设计风力发电并网系统

摘 要风能作为一种清洁的可再生能源，在当今能源短缺的情况下，变的越来越重要。由于风的不稳定性和风力发电机单机容量的不断增大，使风力发电系统和电网的相互影响也越来越复杂，因此，对风力发电系统功率输出的稳定性提出了更高的要求。控制系统对提高风力发电系统功率输出的稳定性有很大的作用，所以有必要对控制系统和控制过程进行分析。本文设计的是风力发电并网系统，采用IGBT作为主功率器件，以专用集成芯片SA866为控制核心，充分利用其外围电路简单、具有多种波形选择、无需其它处理器配合的特点，同时采用IR2113构成IGBT的驱动电路，并且采用了数字电路单片机，来做锁相环控制SA866输出的SPWM波频率稳定，使逆变电路输出的电压与电网同频同相，达到并网的目的。关键词 风力发电 并网逆变 锁相环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 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 风力发电并网系统的研究背景11.2 国内外发展现状31.3 风力发电的并网方式51.4 直驱式电能变换器控制技术6第二章 风力发电系统并网分析62.1 风力发电并网系统的介绍62.2 风力发电并网的方法72.3 风能并网逆变器9第三章 硬件结构及原理113.1 风能逆变器控制分析113.2 并网逆变器控制技术分析123.3 PFO环节及其控制技术分析123.4 逆变电路的设计143.5 三相逆变器的工作原理17第4章 控制电路的实现194.1 三相PWM发生器SA866AE简介194.1.1 功能特点194.1.2 管脚说明194.1.3 SA866的控制方式214.2 锁相环控制214.2.1 ATMEG8单片机的简介224.2.2 数模转换器 MAX530244.2.3 频率采样电路254.3过流显示264.4 ADC0832模数转换器的介绍26第5章 隔离驱动和保护单元285.1 高压悬浮驱动器IR2113285.2 光耦隔离电路295.3 过流检测305.4 过压检测31第六章 辅助电源的设计326.1 电源的分类326.2 开关电源的基本工作原理326.3 辅助电源的设计33总 结34致 谢35参考文献36附录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 绪 论随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。风力发电起源于20世纪70年代，技术成熟于80年代，自90年代以来风力发电进入了大发展阶段。随着风力发电容量的不断增大，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距控制和变速控制发展。前人在风轮机的空气动力学原理和能量转换原理的基础上,系统分析了定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组、变速风力发电机组的基本控制要求和控制策略，并对并网型风力发电机组的变桨距控制技术进行了一定的研究。变桨距风力发电机组的主要控制是在起动时对风轮转速的控制和并网后对输入功率的控制。通过变距控制可以根据风速来调整桨叶节距角，以满足发电机起动与系统输出功率稳定的双重要求。但由于对运行工况的认识不足，对变桨距控制系统的设计不能满足风力发电机组正常运行的要求，更达不到优化功率曲线和稳定功率输出的要求。1.1 风力发电并网系统的研究背景随着全球经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越多。而地球不可再生能源，如石油、煤炭等，随着过量开发利用也日趋短缺，并造成了较为严重的污染。为此，研究和开发洁净可再生能源(如太阳能、风能等)已提到议事日程。可以预计:可再生能源大规模应用将是21世纪人类社会发展进步的一个重要标志。然而，要实现这一目标，首先必须完成可再生能源由补充能源向替代能源过渡，即使可再生能源由边远无电地区的独立供电向有电地区的常规并网用电方向发展，这将大大提高可再生能源的利用率。可见，能源危机和环境保护问题困扰世界的同时也给诸多科技领域施加了动力并提供了广阔的市场。其中电气工程专业首当其冲。电力电子技术、自动控制技术和微电子技术等相结合进行技术创新，可以实现对可再生能源向电能的最佳转换和最优控制，以取得可观的经济和社会效益。风能是最清洁的能源之一，风力发电是大规模利用风能最直接最有效的方式。从20世纪70年代中期，第一次石油危机之后开始受到世界各国的重视，由于风力发电比其他可再生能源(水能除外)利用在经济上更具有竞争优势，因而发展迅速。在政府对风力发电研究开发的大力支持下，许多发达国家如德国、丹麦、美国和瑞典都开始了大型风力发电机的研制，风力发电机也从早期的蓄电池充电方式向并网型发展。随着桨叶空气动力学、材料、发电机技术、计算机和控制技术的飞速发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦级机组;功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展;运行可靠性从20世纪80年代初的50%，提高到98%以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。风电场发展空间更加广阔，从内陆移到海上。风能己成为一种重要的可再生能源。历经近30年的发展，风力发电系统的效率已经得到显著提高，其单机功率和风机的叶轮直径也愈来愈大。目前国外一些大公司如Vestas，GE，SiemensWind，Enercon己开发出3.6Mw6Mw的样机，但从技术成熟等角度而言，2MW等级的风机仍然最具有市场前景。随着风电技术的进步，风电机组单机功率大幅增加，风电产业规模化发展，风电成本呈急剧下降的趋势，开拓了高技术能源领域的新热点。从1981年到1995年，风电成本由15.8欧分/kWh下降到5.7欧分/kWh，减少了2/3。当前的风电成本约为4欧分/kWh。在过去5年中，风电成本下降约20%。风电成本可以用每千瓦小时的发电成本和每千瓦的投资成本来衡量。在可预计的将来，风力发电的成本将会进一步降低，将可以和传统发电方式(如水力发电、火力发电)进行竞争。风力发电机组(简称风电机)是将风能转化为电能的设备。风轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件，由桨叶和轮般组成，是风电机最主要的部件。风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能，进而通过增速器驱动发电机进行发电。风力发电机组可以分为两大类，恒速恒频和变速恒频。风力发电机与电网并联运行时，要求风电的频率保持恒定，为电网频率。恒速恒频指在风力发电中，发电机转速不变，从而得到频率恒定的电能;变速恒频指发电机的转速随风速变化，通过其他方法得到恒频电能。目前新安装的风机均为变速恒频风电系统，其中的主流机型是直驱多极同步发电机交流/直流/交流系统和双馈风力发电机系统。目前国际上有多种方案实现变速恒频风力发电。如交一直一交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、双极式发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点，可以适用于不同场合。而当今变速恒频风力发电系统发展趋势有以下两种电机:双馈电机和永磁同步电机。在双馈发电机系统方案中，系统由双馈发电机、电机侧脉冲整流器、电网侧脉冲整流器和微机实时控制系统组成。在发电机转子的转速小于电网同步转速时，由于风速太小仅靠风能发出的电能不能满足要求,因发电机的电压和频率都太低而不能将其传送到电网上去，此时，由控制电路控制电网侧脉冲整流器工作在整流状态，将电网的部分电能转换成直流电，然后再将直流电经电机侧脉冲整流器变换为交流电，其频率应保证与转子频率之和等于50赫兹，即从电网获得的电能和风能一并相加并传送到交流电网，以此实现风能至电能的转换;在发电机转子的转速大于电网同步转速时，风能经转子进行电能转换后，一部分经定子传送到交流电网，另一部分由转子、电机侧脉冲整流器、电网侧脉冲整流器传送到交流电网。双馈发电系统由于电机结构限制，仍然存在着高传输比的齿轮传输机构和滑环，不可避免机械的维护问题，并且电机系统控制复杂。而在永磁同步电机加上交直交的变流系统中，电机随风速的变化输出交变的电压，首先通过整流器整流成直流，经升压斩波器后得到稳定的直流电压，再通过逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网。其优点是在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响;可调节无功功率;可以做到风力机与发电机的直接祸合，省去变速箱，减少了维护问题，由此可以提高可靠性，减小系统噪声，降低维护成本，而且风机可以在低风速状态下运行，风能利用率高，因此具有很大发展前景。本文讨论的就是采用变速恒频技术的交一直一交风力发电系统中并网逆变器的控制技术。1.2 国内外发展现状世界风力发电的现状，目前，中、大型风力发电机组已在世界上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。截止2005年12月31日世界装机容量已达58982MW，年装机容量为11,310MW，增长率为24%；风力发电量占全球电量的1%，部分国家及地区已达20%甚至更多。2005年世界风电累计装机容量最多的十个国家，前十名合计51750.9MW，约占世界总装机容量的87.7%。2005年国际风力发电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势：有11个国家的装机容量已高于1,000MW，其中7个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），3个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全球风力发电的新生力量，其增长率为48%5。 2002年欧洲风能协会（EWEA）与绿色和平组织（Greenpeace International）发表了一份标题为“风力 12（Wind Force 12）”的报告，勾画了风电在2020年达到世界电量12%的蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风力发电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水电等其他电源技术发展历程的比较以及减排CO2等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量12%的可能性。报告还指出中国2020年风电装机有可能达到1.7亿千瓦。国内风力发电的现状，根据国家气象科学院的估算，我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿kW，实际可开发量为2.53亿kW。海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。5年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW。与2004年当年新增装机19.8万kW相比，2005年当年新增装机增长率为254%。截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。分布在15个省（市、自治区、特别行政区），它们按装机容量排序如表3所示。与2004年累计装机76.4万kW相比，2005年累计装机增长率为65.6%。2005年风电上网电量约15.3亿kW.h。中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1.52.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1.52.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化；1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究10。“十一五”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。1.3 风力发电的并网方式上世纪八十年代的大型风机通常采用带有升速齿轮箱的定速型鼠笼式异步发电机。由于技术简单、经济性高，获得了许多国家广泛的应用，目前我国已建成运行的大型风机绝大多数属于这一技术类型。但是定速型鼠笼发电机的缺点也很明显。首先，由于这种风力机转速是恒定的，在不同的风速下难以获得合适的尖速比，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，维修保养的成本很高，成为风力发电机组中的软肋环节；另一个缺点是异步感应电机需要从电网吸收滞后的无功励磁功率，功率因数低，需要附加额外的无功补偿装置。针对定速型鼠笼发电机的缺点，变速恒频风力发电的技术方案开始采用。实现变速恒频风力发电的方法很多16，目前先进的风力发电典型技术方案，主要是双馈异步风力发电机和无齿轮箱永磁同步风力发电机二种。(1)双馈异步电机变速恒频风力发电系统目前美国GE能源、德国Fuhrländer等公司的很多风力发电机产品，采用变速恒频双馈风力发电的技术方案，由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的小部分，中所示的双向变频器的容量仅为发电机容量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永磁同步风力发电机。(2)永磁直驱变速恒频风力发电系统为了省去高故障率的齿轮箱，提高风力发电机组的可靠性和效率，以德国Enercon公司为首的风电机制造商，推出无齿轮箱永磁同步风力发电机。永磁同步发电机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。尽管由于直接耦合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积大、成本高，但免去了齿轮箱，使其具有了传统风电机组所不具备的许多优势，整个系统的成本也降低了。而且可根据风速改变风轮转速，保持上网频率不变，提高了风能利用率，还可以实现平稳并网。永磁风电机组采用多级同步永磁发电机与叶轮直接连接进行驱动的方式。随着风机转速的变化，永磁风力发电机所发出的电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电能变换器连接到电网15,16。电能变换器将这些频率不断变化的电能改变为恒频恒压的交流电，输入电网。永磁直驱变速恒频风力发电系统的结构如图1-1所示。图1-1 永磁直驱变速恒频风力发电 1.4 直驱式电能变换器控制技术双PWM变换器由于其良好的输入输出性能，在直驱风力发电领域中得到了广泛应用。而PWM变换器的动态响应决定了系统的性能好坏。目前PWM变换器的研究热点较多集中在拓扑结构简单、动态相应迅速的电压型PWM整流器上，为了实现网侧功率因数的控制，必须控制网侧电流相位，传统的电网电压定向控制通常采用双闭环级联控制结构：电压外环和电流内环。并且电网电压定向控制的性能有赖于电流内环所采用的控制策略，国内外学者根据多年的研究提出了不同的电流控制策略，主要分为两类：一类是由J.W.Dixon首先提出的“间接电流控制”策略；另一类就是目前占主导地位的“直接电流控制”策略。采用间接电流控制策略，直流电压调节器的输出直接用来调整整流器输入端的电压幅值和相位，网侧电流的动态响应慢，且对系统参数变化比较灵敏。而采用直接电流控制策略，直流电压调节器的输出直接用来控制网侧输入电流的幅值，电流响应快，鲁棒性好。网侧变换器的主要任务就是为电机侧变换器提供恒定的直流母线电压，因此很多学者对提高网侧变换器的抗扰动性能进行了研究5。与采用电流控制策略不同，近年来出现了基于电网电压定向的直接功率控制，用功率环代替了电流内环，以直接调整变换器输入输出的功率平衡来实现直流母线的电压控制，改进了系统的动静态性能。第二章 风力发电系统并网分析2.1 风力发电并网系统的介绍 由于风力发电存在着风速变化或风速较低的风力发电机输出的电能电压变化较大、幅值较低且频率变化，所以不能采取直接将发电机与电网相连接的方法并网。因此必须在风力发电机的输出端增加一个电力电子装置的功率接口，将电压和频率均随机变化的电能变换成电压、频率、谐波、相角和功率因数都符合电网要求的交流电能，再与公用电网连接实现并网。2.2 风力发电并网的方法自从上世纪以来，学术界已经提出了有很多种风能并网方案并且应用在实际的风电场并网建设中。总得来说，目前风力发电的并网方式大致可以分为异步发电机、同步发电机和双馈发电机三种方式。1.异步发电机并网方法因为风力机为低速运转的动力机械，在风力机与异步发电机转子之间经增速齿轮传动来提高转速以达到适合异步发电机运转的转速。一般与电网并联运行的异步发电机多选用4极或6极电机，因此异步电机转速必须超过1500rmin或1000rmin才能运行在发电状态向电网送电。根据电机理论，异步发电机并入电网运行时，是靠滑差率来调整负荷的，其输出的功率与转速近乎成线性关系。因此对机组的调速要求，不像同步发电机那样严格精确，不需要同步设备和整步操作，只要转速接近同步转速时就可并网。但异步发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流(约为异步发电机额定电流的47倍)，并使电网电压瞬时下降。随着风力发电机组单机容量的不断增大，这种冲击电流对发电机自身部件的安全及对电网的影响也愈加严重。过大的冲击电流，有可能使发电机与电网连接的主回路中的自动开关断开；而电网电压的较大幅度下降，则可能会使低压保护动作，从而导致异步发电机根本不能并网。当前在风力发电系统中采用的异步发电机并网方法有以下几种：(1)直接并网这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力驱动的异步发电机转速接近同步转速时即可自动并入电网；自动并网的信号由测速装置给出,而后通过自动空气开关合闸完成并网过程。但如上所述，直接并网时会出现较大的冲击电流及电网电压的下降，因此这种并网方法只适合用于异步发电机容量在百千瓦级以下而电网基于DSP的风能并网逆变器的研究容量较大的情况下。我国最早引进的55KW风力发电机组和自行研制的50Kw风力发电机组都是采用这种方法并网的。(2)降压并网这种并网方法是在异步电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。因为电阻、电抗器等元件要消耗功率，在发电机并入电网以后，进入稳定运行状态时，必须将其迅速切除。这种并网方法适用于百千瓦级以上、容量较大的机组，显而易见这种并网方法的经济性较差。我国引进的200KW异步发电机组，就是采用这种并网方式，并网发电机每相绕组与电网之间皆串接有大功率电阻。(3)通过晶闸管软并网 这种并网方法是在异步发电机定子与电网之间通过每相串入一只双向晶闸管连接起来，三相均有晶闸管控制，双向晶闸管的两端与并网自动开关的动合触头并联。接入双向晶闸管的目的是将发电机并网瞬间冲击电流控制在允许的限度内。其并网的过程如下：当风力发电机组接收到由控制系统内微处理器发出的启动命令后，先检查发电机的相序与电网的相序是否一致，若相序正确，则发出松闸命令，风力发电机组开始启动。当发电机转速接近同步转速时(约为99100同步转速)，双向晶闸管的控制脚同时由180度到0度逐渐同步打开；与此同时，双向晶闸管的导通角则同时由0度到180度逐渐增大，此时并网自动开关未动作，动合触头未闭合，异步发电机即通过晶闸管平稳的并入电网；随着发电机转速继续升高，电机的滑差率渐趋于零。当滑差率为零时，并网自动开关动作，动合触头闭合，双向晶闸管被短接，异步发电机的输出电流将不再经双向晶闸管，而是通过已闭合的自动开关触头流入电网。在发电机并网后，应立即在发电机端并入补偿电容，将发电机的功率因数提高到0.95以上该种软并网方法的特点是通过控制晶闸管的导通角，将发电机并网瞬间的冲击电流值限制在规定的范围内(一般为1.5倍额定电流以下)，从而得到一个平滑的并网瞬态过程。在所示的软并网线路中，在双向晶闸管两端并接有旁路并网自动开关，并在零转差率时实现自动切换，在并网瞬态过程完毕后，即将双向晶闸管短接。与此种软并网连接方式相对应的另一种软并网连接方式是在异步发电机与电网之间通过双向晶闸管直接连接，在晶闸管两端没有并接旁路并网自动开关，双向晶闸管既在并网过程中起到控制冲击电流的作用，同时又作为无触头自动开关，在并网后继续存在于主回路中，这种软并网方连接方式可以省去一个并网自动开关，因而控制回路较为简单，而且避免了有触头自动开关触头弹跳、沾着及磨损等现象，可以保证较高的开关频率。但这种连接方式需选用电流允许值大的高反压双向晶闸管，这是因为双向晶闸管中通过的电流需满足大连理工大学硕士研究生学位论文能通过异步发电机的额定电流值，而具有旁路并网自动开关的软并网连接方式中的高反压双向晶闸管只要能通过较发电机空载电流略高的电流就可以满足要求。这种软并网连接方式的并网过程与上述具有并网自动开关的软并网连接方式的并网过程类似，在双向晶闸管开始导通阶段，异步电机作为电动机运行，但随着异步发电机转速的升高，滑差率渐渐接近与零，当滑差率为零时，双向晶闸管已全部导通，并网过程结束。晶闸管软并网技术对晶闸管器件及与之相关的晶闸管触发电路提出了严格的要求，即晶闸管器件的特性要求一致、稳定以及触发电路可靠，只有发电机主回路中的每相的双向晶闸管特性一致，控制极触发电压，触发电流一致，全开通压降相同，才能保证可控硅导通角在0度1踟度范围内同步逐渐增大，才能保证发电机三相电流平衡。目前在晶闸管软并网方法中，根据晶闸管的通断状况，触发电路有移相触发和过零触发两种方式。移相触发会造成电机每相电流为正负半波对称的非正弦波(缺角正弦波)含有较多的奇次谐波分量，这些谐波会对电网造成污染公害，必须加以限制和消除。过零触发是在设定的周期内，逐步改变晶闸管的导通周波数。最后达到全部导通，使发电机平稳并入电网，因而不产生谐波干扰。通过晶闸管软并网法将风力驱动的异步发电机并入电网是目前国内外中型及大型号风力发电机组中普遍采用的。中国引进和自行开发研制的250、300、600KW的并网型异步风力发电机组，都是采用这种并网技术。2.同步发电机并网方法整个并网发电系统主要由同步发电机、并网装置组成三相同步发电机输出的交流电流采用不可控整流器整流为直流以后，经过直流滤波环节，送入到DAAC逆变器的输入端，逆变为电压、频率、相角、功率因数和谐波都符合电网要求的电能，再经过交流滤波环节后并入电网。3.双馈发电机并网方法整个并网发电系统主要由双馈发电机、双脉冲整流器组成。这种并网方案的特点是在发电机侧和电网侧分别加入脉冲整流器，在低风速的情况下，发电机输出的交流电压经过电机侧脉冲整流器升压后，可以满足电网侧脉冲整流器的正常工作。2.3 风能并网逆变器风能并网采用目前应用较多的直驱式永磁交流同步发电机，设计并网逆变器作为发电机与电网之间的电能转换接口。要求该并网逆变器具有各种保护和运行控制功能，具有完善的运行参数显示，可以实现由风能产生的电能的高效率的并网。图2-1 风力发电并网系统框图如图2-1所示，风力发电并网系统由直驱式风力发电机、卸荷器、BOOST升压电路、并网逆变器等设备组成。当风机达到切入风速的时候，风力发电机发出的交流电能经过整流、调压、逆变后馈入电网。当风速太大的时候，使得风机超载运行时，卸荷部分接入，保证恒功率运行并网逆变器主电路采用DCAC逆变器的拓扑结构。PFC校正部分由三相不可控整流和DCDC直流升压斩波环节两部分组成它与前面所述的方案的最大不同之处就是加入了直流斩波环节。系统中采用直驱式永磁同步发电机将风能转化为电能，经三相不可控整流桥整为直流后，送入到直流变换电路中。直流变换电路的主要作用是调节直流输出电压，满足逆变电路的工作要求和完成功率因数校正，提高并网逆变器的功率因数并抑制谐波。调节后的直流输出电能逆变为符合并网要求的交流电能后通过滤波器滤波再并入到公用电网。采用这样的主电路结构就能很好的解决低风速时的风力发电机的并网问题。当风速较低的时候。风机转动较慢，由于风机与发电机是直接耦合的，中间没有采用增速齿轮箱，因此发电机输出的电压比较低，在中间加入直流升压环节后，整流后得到的低的直流电压通过直流升压就可以在系统的直流侧获得较高的直流电压，满足逆变电路的正常工作，使得系统可以在风速较低时也能将电能送入电网。同时直流斩波电路还可以完成功率因数校正功能，提高并网逆变装置的功率因数并抑制高次谐波。37第三章 硬件结构及原理3.1 风能逆变器控制分析采用目前应用较多的直驱式永磁交流同步发电机，设计并网逆变器作为发电机与电网之间的电能转换接口。本课题研究对象是智能化、高性能具有并网功能的风力发电逆变装置，要求该并网逆变器具有各种保护和运行控制功能，可以实现由风能产生的电能的高效率的并网。图3-1 风力发电并网主电路如图3-1所示，风力发电并网系统由直驱式风力发电机、卸荷器、并网逆变器等设备组成。当风机达到切入风速的时候，风力发电机发出的交流电能经过整流、调压、逆变后馈入电网。当风速太大的时候，使得风机超载运行时，卸荷部分接入，保证恒功率运行并网逆变器主电路采用PFC校正部分+DCAC逆变器的拓扑结构。PFC校正部分由三相不可控整流和DCDC直流升压斩波环节两部分组成它与前面所述的方案的最大不同之处就是加入了直流斩波环节。如图3-2所示为并网逆变器主电路框图：图3-2 并网逆变器主电路结构系统中采用直驱式永磁同步发电机将风能转化为电能，经三相不可控整流桥整流为直流后，送入到直流变换电路中。直流变换电路的主要作用是调节直流输出电压，满足逆变电路的工作要求和完成功率因数校正，提高并网逆变器的功率因数并抑制谐波。调节后的直流输出电能逆变为符合并网要求的交流电能后通过滤波器滤波再并入到公用电网。采用这样的主电路结构就能很好的解决低风速时的风力发电机的并网问题。当风速较低的时候。风机转动较慢，由于风机与发电机是直接耦合的，中间没有采用增速齿轮箱，因此发电机输出的电压比较低，在中间加入直流升压环节后，整流后得到的低的直流电压通过直流升压就可以在系统的直流侧获得较高的直流电压，满足逆变电路的正常工作，使得系统可以在风速较低时也能将电能送入电网。同时直流斩波电路还可以完成功率因数校正功能，提高并网逆变装置的功率因数并抑制高次谐波。3.2 并网逆变器控制技术分析 在风力并网发电系统中，并网逆变器是其能否成功并网的关键所在，并网逆变装置的主电路结构及其控制技术的选择决定了并网逆变器的性能。并网逆变器主电路分为PFC功率因数校正环节和DCAC逆变环节两部分。逆变控制策略上采用电压源输入、电流源输出的控制方式，即采用电压型并网的输出电流控制，使逆变器能够输出与电网电压同频同相的正弦交流电流。3.3 PFO环节及其控制技术分析 功率因数校正环节包含不可控整流电路和Boost升压电路两部分。允许风力发电机输出的电能电压在40150V之间，经整流桥整流为直流后，送入到DC/DC升压电路中。DC/DC直流电路的主要作用是调节直流输出电压，满足后级逆变电路的工作要求和完成功率因数校正功能，提高并网逆变器的功率因数并抑制谐波。调节后的直流输出电能，电压幅值在400V左右。因风力发电机的输出为三相交流电，额定输出功率为2KW，并且输出电压较低，所以整流电路采用三相桥式不可控整流电路，如图3-3所示,这种电路的特点是不用中线、输出电压高、输出纹波小、输入谐波小。图3-3 三相桥式不可控整流电路图在不考虑交流侧和负载侧的电感影响，认为换相是瞬时完成的理想情况下，分析该整流电路。各二极管均在自然换相点处换相，自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。输出整流电压蜥波形为线电压在正半周期的包络线。不管是在阻性负载，还是在阻感性负载下，整流输出电压均连续，其平均值为： (3-1)其中为输入相电压，为输入线电压。输出电流平均值为： (3-2)其中R为负载电阻值。该整流电路具有如下的特点:(1)在每个时刻均需2个二极管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个二极管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的二极管。(2)整流输出电压一周期脉动6次。每次脉动的波形都一样。(3)二极管所承受的最大反向电压为输入线电压峰值，即 (3-3)在不考虑二极管导通的条件下，所承受的最大正向电压也为输入线电压峰值，即 (3-4) 风力发电机输出的电压较低，经过整流环节后，输出的直流电压值不能满足后级逆变电路并网的要求，因此我们在这里采用Boost升压斩波电路进行直流电压调节，对直流电压进行升压，以满足逆变并网的工作要求，更好的利用低风速时候的风能。此外采用Boost电路可实现功率因数校正(PFC)功能(功率因数可以达到0.950.99)。Boost电路结构简单，实现成本低，是目前应用最广泛的功率因数校正电路。主电路由电感、开关管和滤波电容组成。其输入侧有储能电感可以减小输入电流纹波，防止对后级电路的高频瞬态冲击；其输出侧有滤波电容可以减小输出电压纹波，对负载呈现电压源特性。图3-4 Boost直流电路结构 分析该升压斩波电路的工作原理，如图3-4所示，首先假设电感L值和电容C值很大。当开关管VT处于通态的时候，电源向电感L充电，同时电容C上的电压向负载供电。当VT处于断态的时候电源和电感共同向电容C充电并向负载提供能量。该升压斩波电路之所能够使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可以将输出电压保持住。3.4 逆变电路的设计 逆变电路中，我们选用的是三相全桥逆变电路，如果用作单相逆变器时，不驱动其中一个桥臂即可。 在逆变器中，我们选择的开关器件为IGBT。绝缘栅双极型晶体管IGBT是MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件容量大的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。IGBT的等效电路如图3-5所示，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则M0SFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。图3-5 IGBT等效电路 IGBT作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题，在过流时如果采用一般的速度封锁栅极电压会困过高的电流变换率引起过电压，从而需要关断等特殊要求，因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是使用好它的关键。只有在充分利用和满足其特点、要求的情况下，才能使IGBT，展现出优点并获得较高的可靠性。 栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT的开通及关断过程有较大的影响。IGBT的MOS沟道受栅极驱动电压的直接控制，而MOSFET部分的漏极电流又着双极部分的基极电流，使得IGBT的开通特性主要决定于它的MOSFET部分，所以IGBT得开通受栅极驱动波形的影响较大。 IGBT的关断特性主要取决于内部少数载流子的复合速率，少数载流子的复合受MOSFET部分的关断影响，使得栅极驱动对IGBT的关断也有一定的影响。栅极驱动回路的阻抗延长米勒效应时间，使集电极电流的下降延迟。栅极驱动电路的阻抗，包括栅极驱动电路的内阻抗和栅极串联电阻两个部分。它们影响着驱动波形的上升、下降速率。在高频应用时，驱动电压的上升、下降速率应快一些，以提高IGBI的开通过程中度并降低开关损耗。在运行频率较低时。开关损耗所占比例较小，驱动电压上升、下降速率可减慢些。在正常状态下IGBT开通越快，开通损耗也越小。但在开通过程中如存在续流二极管的反向恢复电流和吸收电容器的放电电流，则开通越快IGBT承受的峰值电流也就越大，甚至急剧地上升导致IGBT或续流二极管损坏。此时应有目的降低栅极驱动脉冲的上升速率，即增加栅极串联电阻的阻值，控制该电流的峰值。其代价是要付出较大的开通损耗。利用此技术，开通过程中的峰值电流可以通过改变栅极串联电阻控制在任意的值。由以上分析可见，栅极串联电阻对IGBT的开通过程影响较大。栅极串联电阻的阻值应根据电路和系统的情况折中考虑，选择合适的值。栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT关断过程的影响对于开通来说要小一些。栅极串联电阻小有利于加快关断速度和减小关断损耗，也有利于避免关断时集电极电压的du/dt造成IGBT误开通。但栅极串联电阻过小会由于集电极电流下降的di/dt过大，产生较大的集电极电压尖峰，因此对于IGBT关断过程中的栅极串联电阻的组织也需折中考虑。栅极串联电阻对于驱动脉冲的波形也有较大的影响，电阻值过小时会造成驱动脉冲振荡，过大时驱动波形的前后沿会发生延迟和变缓。IGBT的输入电容随着其额定电流容量的增加而增大。为了保持相同的驱动脉冲前后沿速率,对于电流容量较大的IGBT元件，应提供较大前后沿充电电流。为此，栅极串联电阻的电阻值应随着IGBT电流容量的增加而减小。IGBT的栅极串联电阻通常采用表3-1表3-1 栅极电阻推荐值 所推荐的值，如工作频率较低也可采用前一挡电阻值加大的电阻。IGBT关断时由于回路中原来流通电流的电感储存的磁场能量需转换为电能量，使得回路的电压升高，产生过压。过电压的值由下式得出： (3-5)式中一一过电压的值(V)一一电压的峰值(V)一一电源电压(V)一一回路的杂散电感(tt)一一回路关断前的电流(A)一一吸收电容器的电容量(F)式(3-5)中的、由电路的运行条件决定，故影响电压的主要因素是回路的杂散电感L。当回路的杂散电感L较大时，为了抑制过电压只有增加吸收电容器的电容量这个办法。增加吸收电容器的电容量会导致吸收回路的损耗加大，效率降低，故尽量减小回路杂散电感是抑制换相过电压的最佳方法。我们在实际操作中选用的是RC吸收器，这种吸收器比较简单，但缺点是电阻的损耗较大的开关损耗。其工作轨迹接近安全工作区的边沿，使IGBT产生较大的开关损耗，由于本系统较小，频率也不是很高，所以可以满足系统要求。R值通常取530Q，R值过大吸收效果会变差，过小会产生较大的放电电流对IGBT开通不利。电阻R的功率为 (3-6)由式(3-6)可见，随着工作频率的增加，电阻的功率与f成正比。3.5 三相逆变器的工作原理三相交流负载需要三相逆变器，三相逆变器有两种电路结构，其一为由三个单相逆变器组成一个三相逆变器，每个单相逆变器可以是半桥式、也可以是全桥式电路。采用这种结构的三相逆变电路所用元器件比较多，适用于高压大容量的逆变器。通常使用更多的是如图3-6所示的三相桥式逆变电路。当T1导通时，节点A接于直流电源正端，VAO=VD2；当T4导通时，节点A接于直流电源负端，VAO=-VD2。同理，B和C点也是根据上下管导通情况决定其电位的。按图2-6中依序标号的开关器件其驱动信号彼此间相差60。若每个开关管的驱动信号持续180。，则任何时刻都有三个开关管导通，并按1、2、3，2、3、4，3、4、5，4、5、6，5、6、1，6、1、2的顺序导通。从而得到输出的线电压为：VAB=VAO-VBO；VBC=VBO-VCO；VCA=VCO-VAO；其基波分量彼此之间相差120。图3-6 三相逆变器主电路 但这种逆变器每个开关器件在一个开关周期中仅通、断状态转换一次，输出线电压每半周中仅一个脉波电压(120方波)，相电压为阶梯波，逆变器输出电压中的基波仅取决于直流电压VO的大小而不能调节控制，最低谐波阶次为5，且谐波含量大。对于三相逆变器也可以采用SPWM控制方式。在输出电压的每一个周期中，各开关器件通、断转换多次，既可实现调节、控制输出电压的大小，又可消除低次谐波而改善输出电压波形。通常采用三相调制参考正弦波电压与三角载波相比较产生驱动信号去控制六个全控开关器件，从而控制逆变器输出的三相交流电压的瞬时值。第4章 控制电路的实现三相SPWM发生器是变频器的核心部分，它的性能好坏，直接关系到整个变频器的工作状况。在本系统中，我们选用了英国MITEL公司的SA866芯片作为波形发生器，实践证明这块芯片性能良好，工作一直比较稳定。4.1 三相SPWM发生器SA866AE简介4.1.1 功能特点SA866是专为产生SPWM设计的一款集成电路。它除了能产生合乎要求的SPWM脉冲外，还集成了完备的过流、过压保护功能，并可在紧急情况如短路、过热时快速关断PWM脉冲，保护逆变器和电机。它的最大特点是可以独立运行，无需微处理器。它的输出频率以及加速减速的快慢都可由外接电位器在线连续调节。所有需定义的参数如载波频率、死区时间、最小脉宽、调制波形、VF曲线。等均存储在外接的串行EEPROM中，上电时自动读入SA866中。SA866有6种工作模式，它可以变频变幅，也可以定频变幅；可以独立运行，也可与微处理器配合使用，基本做到了低价格多功能，在许多逆变领域均可采用。它采用双缘调制技术，脉冲产生精确，它的工作频率范围很宽，时钟频率为25MHz时，载波频率可达24kHz，输出频率可达4kHz。它还可以提供两种VF曲线：恒转矩的VF线和负补偿的vF线，后者即针对风机类负载而设。4.1.2 管脚说明采用PLCC封装，共有三十二个管脚，管脚图如图4-1所示。图4-1 SA866管脚图(1)对外串行接口SDA、SCL、CS为SA866与EEPROM或微处理器的串行接口，SDA为数据总线，SCL为时钟信号，CS为片选信号。(2)工作状态选择SERIAL决定与SA866连接的是EEPROM还是微处理器，高电平表示与EEPROM连接，PAGE0、PAGEI决定采用的是EEPROM中的哪一页参数。(3)控制及输出SETPOINT决定稳定运行频率，RACC、RDEC决定加速减速的快慢，也可用来选择6种工作模式中的一种。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHT为三相PWM脉冲输出端，可直接驱动光耦。DIR控制三相顺序，高电平表示正向旋转。(4)保护VMON、IMONVMON为过电压信号输入端，减速过程中此端电平若大于25V，就起动过电压保护动作，将输出频率固定在当前值。IMON为过流信号输入端，升速过程中端电平若大于25V，内部过流保护就动作，不再继续升速，直到过流信号消失才继续升速。SETTRIP为紧急停机信号，可快速禁止PWM脉冲输出，TRIP端表示输出禁止状态，低电平有效，该信号只有在复位信号下才能被解除。(5)电源为数字电源，为模拟电源，是AD转换电源，均接同一个+5V电源， 分别是数字地及模拟地，是AD转换参考电压，为+2.5V。4.1.3 SA866的控制方式所有可编程参数都存储在EEPROM中，并在RESET信号后自动装入SA866中。一片EEPROM可同时存放四页参数(接线方式如图4-2)，改变PAGE0、PAGEl两脚的电平就可决定采用哪一页参数，如表4-1所示。表4-1 EEPROM页地址图4-2 串行EEPROM的接口方式PAGEO和PAGEl内部都有上拉电阻，如果两个都悬空，则选定第3页存储，前两位XX代表93C06的两个操作码的LSB，或是6位93C46的两个MSB(0O)，他们始终是0。(注意：如果采有1024位的93C46，实际只用低256位，其余的不编程。)RESET上升沿到来之后，CS信号为高，选定EEPROM，SA866AE驱动时钟信号(SCL)控制其与EEPROM的输入输出时种字。在SCL的下降沿到来后，SA866A肌步输出EEPROM的控制字(在随后的上升锁存入EEPROM)，再次SCL的上升沿到来后，EEPROM同步输出地进制工作，参数的真位，在时这种的下降沿锁存入SA866AE。4.2 锁相环控制锁相环只要是用于锁定频率，因为国内的电网频率是采用50HZ，所以同步电动机发出的电，经过逆变之后的输出的频率通过单片机锁相，使SA866产生50HZ的SPWM,经过隔离放大来驱动六路IGBT，输出经过低通产生50HZ的正弦波，从而与电网频率匹配。4.2.1 ATMEG8 单片机的简介该芯片内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算数逻辑单元(ALU) 相连接，使得一条指令可