的藍圖。報告聲明這份文件不是預測，而是從世界風能資源、世界電力需求的增長和電網(wǎng)容量、風力發(fā)電市場發(fā)展趨勢和潛在的增長率、與核電和大水電等其他電源技術發(fā)展歷程的比較以及減排co2等溫室氣體的要求，論證了風電達到世界電量12%的可能性。報告還指出中國2020年風電裝機有可能達到1.7億千瓦。國內風力發(fā)電的現(xiàn)狀，根據(jù)國家氣象科學院的估算，我國陸地地面10米高度層風能的理論可開發(fā)量為32億kw，實際可開發(fā)量為2.53億kw。海上風能可開發(fā)量是陸地風能儲量的3倍。5年中國除臺灣省外新增風電機組592臺，裝機容量50.3萬kw。與2004年當年新增裝機19.8萬kw相比，2005年當年新增裝機增長率為254%。截至2005年底，中國除臺灣省外累計風電機組1864臺，裝機容量126.6萬kw，風電場62個。分布在15個?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)、特別行政區(qū)），它們按裝機容量排序如表3所示。與2004年累計裝機76.4萬kw相比，2005年累計裝機增長率為65.6%。2005年風電上網(wǎng)電量約15.3億kw.h。中國“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“大功率風電機組研制與示范”支持1.52.5mw、2.5mw以上雙饋式變速恒頻風電機組的研制；1.52.5mw、2.5mw以上直驅式變速恒頻風電機組的研制；1.5mw以上風電機組葉片、齒輪箱、雙饋式發(fā)電機、直驅式永磁發(fā)電機的研制及產(chǎn)業(yè)化；1.5mw以上雙饋式風電機組控制系統(tǒng)及變流器、直驅式風電機組控制系統(tǒng)及變流器的研制及產(chǎn)業(yè)化；近海風電場建設關鍵技術的研究；近海風電機組安裝及維護專用設備的研制；大型風電機組相關標準制定及風電技術發(fā)展分析等16個課題的研究10?！笆晃濉蹦?，我國風電技術的自主研發(fā)能力將接近世界前沿水平。1.3 風力發(fā)電的并網(wǎng)方式上世紀八十年代的大型風機通常采用帶有升速齒輪箱的定速型鼠籠式異步發(fā)電機。由于技術簡單、經(jīng)濟性高，獲得了許多國家廣泛的應用，目前我國已建成運行的大型風機絕大多數(shù)屬于這一技術類型。但是定速型鼠籠發(fā)電機的缺點也很明顯。首先，由于這種風力機轉速是恒定的，在不同的風速下難以獲得合適的尖速比，導致截獲風能的效率降低；其次，齒輪箱在風況和環(huán)境變化中承受變荷沖擊、懸殊溫差，維修保養(yǎng)的成本很高，成為風力發(fā)電機組中的軟肋環(huán)節(jié)；另一個缺點是異步感應電機需要從電網(wǎng)吸收滯后的無功勵磁功率，功率因數(shù)低，需要附加額外的無功補償裝置。針對定速型鼠籠發(fā)電機的缺點，變速恒頻風力發(fā)電的技術方案開始采用。實現(xiàn)變速恒頻風力發(fā)電的方法很多16，目前先進的風力發(fā)電典型技術方案，主要是雙饋異步風力發(fā)電機和無齒輪箱永磁同步風力發(fā)電機二種。(1)雙饋異步電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)目前美國ge能源、德國fuhrländer等公司的很多風力發(fā)電機產(chǎn)品，采用變速恒頻雙饋風力發(fā)電的技術方案，由于這種變速恒頻控制方案是在轉子電路實現(xiàn)的，流過轉子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機轉速運行范圍所決定的轉差功率，該轉差功率僅為定子額定功率的小部分，中所示的雙向變頻器的容量僅為發(fā)電機容量的四分之一至三分之一，機組的總價格較低。但是存在齒輪箱，其維護保養(yǎng)費用遠高于無齒輪箱永磁同步風力發(fā)電機。(2)永磁直驅變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)為了省去高故障率的齒輪箱，提高風力發(fā)電機組的可靠性和效率，以德國enercon公司為首的風電機制造商，推出無齒輪箱永磁同步風力發(fā)電機。永磁同步發(fā)電機用永磁體替代普通發(fā)電機的勵磁，省去電刷滑環(huán)，結構簡單可靠，同時也節(jié)約了勵磁功率，提高了發(fā)電機效率。盡管由于直接耦合，永磁發(fā)電機的轉速很低，使發(fā)電機體積大、成本高，但免去了齒輪箱，使其具有了傳統(tǒng)風電機組所不具備的許多優(yōu)勢，整個系統(tǒng)的成本也降低了。而且可根據(jù)風速改變風輪轉速，保持上網(wǎng)頻率不變，提高了風能利用率，還可以實現(xiàn)平穩(wěn)并網(wǎng)。永磁風電機組采用多級同步永磁發(fā)電機與葉輪直接連接進行驅動的方式。隨著風機轉速的變化，永磁風力發(fā)電機所發(fā)出的電頻率也是不斷變化的。所以這類風機的定子必須通過一臺全功率的電能變換器連接到電網(wǎng)15,16。電能變換器將這些頻率不斷變化的電能改變?yōu)楹泐l恒壓的交流電，輸入電網(wǎng)。永磁直驅變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的結構如圖1-1所示。圖1-1 永磁直驅變速恒頻風力發(fā)電 1.4 直驅式電能變換器控制技術雙pwm變換器由于其良好的輸入輸出性能，在直驅風力發(fā)電領域中得到了廣泛應用。而pwm變換器的動態(tài)響應決定了系統(tǒng)的性能好壞。目前pwm變換器的研究熱點較多集中在拓撲結構簡單、動態(tài)相應迅速的電壓型pwm整流器上，為了實現(xiàn)網(wǎng)側功率因數(shù)的控制，必須控制網(wǎng)側電流相位，傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓定向控制通常采用雙閉環(huán)級聯(lián)控制結構：電壓外環(huán)和電流內環(huán)。并且電網(wǎng)電壓定向控制的性能有賴于電流內環(huán)所采用的控制策略，國內外學者根據(jù)多年的研究提出了不同的電流控制策略，主要分為兩類：一類是由j.w.dixon首先提出的“間接電流控制”策略；另一類就是目前占主導地位的“直接電流控制”策略。采用間接電流控制策略，直流電壓調節(jié)器的輸出直接用來調整整流器輸入端的電壓幅值和相位，網(wǎng)側電流的動態(tài)響應慢，且對系統(tǒng)參數(shù)變化比較靈敏。而采用直接電流控制策略，直流電壓調節(jié)器的輸出直接用來控制網(wǎng)側輸入電流的幅值，電流響應快，魯棒性好。網(wǎng)側變換器的主要任務就是為電機側變換器提供恒定的直流母線電壓，因此很多學者對提高網(wǎng)側變換器的抗擾動性能進行了研究5。與采用電流控制策略不同，近年來出現(xiàn)了基于電網(wǎng)電壓定向的直接功率控制，用功率環(huán)代替了電流內環(huán)，以直接調整變換器輸入輸出的功率平衡來實現(xiàn)直流母線的電壓控制，改進了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。第二章 風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)分析2.1 風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的介紹 由于風力發(fā)電存在著風速變化或風速較低的風力發(fā)電機輸出的電能電壓變化較大、幅值較低且頻率變化，所以不能采取直接將發(fā)電機與電網(wǎng)相連接的方法并網(wǎng)。因此必須在風力發(fā)電機的輸出端增加一個電力電子裝置的功率接口，將電壓和頻率均隨機變化的電能變換成電壓、頻率、諧波、相角和功率因數(shù)都符合電網(wǎng)要求的交流電能，再與公用電網(wǎng)連接實現(xiàn)并網(wǎng)。2.2 風力發(fā)電并網(wǎng)的方法自從上世紀以來，學術界已經(jīng)提出了有很多種風能并網(wǎng)方案并且應用在實際的風電場并網(wǎng)建設中?？偟脕碚f，目前風力發(fā)電的并網(wǎng)方式大致可以分為異步發(fā)電機、同步發(fā)電機和雙饋發(fā)電機三種方式。1.異步發(fā)電機并網(wǎng)方法因為風力機為低速運轉的動力機械，在風力機與異步發(fā)電機轉子之間經(jīng)增速齒輪傳動來提高轉速以達到適合異步發(fā)電機運轉的轉速。一般與電網(wǎng)并聯(lián)運行的異步發(fā)電機多選用4極或6極電機，因此異步電機轉速必須超過1500rmin或1000rmin才能運行在發(fā)電狀態(tài)向電網(wǎng)送電。根據(jù)電機理論，異步發(fā)電機并入電網(wǎng)運行時，是靠滑差率來調整負荷的，其輸出的功率與轉速近乎成線性關系。因此對機組的調速要求，不像同步發(fā)電機那樣嚴格精確，不需要同步設備和整步操作，只要轉速接近同步轉速時就可并網(wǎng)。但異步發(fā)電機在并網(wǎng)瞬間會出現(xiàn)較大的沖擊電流(約為異步發(fā)電機額定電流的47倍)，并使電網(wǎng)電壓瞬時下降。隨著風力發(fā)電機組單機容量的不斷增大，這種沖擊電流對發(fā)電機自身部件的安全及對電網(wǎng)的影響也愈加嚴重。過大的沖擊電流，有可能使發(fā)電機與電網(wǎng)連接的主回路中的自動開關斷開；而電網(wǎng)電壓的較大幅度下降，則可能會使低壓保護動作，從而導致異步發(fā)電機根本不能并網(wǎng)。當前在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機并網(wǎng)方法有以下幾種：(1)直接并網(wǎng)這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同，當風力驅動的異步發(fā)電機轉速接近同步轉速時即可自動并入電網(wǎng)；自動并網(wǎng)的信號由測速裝置給出,而后通過自動空氣開關合閘完成并網(wǎng)過程。但如上所述，直接并網(wǎng)時會出現(xiàn)較大的沖擊電流及電網(wǎng)電壓的下降，因此這種并網(wǎng)方法只適合用于異步發(fā)電機容量在百千瓦級以下而電網(wǎng)基于dsp的風能并網(wǎng)逆變器的研究容量較大的情況下。我國最早引進的55kw風力發(fā)電機組和自行研制的50kw風力發(fā)電機組都是采用這種方法并網(wǎng)的。(2)降壓并網(wǎng)這種并網(wǎng)方法是在異步電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以達到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。因為電阻、電抗器等元件要消耗功率，在發(fā)電機并入電網(wǎng)以后，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)時，必須將其迅速切除。這種并網(wǎng)方法適用于百千瓦級以上、容量較大的機組，顯而易見這種并網(wǎng)方法的經(jīng)濟性較差。我國引進的200kw異步發(fā)電機組，就是采用這種并網(wǎng)方式，并網(wǎng)發(fā)電機每相繞組與電網(wǎng)之間皆串接有大功率電阻。(3)通過晶閘管軟并網(wǎng) 這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙向晶閘管連接起來，三相均有晶閘管控制，雙向晶閘管的兩端與并網(wǎng)自動開關的動合觸頭并聯(lián)。接入雙向晶閘管的目的是將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間沖擊電流控制在允許的限度內。其并網(wǎng)的過程如下：當風力發(fā)電機組接收到由控制系統(tǒng)內微處理器發(fā)出的啟動命令后，先檢查發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序是否一致，若相序正確，則發(fā)出松閘命令，風力發(fā)電機組開始啟動。當發(fā)電機轉速接近同步轉速時(約為99100同步轉速)，雙向晶閘管的控制腳同時由180度到0度逐漸同步打開；與此同時，雙向晶閘管的導通角則同時由0度到180度逐漸增大，此時并網(wǎng)自動開關未動作，動合觸頭未閉合，異步發(fā)電機即通過晶閘管平穩(wěn)的并入電網(wǎng)；隨著發(fā)電機轉速繼續(xù)升高，電機的滑差率漸趨于零。當滑差率為零時，并網(wǎng)自動開關動作，動合觸頭閉合，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機的輸出電流將不再經(jīng)雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動開關觸頭流入電網(wǎng)。在發(fā)電機并網(wǎng)后，應立即在發(fā)電機端并入補償電容，將發(fā)電機的功率因數(shù)提高到0.95以上該種軟并網(wǎng)方法的特點是通過控制晶閘管的導通角，將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的沖擊電流值限制在規(guī)定的范圍內(一般為1.5倍額定電流以下)，從而得到一個平滑的并網(wǎng)瞬態(tài)過程。在所示的軟并網(wǎng)線路中，在雙向晶閘管兩端并接有旁路并網(wǎng)自動開關，并在零轉差率時實現(xiàn)自動切換，在并網(wǎng)瞬態(tài)過程完畢后，即將雙向晶閘管短接。與此種軟并網(wǎng)連接方式相對應的另一種軟并網(wǎng)連接方式是在異步發(fā)電機與電網(wǎng)之間通過雙向晶閘管直接連接，在晶閘管兩端沒有并接旁路并網(wǎng)自動開關，雙向晶閘管既在并網(wǎng)過程中起到控制沖擊電流的作用，同時又作為無觸頭自動開關，在并網(wǎng)后繼續(xù)存在于主回路中，這種軟并網(wǎng)方連接方式可以省去一個并網(wǎng)自動開關，因而控制回路較為簡單，而且避免了有觸頭自動開關觸頭彈跳、沾著及磨損等現(xiàn)象，可以保證較高的開關頻率。但這種連接方式需選用電流允許值大的高反壓雙向晶閘管，這是因為雙向晶閘管中通過的電流需滿足大連理工大學碩士研究生學位論文能通過異步發(fā)電機的額定電流值，而具有旁路并網(wǎng)自動開關的軟并網(wǎng)連接方式中的高反壓雙向晶閘管只要能通過較發(fā)電機空載電流略高的電流就可以滿足要求。這種軟并網(wǎng)連接方式的并網(wǎng)過程與上述具有并網(wǎng)自動開關的軟并網(wǎng)連接方式的并網(wǎng)過程類似，在雙向晶閘管開始導通階段，異步電機作為電動機運行，但隨著異步發(fā)電機轉速的升高，滑差率漸漸接近與零，當滑差率為零時，雙向晶閘管已全部導通，并網(wǎng)過程結束。晶閘管軟并網(wǎng)技術對晶閘管器件及與之相關的晶閘管觸發(fā)電路提出了嚴格的要求，即晶閘管器件的特性要求一致、穩(wěn)定以及觸發(fā)電路可靠，只有發(fā)電機主回路中的每相的雙向晶閘管特性一致，控制極觸發(fā)電壓，觸發(fā)電流一致，全開通壓降相同，才能保證可控硅導通角在0度1踟度范圍內同步逐漸增大，才能保證發(fā)電機三相電流平衡。目前在晶閘管軟并網(wǎng)方法中，根據(jù)晶閘管的通斷狀況，觸發(fā)電路有移相觸發(fā)和過零觸發(fā)兩種方式。移相觸發(fā)會造成電機每相電流為正負半波對稱的非正弦波(缺角正弦波)含有較多的奇次諧波分量，這些諧波會對電網(wǎng)造成污染公害，必須加以限制和消除。過零觸發(fā)是在設定的周期內，逐步改變晶閘管的導通周波數(shù)。最后達到全部導通，使發(fā)電機平穩(wěn)并入電網(wǎng)，因而不產(chǎn)生諧波干擾。通過晶閘管軟并網(wǎng)法將風力驅動的異步發(fā)電機并入電網(wǎng)是目前國內外中型及大型號風力發(fā)電機組中普遍采用的。中國引進和自行開發(fā)研制的250、300、600kw的并網(wǎng)型異步風力發(fā)電機組，都是采用這種并網(wǎng)技術。2.同步發(fā)電機并網(wǎng)方法整個并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由同步發(fā)電機、并網(wǎng)裝置組成三相同步發(fā)電機輸出的交流電流采用不可控整流器整流為直流以后，經(jīng)過直流濾波環(huán)節(jié)，送入到daac逆變器的輸入端，逆變?yōu)殡妷骸㈩l率、相角、功率因數(shù)和諧波都符合電網(wǎng)要求的電能，再經(jīng)過交流濾波環(huán)節(jié)后并入電網(wǎng)。3.雙饋發(fā)電機并網(wǎng)方法整個并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由雙饋發(fā)電機、雙脈沖整流器組成。這種并網(wǎng)方案的特點是在發(fā)電機側和電網(wǎng)側分別加入脈沖整流器，在低風速的情況下，發(fā)電機輸出的交流電壓經(jīng)過電機側脈沖整流器升壓后，可以滿足電網(wǎng)側脈沖整流器的正常工作。2.3 風能并網(wǎng)逆變器風能并網(wǎng)采用目前應用較多的直驅式永磁交流同步發(fā)電機，設計并網(wǎng)逆變器作為發(fā)電機與電網(wǎng)之間的電能轉換接口。要求該并網(wǎng)逆變器具有各種保護和運行控制功能，具有完善的運行參數(shù)顯示，可以實現(xiàn)由風能產(chǎn)生的電能的高效率的并網(wǎng)。圖2-1 風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)由直驅式風力發(fā)電機、卸荷器、boost升壓電路、并網(wǎng)逆變器等設備組成。當風機達到切入風速的時候，風力發(fā)電機發(fā)出的交流電能經(jīng)過整流、調壓、逆變后饋入電網(wǎng)。當風速太大的時候，使得風機超載運行時，卸荷部分接入，保證恒功率運行并網(wǎng)逆變器主電路采用dcac逆變器的拓撲結構。pfc校正部分由三相不可控整流和dcdc直流升壓斬波環(huán)節(jié)兩部分組成它與前面所述的方案的最大不同之處就是加入了直流斬波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)中采用直驅式永磁同步發(fā)電機將風能轉化為電能，經(jīng)三相不可控整流橋整為直流后，送入到直流變換電路中。直流變換電路的主要作用是調節(jié)直流輸出電壓，滿足逆變電路的工作要求和完成功率因數(shù)校正，提高并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)并抑制諧波。調節(jié)后的直流輸出電能逆變?yōu)榉喜⒕W(wǎng)要求的交流電能后通過濾波器濾波再并入到公用電網(wǎng)。采用這樣的主電路結構就能很好的解決低風速時的風力發(fā)電機的并網(wǎng)問題。當風速較低的時候。風機轉動較慢，由于風機與發(fā)電機是直接耦合的，中間沒有采用增速齒輪箱，因此發(fā)電機輸出的電壓比較低，在中間加入直流升壓環(huán)節(jié)后，整流后得到的低的直流電壓通過直流升壓就可以在系統(tǒng)的直流側獲得較高的直流電壓，滿足逆變電路的正常工作，使得系統(tǒng)可以在風速較低時也能將電能送入電網(wǎng)。同時直流斬波電路還可以完成功率因數(shù)校正功能，提高并網(wǎng)逆變裝置的功率因數(shù)并抑制高次諧波。37第三章 硬件結構及原理3.1 風能逆變器控制分析采用目前應用較多的直驅式永磁交流同步發(fā)電機，設計并網(wǎng)逆變器作為發(fā)電機與電網(wǎng)之間的電能轉換接口。本課題研究對象是智能化、高性能具有并網(wǎng)功能的風力發(fā)電逆變裝置，要求該并網(wǎng)逆變器具有各種保護和運行控制功能，可以實現(xiàn)由風能產(chǎn)生的電能的高效率的并網(wǎng)。圖3-1 風力發(fā)電并網(wǎng)主電路如圖3-1所示，風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)由直驅式風力發(fā)電機、卸荷器、并網(wǎng)逆變器等設備組成。當風機達到切入風速的時候，風力發(fā)電機發(fā)出的交流電能經(jīng)過整流、調壓、逆變后饋入電網(wǎng)。當風速太大的時候，使得風機超載運行時，卸荷部分接入，保證恒功率運行并網(wǎng)逆變器主電路采用pfc校正部分+dcac逆變器的拓撲結構。pfc校正部分由三相不可控整流和dcdc直流升壓斬波環(huán)節(jié)兩部分組成它與前面所述的方案的最大不同之處就是加入了直流斬波環(huán)節(jié)。如圖3-2所示為并網(wǎng)逆變器主電路框圖：圖3-2 并網(wǎng)逆變器主電路結構系統(tǒng)中采用直驅式永磁同步發(fā)電機將風能轉化為電能，經(jīng)三相不可控整流橋整流為直流后，送入到直流變換電路中。直流變換電路的主要作用是調節(jié)直流輸出電壓，滿足逆變電路的工作要求和完成功率因數(shù)校正，提高并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)并抑制諧波。調節(jié)后的直流輸出電能逆變?yōu)榉喜⒕W(wǎng)要求的交流電能后通過濾波器濾波再并入到公用電網(wǎng)。采用這樣的主電路結構就能很好的解決低風速時的風力發(fā)電機的并網(wǎng)問題。當風速較低的時候。風機轉動較慢，由于風機與發(fā)電機是直接耦合的，中間沒有采用增速齒輪箱，因此發(fā)電機輸出的電壓比較低，在中間加入直流升壓環(huán)節(jié)后，整流后得到的低的直流電壓通過直流升壓就可以在系統(tǒng)的直流側獲得較高的直流電壓，滿足逆變電路的正常工作，使得系統(tǒng)可以在風速較低時也能將電能送入電網(wǎng)。同時直流斬波電路還可以完成功率因數(shù)校正功能，提高并網(wǎng)逆變裝置的功率因數(shù)并抑制高次諧波。3.2 并網(wǎng)逆變器控制技術分析 在風力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是其能否成功并網(wǎng)的關鍵所在，并網(wǎng)逆變裝置的主電路結構及其控制技術的選擇決定了并網(wǎng)逆變器的性能。并網(wǎng)逆變器主電路分為pfc功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)和dcac逆變環(huán)節(jié)兩部分。逆變控制策略上采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式，即采用電壓型并網(wǎng)的輸出電流控制，使逆變器能夠輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦交流電流。3.3 pfo環(huán)節(jié)及其控制技術分析 功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)包含不可控整流電路和boost升壓電路兩部分。允許風力發(fā)電機輸出的電能電壓在40150v之間，經(jīng)整流橋整流為直流后，送入到dc/dc升壓電路中。dc/dc直流電路的主要作用是調節(jié)直流輸出電壓，滿足后級逆變電路的工作要求和完成功率因數(shù)校正功能，提高并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)并抑制諧波。調節(jié)后的直流輸出電能，電壓幅值在400v左右。因風力發(fā)電機的輸出為三相交流電，額定輸出功率為2kw，并且輸出電壓較低，所以整流電路采用三相橋式不可控整流電路，如圖3-3所示,這種電路的特點是不用中線、輸出電壓高、輸出紋波小、輸入諧波小。圖3-3 三相橋式不可控整流電路圖在不考慮交流側和負載側的電感影響，認為換相是瞬時完成的理想情況下，分析該整流電路。各二極管均在自然換相點處換相，自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。輸出整流電壓蜥波形為線電壓在正半周期的包絡線。不管是在阻性負載，還是在阻感性負載下，整流輸出電壓均連續(xù)，其平均值為： (3-1)其中為輸入相電壓，為輸入線電壓。輸出電流平均值為： (3-2)其中r為負載電阻值。該整流電路具有如下的特點:(1)在每個時刻均需2個二極管同時導通，形成向負載供電的回路，其中一個二極管是共陰極組的，一個是共陽極組的，且不能為同一相的二極管。(2)整流輸出電壓一周期脈動6次。每次脈動的波形都一樣。(3)二極管所承受的最大反向電壓為輸入線電壓峰值，即 (3-3)在不考慮二極管導通的條件下，所承受的最大正向電壓也為輸入線電壓峰值，即 (3-4) 風力發(fā)電機輸出的電壓較低，經(jīng)過整流環(huán)節(jié)后，輸出的直流電壓值不能滿足后級逆變電路并網(wǎng)的要求，因此我們在這里采用boost升壓斬波電路進行直流電壓調節(jié)，對直流電壓進行升壓，以滿足逆變并網(wǎng)的工作要求，更好的利用低風速時候的風能。此外采用boost電路可實現(xiàn)功率因數(shù)校正(pfc)功能(功率因數(shù)可以達到0.950.99)。boost電路結構簡單，實現(xiàn)成本低，是目前應用最廣泛的功率因數(shù)校正電路。主電路由電感、開關管和濾波電容組成。其輸入側有儲能電感可以減小輸入電流紋波，防止對后級電路的高頻瞬態(tài)沖擊；其輸出側有濾波電容可以減小輸出電壓紋波，對負載呈現(xiàn)電壓源特性。圖3-4 boost直流電路結構 分析該升壓斬波電路的工作原理，如圖3-4所示，首先假設電感l(wèi)值和電容c值很大。當開關管vt處于通態(tài)的時候，電源向電感l(wèi)充電，同時電容c上的電壓向負載供電。當vt處于斷態(tài)的時候電源和電感共同向電容c充電并向負載提供能量。該升壓斬波電路之所能夠使輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：一是l儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容c可以將輸出電壓保持住。3.4 逆變電路的設計 逆變電路中，我們選用的是三相全橋逆變電路，如果用作單相逆變器時，不驅動其中一個橋臂即可。 在逆變器中，我們選擇的開關器件為igbt。絕緣柵雙極型晶體管igbt是mosfet和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為mosfet，輸出極為pnp晶體管，因此，可以把其看作是mos輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件容量大的優(yōu)點，既具有mosfet器件驅動簡單和快速的優(yōu)點，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點，因而，在現(xiàn)代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。igbt的等效電路如圖3-5所示，若在igbt的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電壓，則m0sfet導通，這樣pnp晶體管的集電極與基極之間阻狀態(tài)而使得晶體管導通；若igbt的柵極和發(fā)射極之間電壓為0v，則mosfet截止，切斷pnp晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。圖3-5 igbt等效電路 igbt作為一種大功率的復合器件，存在著過流時可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問題，在過流時如果采用一般的速度封鎖柵極電壓會困過高的電流變換率引起過電壓，從而需要關斷等特殊要求，因而掌握好igbt的驅動和保護特性是使用好它的關鍵。只有在充分利用和滿足其特點、要求的情況下，才能使igbt，展現(xiàn)出優(yōu)點并獲得較高的可靠性。 柵極驅動電壓的上升、下降速率對igbt的開通及關斷過程有較大的影響。igbt的mos溝道受柵極驅動電壓的直接控制，而mosfet部分的漏極電流又著雙極部分的基極電流，使得igbt的開通特性主要決定于它的mosfet部分，所以igbt得開通受柵極驅動波形的影響較大。 igbt的關斷特性主要取決于內部少數(shù)載流子的復合速率，少數(shù)載流子的復合受mosfet部分的關斷影響，使得柵極驅動對igbt的關斷也有一定的影響。柵極驅動回路的阻抗延長米勒效應時間，使集電極電流的下降延遲。柵極驅動電路的阻抗，包括柵極驅動電路的內阻抗和柵極串聯(lián)電阻兩個部分。它們影響著驅動波形的上升、下降速率。在高頻應用時，驅動電壓的上升、下降速率應快一些，以提高igbi的開通過程中度并降低開關損耗。在運行頻率較低時。開關損耗所占比例較小，驅動電壓上升、下降速率可減慢些。在正常狀態(tài)下igbt開通越快，開通損耗也越小。但在開通過程中如存在續(xù)流二極管的反向恢復電流和吸收電容器的放電電流，則開通越快igbt承受的峰值電流也就越大，甚至急劇地上升導致igbt或續(xù)流二極管損壞。此時應有目的降低柵極驅動脈沖的上升速率，即增加柵極串聯(lián)電阻的阻值，控制該電流的峰值。其代價是要付出較大的開通損耗。利用此技術，開通過程中的峰值電流可以通過改變柵極串聯(lián)電阻控制在任意的值。由以上分析可見，柵極串聯(lián)電阻對igbt的開通過程影響較大。柵極串聯(lián)電阻的阻值應根據(jù)電路和系統(tǒng)的情況折中考慮，選擇合適的值。柵極串聯(lián)電阻和驅動電路內阻抗對igbt關斷過程的影響對于開通來說要小一些。柵極串聯(lián)電阻小有利于加快關斷速度和減小關斷損耗，也有利于避免關斷時集電極電壓的du/dt造成igbt誤開通。但柵極串聯(lián)電阻過小會由于集電極電流下降的di/dt過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰，因此對于igbt關斷過程中的柵極串聯(lián)電阻的組織也需折中考慮。柵極串聯(lián)電阻對于驅動脈沖的波形也有較大的影響，電阻值過小時會造成驅動脈沖振蕩，過大時驅動波形的前后沿會發(fā)生延遲和變緩。igbt的輸入電容隨著其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅動脈沖前后沿速率,對于電流容量較大的igbt元件，應提供較大前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應隨著igbt電流容量的增加而減小。igbt的柵極串聯(lián)電阻通常采用表3-1表3-1 柵極電阻推薦值 所推薦的值，如工作頻率較低也可采用前一擋電阻值加大的電阻。igbt關斷時由于回路中原來流通電流的電感儲存的磁場能量需轉換為電能量，使得回路的電壓升高，產(chǎn)生過壓。過電壓的值由下式得出： (3-5)式中一一過電壓的值(v)一一電壓的峰值(v)一一電源電壓(v)一一回路的雜散電感(tt)一一回路關斷前的電流(a)一一吸收電容器的電容量(f)式(3-5)中的、由電路的運行條件決定，故影響電壓的主要因素是回路的雜散電感l(wèi)。當回路的雜散電感l(wèi)較大時，為了抑制過電壓只有增加吸收電容器的電容量這個辦法。增加吸收電容器的電容量會導致吸收回路的損耗加大，效率降低，故盡量減小回路雜散電感是抑制換相過電壓的最佳方法。我們在實際操作中選用的是rc吸收器，這種吸收器比較簡單，但缺點是電阻的損耗較大的開關損耗。其工作軌跡接近安全工作區(qū)的邊沿，使igbt產(chǎn)生較大的開關損耗，由于本系統(tǒng)較小，頻率也不是很高，所以可以滿足系統(tǒng)要求。r值通常取530q，r值過大吸收效果會變差，過小會產(chǎn)生較大的放電電流對igbt開通不利。電阻r的功率為 (3-6)由式(3-6)可見，隨著工作頻率的增加，電阻的功率與f成正比。3.5 三相逆變器的工作原理三相交流負載需要三相逆變器，三相逆變器有兩種電路結構，其一為由三個單相逆變器組成一個三相逆變器，每個單相逆變器可以是半橋式、也可以是全橋式電路。采用這種結構的三相逆變電路所用元器件比較多，適用于高壓大容量的逆變器。通常使用更多的是如圖3-6所示的三相橋式逆變電路。當t1導通時，節(jié)點a接于直流電源正端，vao=vd2；當t4導通時，節(jié)點a接于直流電源負端，vao=-vd2。同理，b和c點也是根據(jù)上下管導通情況決定其電位的。按圖2-6中依序標號的開關器件其驅動信號彼此間相差60。若每個開關管的驅動信號持續(xù)180。，則任何時刻都有三個開關管導通，并按1、2、3，2、3、4，3、4、5，4、5、6，5、6、1，6、1、2的順序導通。從而得到輸出的線電壓為：vab=vao-vbo；vbc=vbo-vco；vca=vco-vao；其基波分量彼此之間相差120。圖3-6 三相逆變器主電路 但這種逆變器每個開關器件在一個開關周期中僅通、斷狀態(tài)轉換一次，輸出線電壓每半周中僅一個脈波電壓(120方波)，相電壓為階梯波，逆變器輸出電壓中的基波僅取決于直流電壓vo的大小而不能調節(jié)控制，最低諧波階次為5，且諧波含量大。對于三相逆變器也可以采用spwm控制方式。在輸出電壓的每一個