風力發(fā)電機晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究

V風力發(fā)電機晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究摘要本課題以目前風力發(fā)電系統(tǒng)中較普遍使用的MW級風力發(fā)電機為研究對象，主要研究用晶閘管作為電力電子變換元件實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的單機并網(wǎng)方案和風電場集中并網(wǎng)方案。本文首先對并網(wǎng)型風力發(fā)電機組的工作原理、組成和分類進行了介紹。接著對用IGBT和SCR為主開關(guān)管逆變器在結(jié)構(gòu)、性能以及優(yōu)缺點進行了比較。然后對晶閘管有源逆變器的主電路以及各器件參數(shù)進行了設(shè)計和逆變器電磁兼容的設(shè)計，并介紹基于數(shù)字PID的控制系統(tǒng)的數(shù)字流程圖。最后本文就晶閘管變流器的最大問題諧波和無功做出了詳細的分析，并提出了諧波和無功的補償辦法。關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機，大功率變流，晶閘管，數(shù)字PID調(diào)節(jié)，諧波及無功補償

TheResearchofWindPowerGeneratorSCRGrid-connectedInverterABSTRACTInthispapertheMWgradewindturbinegeneratorcommonlyusedistheresearchobject,whichmainresearchthyristoraspowerelectronicconversionelementtoachievestand-aloneandnetworksolutionsforwindpowergenerationsystemandwindelectricfieldconcentrationandnetprograms.Firstly,grid-connectedwindturbineworkingprinciple,compositionandclassificationareintroduced.Secondly,theIGBTandtheSCRswitchinverterarecomparedinthestructure,properties,advantagesanddisadvantages.Andathyristorforactiveinvertermaincircuitandthedeviceparametersareproposed.Then,theinverterEMCisdesigned,andthecontrolsystemofdigitalchartbaseddigitalPIDisintroduced.Finallythisarticlemakesadetailedanalysisonthebiggestproblemofthyristorconverterinharmonicandreactivepower,andputsforwardtotheharmonicandreactivepowercompensation.KEYWORDS：windturbines，powerconverter，SCR，figuresPIDregulator,harmonicandreactivepowercompensation目錄摘要 IABSTRACT II1緒論 11.1風力發(fā)電的應用現(xiàn)狀及前景展望 11.1.1風力發(fā)電的現(xiàn)狀 11.1.2風力發(fā)電的前景展望 11.2我國風電發(fā)展概況 21.3大型并網(wǎng)風電場接入電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀及主要問題 31.3.1并網(wǎng)型風力發(fā)電機組 31.3.2風電場與常規(guī)能源電廠主要區(qū)別 41.3.3并網(wǎng)存在的主要問題 41.4風力發(fā)電機的并網(wǎng)方式 51.4.1直接并網(wǎng) 51.4.2雙饋并網(wǎng) 51.4.3直驅(qū)并網(wǎng) 61.5直驅(qū)并網(wǎng)風機變流器的主要形式 61.5.1二極管整流+晶閘管有源逆變 71.5.2晶閘管整流+晶閘管有源逆變 71.6本章小結(jié) 72主電路設(shè)計 92.1主電路原理 92.1.1主電路工作原理 92.1.2基本數(shù)量關(guān)系 102.1.3逆變顛覆及其防止 112.1.4換流重疊現(xiàn)象 122.2控制系統(tǒng)概述 132.3大功率晶閘管有源逆變器的硬件組成 142.3.1有源逆變器的系統(tǒng)構(gòu)成 142.3.2三相晶閘管逆變觸發(fā) 152.4主電路設(shè)計 152.4.1主變壓器參數(shù)的計算 152.4.2晶閘管參數(shù)的計算 162.4.3瞬態(tài)抑制電路參數(shù)計算 162.4.4快速熔斷器的參數(shù)選擇 182.5本章小結(jié) 183控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 183.1控制系統(tǒng)設(shè)計 193.1.1控制系統(tǒng)功能描述 193.1.2ATmega16單片機特性簡介 193.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 203.2.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理 203.2.2主控芯片的功能 203.2.3DAC轉(zhuǎn)換器 213.2.4D/A轉(zhuǎn)換器與單片機的光電接口電路 213.2.5晶閘管通用觸發(fā)電路CA6100 223.2.6主電路的信號檢測 233.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 253.3.1PID算法 263.3.2數(shù)字PID閉環(huán)控制 283.3.3增量式PID算法程序流程圖 283.3.4數(shù)字濾波 293.4本章小結(jié) 304系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計 314.1系統(tǒng)存在的電磁兼容問題 314.2系統(tǒng)硬件電磁兼容設(shè)計 314.2.1硬件抗干擾分析 314.2.2硬件抗干擾設(shè)計 324.2.3電路板的電磁兼容性設(shè)計 324.3系統(tǒng)軟件電磁兼容設(shè)計 344.3.1軟件抗干擾設(shè)計考慮的問題 344.3.2系統(tǒng)中軟件抗干擾的措施 354.4本章小結(jié) 365諧波抑制與無功補償 375.1無功及諧波的危害 375.1.1諧波的危害 375.1.2無功功率的影響 375.2有源逆變器的無功及諧波分析 385.2.1無功及諧波的分析 385.2.2諧波抑制的方法 395.2.3無功補償?shù)姆椒?395.2.4無功補償電容器和LC濾波器 405.3系統(tǒng)的諧波補償 415.4本章小結(jié) 436結(jié)論 44致謝 45參考文獻 46附錄 47PAGE46陜西科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書PAGE49風力發(fā)電機晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究1緒論論文直接針對新能源課題中的MW級變速恒頻風力發(fā)電機組電控系統(tǒng)的研制這一研究項目，主要研究用晶閘管作為電力電子變換元件實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的單機并網(wǎng)方案和風電場集中并網(wǎng)方案。1.1風力發(fā)電的應用現(xiàn)狀及前景展望1.1.1風力發(fā)電的現(xiàn)狀=1\*GB2⑴風電成本逐年降低盡管風電成本受很多因素的制約,但其發(fā)展趨勢是逐漸降低的。隨著風電技術(shù)的改進,風電機組越來越便宜和高效。增大風電機組的單機容量就減少了基礎(chǔ)設(shè)施的費用,而且同樣的裝機容量需要更少數(shù)目的機組,這也節(jié)約了成本。隨著融資成本的降低和開發(fā)商的經(jīng)驗日益豐富,項目開發(fā)的成本也相應得到降低。風電機組可靠性的改進也減少了運行維護的平均成本。=2\*GB2⑵海上風電悄然興起海上有豐富的風能資源和廣闊平坦的區(qū)域,使得近海風電技術(shù)成為近來研究和應用的熱點。多兆瓦級風電機組在近海風電場的商業(yè)化運行是風能利用的新趨勢。到2003年末,圍繞歐洲海岸線,海上風電總裝機600MW,集中在丹麥、瑞典、荷蘭和英國。1.1.2風力發(fā)電的前景展望風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，其在地球上蘊量巨大。全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。風很早就被人們利用主要是通過風車來抽水、磨面等，而現(xiàn)在，人們感興趣的是如何利用風能來發(fā)電。風力發(fā)電機組技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從多種結(jié)構(gòu)形式逐步向少數(shù)幾種過渡的過程。20世紀80年代初期，市場上有上風向式和下風向式；風輪主軸有水平的和垂直的；風輪葉片數(shù)有三個﹑兩個﹑甚至一個的；葉片材料有木頭的和玻璃鋼的。到現(xiàn)在只剩下以水平軸﹑上風向﹑三葉片的機組為主，其中又有定槳距和變槳距風輪，定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速發(fā)電機，有齒輪箱和無齒輪箱等幾種。2009年全球風電產(chǎn)業(yè)在去年全球經(jīng)濟危機的沖擊下逆勢上漲31％，新增裝機容量為3.75萬兆瓦，將總裝機容量推升至15.79萬兆瓦。全球風電裝機總量預計在未來五年增加兩倍至44700萬千瓦，且可能在十年內(nèi)擴大至近100000萬千瓦。2009年，中國的漲幅引領(lǐng)全球風電產(chǎn)業(yè)，其新增裝機容量超過100％，從2008年的1.2萬兆瓦上漲到2009年底的2.51萬兆瓦，新增裝機容量達到1.3萬兆瓦。同年，美國風電產(chǎn)業(yè)的漲勢也強勁，其新增裝機容量上漲39％，約為1萬兆瓦，總裝機容量達到3.5萬兆瓦。歐洲新增裝機容量上漲1.053萬兆瓦，達到7.61萬兆瓦。其中，西班牙新增容量達到2460MW，德國達到1920MW。以歐美等發(fā)達國家為代表，全球風電呈現(xiàn)出規(guī)?；陌l(fā)展態(tài)勢。據(jù)預測，未來五年，全球風電仍將保持20％以上的增長速度。截止2011年底，全球風電裝機容量已達到2.4億。最后，從政策上來了解各國對發(fā)展風力發(fā)電的態(tài)度。為促進風力發(fā)電的發(fā)展，世界各國政府特別是歐美國家出臺了許多優(yōu)惠政策，主要包括有:投資補貼、低利率貸款、規(guī)定新能源必須在電源中占有一定比例、從電費中征收附加基金用于發(fā)展風電、減排C02獎勵等。歐洲的德國、丹麥、荷蘭等采用政府財政扶持、直接補貼的措施發(fā)展本國的風力發(fā)電事業(yè);美國通過金融支持，由聯(lián)邦和州政府提供信貸資助來扶持風力發(fā)電事業(yè);印度通過鼓勵外來投資和加強對外合作交流來發(fā)展風力發(fā)電事業(yè);日本采取的措施則是優(yōu)先采購風電。多種多樣的優(yōu)惠政策促進了各國風力發(fā)電的快速發(fā)展。1.2我國風電發(fā)展概況我國現(xiàn)代風力發(fā)電機技術(shù)的開發(fā)利用起源于20世紀70年代初。經(jīng)過初期發(fā)展﹑單機分散研制﹑示范應用﹑重點攻關(guān)﹑實用推廣﹑實用化和標準化幾個階段的發(fā)展，無論在科學研究﹑設(shè)計制造，還是試驗﹑示范﹑應用推廣等方面均有了長足的進步和很高的提高，并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。截至2009年底，全國累計生產(chǎn)離網(wǎng)型風力發(fā)電機組18萬多臺。1986年4月，中國第一個風電場在山東榮成并網(wǎng)發(fā)電，3臺55KW機組是由航空部和山東省由丹麥引進的，同年10月作為國際科技合作項目，利用比利時政府贈送的4臺200KW機組建成平潭示范風電場。從1989年起全國各地陸續(xù)利用外國政府贈送或優(yōu)惠貸款引進機組建設(shè)風電場，裝機容量逐年增加，2000年底全國共有26個風電場，裝機容量達到34.3萬千瓦。1997年當年裝機超過10萬千瓦，達到一個高峰。2003年以后中國風力機進入了快速發(fā)展時期。2009年中國成為第一大風電裝機市場，新增裝機容量為1375萬千瓦，增長率連續(xù)6年超過100％，成為增長速度最快的國家。累積裝機容量達到2580萬千瓦，超過德國，位列全球第二。2009年我國的兆瓦級風力機占據(jù)了市場的主導。2008年新增裝機的單機平均容量為1.2MW，而2009年的數(shù)字變成了1.3MW，并且去年兆瓦級風力機的市場份額占到了86％，其中67％在1.5MW以上。截至2009年底，我國風電并網(wǎng)總?cè)萘窟_1613萬千瓦，同比增長92.26％.其中，2009年風電電量為269億千瓦時，同比增長105.86％，占總電量的0.75％。我國已建立起了兩百多個風電場，風電場的迅速發(fā)展帶動了風能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和風能技術(shù)的進步，我國已能自行研制兆瓦級風力發(fā)電機組，最大功率達到3.0MW，并且開始規(guī)劃海上風電項目。我國風力發(fā)電行業(yè)發(fā)展前景廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展，同時盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。在“十二五”期間，我國風力發(fā)電新增裝機速度仍將繼續(xù)保持較快增長，風電場建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風電設(shè)備制造等領(lǐng)域已成為投資熱點，市場前景很好。預計到2020年，將在新疆﹑甘肅﹑內(nèi)蒙古﹑河北﹑東北以及江蘇沿海等地建立6個千萬千瓦風電基地，在河北﹑內(nèi)蒙古﹑遼寧等地建立若干百萬千瓦風電基地。1.3大型并網(wǎng)風電場接入電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀及主要問題1.3.1并網(wǎng)型風力發(fā)電機組并網(wǎng)型風力發(fā)電機組可分為恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是自然風吹動風力機,經(jīng)齒輪箱升速后驅(qū)動異步發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化為電能。目前國內(nèi)外普遍使用的是水平軸、上風向、定槳距(或變槳距)風力機,其有效風速范圍為3～30m/s,額定風速一般設(shè)計為8～15m/s,風力機的額定轉(zhuǎn)速大約為20～30r/min。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展依賴于大容量電力電子技術(shù)的成熟,從結(jié)構(gòu)和運行方面可分為直接驅(qū)動的同步發(fā)電機系統(tǒng)和雙饋感應發(fā)電機系統(tǒng)。在風力機直接驅(qū)動同步發(fā)電機構(gòu)成的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中,風力機直接與發(fā)電機相連,不需要齒輪箱升速,發(fā)電機輸出電壓的頻率隨轉(zhuǎn)速變化,通過交-直-交或交-交變頻器與電網(wǎng)相聯(lián),在電網(wǎng)側(cè)得到頻率恒定的電壓。雙饋感應風力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)包括繞線式異步發(fā)電機、變頻器和控制環(huán)節(jié),其定子繞組直接接入電網(wǎng),轉(zhuǎn)子采用三相對稱繞組,經(jīng)背靠背的雙向電壓源變頻器與電網(wǎng)相連,給發(fā)電機提供交流勵磁,勵磁頻率即為發(fā)電機的轉(zhuǎn)差頻率。變速恒頻風力發(fā)電機組實現(xiàn)了發(fā)電機轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的解耦,降低了風力發(fā)電與電網(wǎng)之間的相互影響,但是它的缺點是結(jié)構(gòu)復雜、成本高、技術(shù)難度大。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)也將進一步成熟。特別是雙饋感應發(fā)電機,不僅改善了風電機組的運行性能,而且大大降低了變頻器的容量,至今已逐漸發(fā)展成風力發(fā)電設(shè)備的主流。恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、過載能力強以及運行可靠性高等優(yōu)點,是過去幾年主要的風力發(fā)電設(shè)備。但是在恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中,一方面,風電機組直接與電網(wǎng)相耦合,風電的特性將直接對電網(wǎng)產(chǎn)生影響,另一方面,其發(fā)電設(shè)備為異步發(fā)電機,它的運行需要無功電源的支持,加重了電網(wǎng)的無功負擔,使系統(tǒng)的潮流分布更加復雜。因此它的并網(wǎng)運行將給系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計和運行帶來許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的新問題,隨著風力發(fā)電規(guī)模的不斷擴大,這些問題將愈加突出。1.3.2風電場與常規(guī)能源電廠主要區(qū)別風電場運行與常規(guī)能源發(fā)電廠相比在很多方面具有共性,需要解決的只是風力發(fā)電產(chǎn)生的特殊問題。風力發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電(比如火電、水電和核電)相比,主要區(qū)別如下：(1)由于風力的隨機性和間歇性,風電場的有功輸出亦具有隨機性,大小取決于風速的變比,而常規(guī)能源的有功輸出和無功輸出都可以準確預測。(2)過去廣泛采用的風電機組屬于異步發(fā)電機,雖然在機端出口處裝設(shè)無功補償電容器組,但在輸出有功的同時,發(fā)電機仍然會吸收電網(wǎng)的無功功率,從而引起機端出口電壓的波動,而常規(guī)能源機組都是同步發(fā)電機組。(3)相對于常規(guī)能源機組,風電機組的單機容量較小,大量風電機組并列運行是風電場的重要特點。1.3.3并網(wǎng)存在的主要問題(1)風力發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊異步發(fā)電機的并網(wǎng)條件是頻率和電壓要與電網(wǎng)一致。異步發(fā)電機直接并網(wǎng)時,沒有獨立的勵磁裝置,并網(wǎng)前發(fā)電機本身沒有電壓,因此并網(wǎng)時必然伴隨一個過渡過程,流過5～6倍額定電流的沖擊電流,一般經(jīng)過幾百毫秒后轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。沖擊電流的大小與其本身暫態(tài)電抗和并網(wǎng)時的電壓高低有關(guān),其有效值還與并網(wǎng)時的滑差有關(guān)?；钤酱髣t交流暫態(tài)衰減時間就越長,并網(wǎng)時沖擊電流有效值也就越大。風力發(fā)電機組與大電網(wǎng)并聯(lián)時,合閘瞬間的沖擊電流對發(fā)電機及電網(wǎng)系統(tǒng)安全運行不會有太大影響。但對小容量的電網(wǎng)而言,風電場并網(wǎng)瞬間將會造成電網(wǎng)電壓的大幅度下跌,從而影響接在同一電網(wǎng)上的其他電器設(shè)備的正常運行,甚至會影響到整個電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。目前可以通過裝設(shè)軟起動裝置和風機非同期并網(wǎng)來削弱沖擊電流,但同時給電網(wǎng)帶來一定的諧波污染。(2)風電場運行對電能質(zhì)量的影響風速變化、湍流以及風力機尾流效應造成的紊流會引起風電功率的波動和風電機組的頻繁啟停;風機的桿塔遮蔽效應使風電機組輸出功率存在周期性的脈動。功率的變化將會使電網(wǎng)頻率在一定范圍波動,影響電網(wǎng)中頻率敏感負荷的正常工作。風電功率的波動勢必會引起電壓的變化,主要表現(xiàn)為:電壓波動、電壓閃變、電壓跌落以及周期性電壓脈動等。此外,風電機組中的電力電子控制裝置如果設(shè)計不當,將會向電網(wǎng)注入諧波電流,引起電壓波形發(fā)生不可接受的畸變,并可能引發(fā)由諧振帶來的潛在問題。(3)對保護裝置的影響為了減少風電機組的頻繁投切對接觸器的損害,在有風期間風電機組都保持與電網(wǎng)相連,當風速在起動風速附近變化時,允許風電機組短時電動機運行,因此,風電場與電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線的功率流向有時是雙向的,風電場繼電保護裝置的配置和整定應充分考慮到這種運行方式。異步發(fā)電機在發(fā)生近距離三相短路故障時不能提供持續(xù)的故障電流,在不對稱故障時提供的短路電流也非常有限。風電場保護在于如何根據(jù)有限的故障電流來檢測故障的發(fā)生,使保護裝置準確而快速的動作。另一方面,盡管風力發(fā)電提供的故障電流非常有限,但也有可能會影響現(xiàn)有配電網(wǎng)絡(luò)保護裝置的正確運行。(4)風電場運行對電網(wǎng)頻率的影響在系統(tǒng)頻率方面,風電場的影響取決于風電場容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤．旓L電場容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時,其輸出功率的隨機波動性對電網(wǎng)頻率的影響會比較顯著,影響了電網(wǎng)的一些頻率敏感負荷的正常工作。由于目前國內(nèi)風電場占系統(tǒng)總?cè)萘勘壤€比較低,因此,頻率穩(wěn)定并不是電網(wǎng)穩(wěn)定運行中的主要問題[9]。1.4風力發(fā)電機的并網(wǎng)方式1.4.1直接并網(wǎng)這種并網(wǎng)方式要求并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同，當風力機驅(qū)動的異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速的90%-100%時，即可完成自動并網(wǎng)，如圖1-1所示。自動并網(wǎng)的信號由測速裝置給出，然后通過自動空氣開關(guān)合閘完成并網(wǎng)過程。這種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機的準同步并網(wǎng)簡單，但并網(wǎng)瞬間存在三相短路現(xiàn)象，并網(wǎng)沖擊電流達到額定電流的4-5倍，會引起電力系統(tǒng)電壓的瞬時下降，因此這種并網(wǎng)方式只適用于異步發(fā)電機容量在百千瓦級以下[12]。它的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。渦輪渦輪無功補償發(fā)電機電網(wǎng)圖1-1直接并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖1.4.2雙饋并網(wǎng)針對定速型鼠籠發(fā)電機的缺點，變速雙饋風力發(fā)電機的技術(shù)方案開始采用。變速雙饋風力發(fā)電機，同樣屬于異步發(fā)電機。變速雙饋風力發(fā)電機與定速型鼠籠發(fā)電機相同的是，發(fā)電機定子都直接并網(wǎng)，能將大部分電能輸入電網(wǎng)，同時從電網(wǎng)吸收勵磁功率;不同的是，雙饋電機的轉(zhuǎn)子側(cè)通過功率變換器連接到電網(wǎng)。該功率變換器的容量僅為電機容量的1/3，并且能量可以雙向流動。隨著風電機轉(zhuǎn)速的變化，雙饋機轉(zhuǎn)子繞組能將轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率，通過變頻器轉(zhuǎn)化為工頻電流，回輸?shù)诫娋W(wǎng)，同時這部分工頻電流也可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，從而使機組的總的功率因數(shù)得到改善。結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示[11]。發(fā)電機發(fā)電機 渦輪渦輪電網(wǎng)電網(wǎng)DC/ACAC/DCDC/ACAC/DC圖1-2雙饋并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖1.4.3直驅(qū)并網(wǎng)電網(wǎng)永磁風力發(fā)電機是一種同步發(fā)電機，與大電網(wǎng)中的發(fā)電機屬同一類型，所不同的是，它用永磁體替代普通發(fā)電機的勵磁，省去電刷滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，同時也節(jié)約了勵磁功率，提高了發(fā)電機效率。隨著風電機轉(zhuǎn)速的變化，永磁風力發(fā)電機所發(fā)出的電的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變頻器連接到電網(wǎng)。變頻器，將這些頻率不斷變化電能改變?yōu)楹泐l恒壓的交流電，輸入電網(wǎng)。直驅(qū)并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。電網(wǎng)發(fā)電機發(fā)電機DC/ACAC/DC渦輪DC/ACAC/DC渦輪圖1-3直驅(qū)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖目前先進的風力發(fā)電機產(chǎn)品中的典型技術(shù)方案，不外乎變速雙饋異步風力發(fā)電機和無齒輪箱變速永磁同步風力發(fā)電機兩種，二者各有優(yōu)劣。變速雙饋異步風力發(fā)電機的變頻器，功率約為機組功率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變速永磁同步風力發(fā)電機。直驅(qū)式風力機具有傳動鏈能量損失小、維護費用低、可靠性好等優(yōu)點[16]。1.5直驅(qū)并網(wǎng)風機變流器的主要形式直驅(qū)并網(wǎng)型風力發(fā)電機中變流電路存在很多不同的電路拓撲結(jié)構(gòu)，有以下幾種：1.5.1二極管整流+晶閘管有源逆變其優(yōu)點簡單可靠，開關(guān)主器件完全能夠國產(chǎn)化，大大降低了風機的成本。缺點:發(fā)電機功率因數(shù)低，在發(fā)電機輸出電壓低于電網(wǎng)電壓(低風速)時無法將能量饋入電網(wǎng)。交流發(fā)電機交流發(fā)電機風輪升壓變壓器CL電網(wǎng)不控整流有源逆變圖1-4二極管整流+晶閘管有源逆變電路1.5.2晶閘管整流+晶閘管有源逆變優(yōu)點:可控整流，有效保護直流側(cè)過載，缺點:與不可控整流一樣，在發(fā)電機輸出電壓低于電網(wǎng)電壓(低風速)時無法將能量饋入電網(wǎng)。但開關(guān)主器件完全能夠國產(chǎn)化，大大降低了風機的成本。交流發(fā)電交流發(fā)電機風輪升壓變壓器CL電網(wǎng)相控整流有源逆變圖1-5二極管整流+晶閘管有源逆變電路1.6本章小結(jié)本章主要分析了風力發(fā)電的現(xiàn)狀，并網(wǎng)出現(xiàn)的問題，以及當前風機變流器主要形式的優(yōu)缺點和發(fā)展方向，最后闡述了本文的主要工作。本文提出的晶閘管整流+晶閘管有源逆變變流電路的拓撲結(jié)構(gòu)，經(jīng)過理論分析，其在性能基本不變的情況下大幅度地降低了風機變流器的成本，提高了風機國產(chǎn)化的比重。2主電路設(shè)計2.1主電路原理變速風力發(fā)電機是現(xiàn)今最先進的一種風力發(fā)電機組類型。它已成為風力發(fā)電機組的主流。變速發(fā)電機所具有的如低風速時自動跟蹤最大功率和高風速時可緩沖風機受到的機械沖擊等特點，主要是通過其具有良好性能的變流電路及其控制方法而得以實現(xiàn)的。變速風力發(fā)電機中的變流電路種類繁多，其電路結(jié)構(gòu)多種多樣，但是其實現(xiàn)的功能和目標都是一樣的，那就是如何將變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻同相，能與電網(wǎng)實現(xiàn)柔性連接的交流電。由于其是將一定幅值和頻率的交流電轉(zhuǎn)換為另一幅值和頻率的交流電，因此，有交交變流和交直交變流電路兩種結(jié)構(gòu)。但是交交變流電路諸如周波變換器要求輸入電壓(發(fā)電機輸出電壓)頻率低于1/3輸出電壓(并網(wǎng)電壓)50HZ頻率，這樣就要求發(fā)電機工作的頻率低于16HZ，但是發(fā)電機最優(yōu)工作頻率很難達到16HZ，另外周波變換器采用的是晶閘管，需要的數(shù)量也較多，因此，交交變流電路很少在變速風力發(fā)電機中使用，主要用交直交變流電路。本章主要就晶閘管整流+晶閘管有源逆變變流電路結(jié)構(gòu)拓撲進行分析和研究。2.1.1主電路工作原理本文中風力發(fā)電機的變流系統(tǒng)采用三相橋式晶閘管可控整流，把風機交流發(fā)電機發(fā)出的幅值不固定、頻率不固定的交流電轉(zhuǎn)化為直流，由經(jīng)電容器的濾波轉(zhuǎn)化成直流電壓，經(jīng)平波電感平流和限流后，再由三相橋式電路的晶閘管有源逆變器轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)側(cè)電壓頻率一致的交流電，經(jīng)過一個升壓變壓器并到網(wǎng)上。下面是本文系統(tǒng)主電路拓撲圖：交流發(fā)電交流發(fā)電機風輪升壓變壓器CL電網(wǎng)相控整流有源逆變圖2-1主電路原理圖如圖2-1中，發(fā)電機使用的是永磁同步發(fā)電機，采用三相橋式全控整流電路對其進行6脈波整流，每個管子輪流導通120度，輸出直流每周期脈動6次，最低次諧波頻率為發(fā)電機頻率的6倍，平均直流電壓在輸出端串上電感進行穩(wěn)壓，減小直流脈動。三相橋式逆變電路即是三相橋式全控整流電路在π/2<α<π范圍內(nèi)(對應0<β<π/2)作為有源逆變的運行方式，因此可利用整流電路的分析方法去分析三相逆變電路。三相橋式電路工作時，晶閘管成對導通，每個晶閘管導通/3角度，每隔π/3換流一次，元件按V1一V2一V3一V4一V5一V6順序依次導通。平波電抗器L的電感量如果足夠大，電流為平滑直流。和整流電路一樣，每個晶閘管觸發(fā)導通前有另一晶閘管正在導通，對于電流型電路，為了確保任何時刻上下兩組晶閘管都有導通器件，有兩種脈沖形式可以滿足要求:一種是采用寬度大于60°小于120°的寬脈沖觸發(fā);另一種是在觸發(fā)一個晶閘管時，同時給前一個晶閘管補發(fā)脈沖，即雙窄脈沖觸發(fā)，本文系統(tǒng)中采用的是用寬脈沖的形式來觸發(fā)晶閘管[4]。2.1.2基本數(shù)量關(guān)系根據(jù)整流關(guān)系推導公式，電路在逆變狀況下直流側(cè)電壓為:Ud＝2.34Uαcosβ（2-1）Uα為變壓器次級相電壓有效值，如果直接接至電網(wǎng)，就是三相電網(wǎng)的相電壓。β是逆變控制角。設(shè)直流輸入電壓為Ui，直流電流的平均值為:Id＝（Ui－Ud）∕R（2-2）直流側(cè)反饋至電網(wǎng)的有功功率為:Pd＝2.34UαIdcosβ（2-3）將(2-1)和(2-2)式代入（2-3）后得:Pd＝（2.34Uα/R）(Ui－2.34Uαcosβ)cosβ（2-4）當主回路結(jié)構(gòu)一定時，改變輸入直流電壓以和逆變角β就能調(diào)節(jié)反饋電網(wǎng)的有功功率。一般情況下，有源逆變器的輸入也是固定的，這時就只能依靠調(diào)節(jié)逆變角β來調(diào)節(jié)反饋功率的大小。反饋功率和逆變角β的關(guān)系如圖2-2所示:PPβπ/2π/3π/6圖2-2反饋功率和逆變角β的關(guān)系由圖可知，在調(diào)節(jié)逆變角調(diào)節(jié)功率時，存在一個最大反饋功率值時的逆變角，從上式也可知該函數(shù)為cosβ的二次函數(shù)，存在最大值。2.1.3逆變顛覆及其防止晶閘管在逆變狀態(tài)下，如果發(fā)生晶閘管觸發(fā)不導通以及交流電源本身原因造成缺相，則逆變時的直流電源可能會通過逆變電路晶閘管形成短路，也可能使直流電源與逆變電路直流側(cè)電壓順串短路。由于逆變電路中的限流電阻很小，將造成很大的回路電流，使逆變電路不能正常工作，造成重大事故。這種情況稱為逆變顛覆或逆變失敗。造成逆變顛覆的原因有以下幾種：(1)晶閘管觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時、準確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失或脈沖延時情況的出現(xiàn)。使得應該導通的晶閘管不能正常導通，致使直流側(cè)電壓極性相反，與直流電源順極串聯(lián)短路而造成逆變顛覆。(2)觸發(fā)脈沖正常，晶閘管故障。在應該阻斷期間，器件失去阻斷能力，如斷態(tài)重復峰值電壓裕量不足，正向阻斷期誤導通，造成直流側(cè)電源瞬時極性相反，也構(gòu)成回路極性串聯(lián)短路，逆變顛覆。(3)交流電源發(fā)生故障，如缺相、電源突然失電。由于直流輸入電源仍存在，晶閘管仍可以導通，但此時沒有平衡直流電源的交流電壓，反電勢將通過晶閘管短路，造成逆變頗覆。(4)當逆變角β較小時，由于換流重疊角的影響，造成晶閘管在關(guān)斷時因承受反壓時間不夠而關(guān)斷失敗，從而導致逆變顛覆。為了防止逆變顛覆，在晶閘管相移有源逆變器中需要采取必要的措施。如選用高可靠的觸發(fā)電路，正確選用晶閘管元件參數(shù)，特別是電壓定額和承受du/dt，di/dt試的能力，以免發(fā)生誤導通或?qū)ㄊ?。另外一個重要的措施是從逆變角的角度來考慮，必須限制逆變角在一個允許的最小角度βmin內(nèi)。最小逆變角的選取有三個考慮因素:l)晶閘管的關(guān)斷時間tq，以確保流過元件的電流為零后有足夠的時間恢復正向阻斷能力。一般元件的關(guān)斷時間tq=200-300μs:對應的角度θ=4°-5°。2)換流重疊角μ，隨直流平均電流及換流電抗的增大而增大。一般情況下μ=15°-20°。3)安全裕量φ=10°，以考慮觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時間誤差。這樣，最小逆變角βmin=θ+μ+φ，一般βmin=30°-35°。當逆變電路工作時，必須保證β≧βmin[1]。2.1.4換流重疊現(xiàn)象和整流電路一樣，實際逆變電路中各晶閘管支路總存在有各種電感，主要是變壓器的漏感及線路的一些雜散電感。這些雜散電感總是要抑止電流的快速變化，使得實際逆變電路中晶閘管的換流不能瞬時完成。即導通元件中的電流不是由零瞬時增大到Id。關(guān)斷元件中的電流也不是由Id瞬時下降為零，而完成這些過程需要一定的時間。這樣，流經(jīng)每個晶閘管的電流波形將為梯形波，如圖所示。在換流所需的這段時間內(nèi)，正在導通的管子電流在增長，而正在關(guān)斷的管子電流在減小，兩管同時處于導通狀態(tài)，故稱換流重疊現(xiàn)象。兩個晶閘管同時導通的換流重疊時間折算成電角度γ稱為換流重疊角。圖2-3考慮換流重疊時流過晶閘管的電流波形與三相橋式整流電路一樣，換流重疊角γ的計算公式為：cosα－cos(α+γ)＝2UBId∕Uα(2-5)Uα為電網(wǎng)相電壓:Id為直流側(cè)電流:XB為電網(wǎng)側(cè)電感量為LB的變壓器每相折算到次級繞組的漏感，XB=ωLB。與整流電路不同的是逆變過程的換流重疊現(xiàn)象將使直流側(cè)電壓Ud波形增加一塊面積，造成直流平均電壓Ud略有提高。計及換流重疊現(xiàn)象后，三相橋式逆變電路的直流平均電壓為Ud＝2.34Uαcos(β-γ/2)cosμ/2(2-6)換流重疊角現(xiàn)象的存在對于逆變運行可能帶來不良后果。如果逆變角β小于換流重疊角γ，則當經(jīng)過自然換流點后，該截止的晶閘管仍繼續(xù)導通，從而使Ud改變極性造成回路短路，出現(xiàn)逆變顛覆[5]。2.2控制系統(tǒng)概述任何控制系統(tǒng)都有三個基本要求:穩(wěn)、準、快。為了滿足系統(tǒng)無超調(diào)、抗擾動能力強，實時性、快速響應性好的要求，系統(tǒng)采用了增量式數(shù)字PID算法?？刂葡到y(tǒng)框圖包括電壓電流采樣單元、晶閘管觸發(fā)電路、信號調(diào)理電路、低通濾波器。系統(tǒng)啟動后，電壓、電流檢測單元對主電路直流電壓、交流電流信號進行隔離、信號調(diào)理電路，由MCU的A/D單元進行采樣，經(jīng)過PID算法得出三相晶閘管觸發(fā)角的控制電壓，由經(jīng)隔離和DAC芯片轉(zhuǎn)換為0-5V電壓，經(jīng)CA6100觸發(fā)電路轉(zhuǎn)化為三相晶閘管的導通角在5-175°范圍內(nèi)可調(diào)，由隔離、驅(qū)動放大電路對晶閘管進行觸發(fā)動作，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)進行穩(wěn)定的控制?？刂齐娐纷饔弥饕强刂凭чl管逆變器的逆變角β，來調(diào)節(jié)直流母線上的電壓使其穩(wěn)定，將逆變器直流側(cè)反饋電壓與給定電壓信號進行比較，當母線電壓高于給定值時增大逆變角β，使并網(wǎng)電流增大，迫使母線電壓降低，反之當母線電壓低于給定值時減小逆變角β，使電壓升高，從而達到母線電壓穩(wěn)定在給定值，控制方法是用增量式數(shù)字PID控制。而整流部分主要是控制母線電壓不過載，即當風速過大時發(fā)電機發(fā)出的電壓會過大，這時要增大整流器的整流角α，使其輸出的母線電壓下降達到防止母線電壓過載的問題。整流器的控制:將直流側(cè)電壓取樣反饋，通過ADC變換器得到數(shù)字值與給定參考電壓比較，比較誤差作為電壓控制器的輸入，只有當電壓值大于母線過載電壓時整流器才動作，這是電壓控制的基本結(jié)構(gòu)。逆變器的控制:在數(shù)字PID控制系統(tǒng)中，母線電壓給定值通過計算求出，同時檢測母線電壓的反饋值，給定值與反饋值比較的結(jié)果決定DAC輸出的電壓信號通過晶閘管驅(qū)動電路控制3相逆變橋的逆變角β的大小，從而達到對母線電壓的直接控制且使其跟蹤電壓給定值。2.3大功率晶閘管有源逆變器的硬件組成在以上理論基礎(chǔ)上，分析了一臺80kW晶閘管有源逆變器。控制方式采用增量式數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，這一節(jié)將主要介紹研制情況。2.3.1有源逆變器的系統(tǒng)構(gòu)成整個系統(tǒng)由整流部分、逆變部分、信號檢測、脈沖觸發(fā)、系統(tǒng)控制等幾個部分組成。如圖2-4所示:整流部分L逆變部分電網(wǎng)輸入C脈沖觸發(fā)及驅(qū)動信號檢測電路脈沖觸發(fā)及驅(qū)動信號檢測電路微機控制MCU同步信號微機控制MCU圖2-4晶閘管有源逆變系統(tǒng)框圖整流部分是對于輸入電源的形式進行轉(zhuǎn)換，得到逆變需要的直流形式。由六個大功率整流晶閘管組成三相橋式可控整流，如圖2-5所示:圖2-5三相橋式可控整流電路逆變部分是整個系統(tǒng)的核心，它實現(xiàn)電能的變換，并使能量回饋至電網(wǎng)。平波電抗器L有三個作用：=1\*GB2⑴能使直流輸出的電流更加平直，是電路中不可缺少的儲能元件。=2\*GB2⑵對于輸入電源的整流環(huán)節(jié)也是個濾波作用，在電抗器的電感量足夠大的情況下，保證回路電流的平直。=3\*GB2⑶當逆變橋短路時，可以起到一個限流保護的作用，由于大電感的作用可以限制電流過大，從而得到足夠的保護時間。濾波電容器的作用主要是濾波，使輸出的直流電壓平直。2.3.2三相晶閘管逆變觸發(fā)晶閘管的導通和截止能否正常工作是整個系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。晶閘管正常工作時的特性如下：=1\*GB2⑴當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通=2\*GB2⑵當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導通=3\*GB2⑶晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否存在，晶閘管都保持導通=4\*GB2⑷若要使已導通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下根據(jù)晶閘管的特性，當其一旦導通，控制信號就不起作用了，所以一般是靠電網(wǎng)的負電壓來關(guān)斷晶閘管，即在換向時晶閘管的陰極電壓高于陽極電壓形成反向抽流，使晶閘管中電流低于導通的維持電流而關(guān)斷，不需要外加電路也就是常說的自然關(guān)斷。在三相逆變電路中，為了能夠正常工作且具有調(diào)節(jié)功能，對于觸發(fā)電路有以下要求:1)觸發(fā)脈沖應與交流電源同步2)觸發(fā)脈沖的相位應能調(diào)節(jié)，并且其調(diào)節(jié)范圍滿足一定要求3)觸發(fā)脈沖的參數(shù)合乎要求本系統(tǒng)采用CA6100專用晶閘管觸發(fā)裝置，經(jīng)改進調(diào)整，使其在給定電壓信號下，輸出60°寬脈沖束。整流觸發(fā)角限定在0°<α<90°，即逆變角在30°<β<90°，有效防止逆變顛覆。2.4主電路設(shè)計2.4.1主變壓器參數(shù)的計算主變壓器在電路中有著重要作用。首先，發(fā)電機的額定電壓與電網(wǎng)電壓不一致，變壓器可以起到變換電壓的作用。其次，由于變壓器具有一定的內(nèi)阻抗，能減弱網(wǎng)側(cè)電路的諧波電流，增強系統(tǒng)的抗干擾能力。再次，由于變壓器的存在，使發(fā)電機與電網(wǎng)之間只有磁的聯(lián)系，一旦發(fā)電機部分出現(xiàn)故障，不會波及電網(wǎng)，故障得以隔離。在本文系統(tǒng)中并網(wǎng)側(cè)有源逆變器連接是三相橋式電路，原邊接到電網(wǎng)上，副邊接在逆變器的輸出，所以可以得到原邊電壓為220V交流，副邊電壓為15V交流，由于直流母線上電壓為690V，母線上限流電阻為10Ω，有前面給出的公式可以算出變壓器副邊電流I2=48.5A，變壓器副邊容量（2-7）由于變壓器副邊接有晶閘管逆變器，因此副邊繞組上的電壓是非正弦的，注入變壓器的諧波分量較嚴重。通常，高次諧波會引起變壓器的損耗增加，使得變壓器發(fā)熱量增加，并危及繞組的絕緣。變壓器的諧波損耗分為繞組電阻損耗，其中高次諧波的渦流損耗占絕大部分，而且分布不均，容易導致局部繞組過熱。因此根據(jù)經(jīng)驗，變壓器容量取1.5--2倍的裕量。所以S2=8.91kVa。變壓器原邊繞組上的最大電壓為380V，所以原邊電流=7.82A(2-8)2.4.2晶閘管參數(shù)的計算=1\*GB2⑴電壓容量選擇根據(jù)分析可知，在正常工作情況下，晶閘管承受的正反向電壓的峰值為主電路中變壓器到相電壓幅值的1.5倍。由前述可知，風力發(fā)電機所聯(lián)電網(wǎng)電壓的波動幅度較大。因此電壓安全系數(shù)KU(1.5一2.0)要選取較大的數(shù)值。所以(2-9)故UT=1200V。=2\*GB2⑵電流容量選擇通過每個晶閘管的電流的有效值IT與線電流I的關(guān)系為:(2-10)實際承受的最高等效平均電流ITav，為:(2-11)式中，Ki為電流安全系數(shù)，一般取Ki=2一3。則(2-12)取ITav=400A2.4.3瞬態(tài)抑制電路參數(shù)計算為了吸收換流過電壓及電壓上升率，減緩對晶閘管的沖擊。必須加瞬態(tài)抑制電路，如圖2-6所示:RSRCL圖2-6晶閘管瞬態(tài)抑制電路其中，L為等效電感及線路電感之和，不僅能減小晶閘管開通時電流上升率，而且能抑制其電壓上升率。=1\*GB2⑴阻容參數(shù)的選擇阻容吸收回路主要是利用電容兩端電壓不能突變的特性來吸收尖峰狀的過電壓，保護晶閘管?？紤]到避免在RC電路中產(chǎn)生較大的功率損耗，電容C的數(shù)值不宜取得太大，應兼顧過電壓和電壓上升率的抑制。電阻R可以阻尼LC電路的振蕩，防止因振蕩產(chǎn)生過電壓;另外，可以減小電容C的放電電流、從而減小晶閘管的開通損耗。例如本文系統(tǒng)中情況根據(jù)晶閘管的電壓、電流容量、可以得到R、C的經(jīng)驗值:R=35Ω，C=0.33μF電阻的功率:(2-13)式中，f為晶閘管換流頻率，因為晶閘管為三相橋式連接，電源頻率為50Hz，f=100Hz;Ucm為電容上電壓最大值，Ucm=UT。所以(2-14)由于實際電路中往往還有其他一些原因引起電阻消耗功率，使其消耗功率加大，所以取PR=15w。電容耐壓：(2-15)因為電網(wǎng)電壓波動較大，取UC=1000V。但是阻容電路吸收過電壓的能力是有限的，出現(xiàn)雷擊等原因引起電網(wǎng)上產(chǎn)生更高的過電壓，或者過電壓的持續(xù)時間比較長，過電壓仍會超過允許值。因此，在晶閘管兩端再并接壓敏電阻。=2\*GB2⑵壓敏電阻參數(shù)的選擇壓敏電阻正常工作時漏電流小、損耗小，而泄放沖擊電流能力強，抑制過電壓能力強，且對沖擊電壓反應快，得到廣泛應用。壓敏電阻選用時，主要考慮其兩個特性參數(shù):1)標稱電壓UM應大于電路正常工作時其兩端電壓的峰值。UM=(1.15-1.3)×1.5×U2=(700--790)V(2-16)取UM=750V2)額定通流容量應大于電路工作時實際出現(xiàn)的浪涌電流值，可選取5-10(KA)[13]。2.4.4快速熔斷器的參數(shù)選擇快速熔斷器串聯(lián)在三相交流進線中，對主電路中出現(xiàn)的過流起保護作用。熔斷器主要有熔體和安裝熔體的導電零件組成，此外還有絕緣座和絕緣管等。=1\*GB2⑴額定電壓的選擇這一參數(shù)是指快速熔斷器在熔絲熔斷后所能承受的電壓有效值。因此，其至少應能夠承受相電壓有效值的1.5?？紤]到開斷時電路中等效電感會產(chǎn)生感應電壓，所以適當提高電壓等級，選取額定電壓為750V。=2\*GB2⑵額定電流I的選擇這一參數(shù)是指能長期承受的最大電流(有效值)。選取原則:KiI>I*>I(2-17)式中Ki為晶閘管電流安全系數(shù)；I為實際工作電流的有效值。因此選取I*=500A[6]。2.5本章小結(jié)本章主要分析了系統(tǒng)主電路的原理拓撲，數(shù)學關(guān)系式，控制算法的可行性分析，以及解釋了逆變失敗等事項。最后經(jīng)詳盡的計算得出主電路各個器件的參數(shù)。本章可以說是在理論上奠定了堅實的基礎(chǔ)，并對系統(tǒng)的可行性也進行了驗證，接下來就需要根據(jù)此類參數(shù)進行硬件主電路的搭建，控制電路的設(shè)計和諧波及無功分析。3控制系統(tǒng)的實現(xiàn)3.1控制系統(tǒng)設(shè)計3.1.1控制系統(tǒng)功能描述控制系統(tǒng)硬件電路主要包括主控芯片電路、D/A轉(zhuǎn)換及其與單片機的光電接口電路和晶閘管驅(qū)動電路CA6100以及在并網(wǎng)逆變器輸出側(cè)并聯(lián)濾波器可以更好地抑制諧波，使送入電網(wǎng)的交流電能滿足電網(wǎng)要求。本文系統(tǒng)控制采用的是先進增量式數(shù)字PID控制原理，由主控芯片ATmega16單片機實現(xiàn)運算，系統(tǒng)采樣的數(shù)據(jù)通過ATmega16的ADC轉(zhuǎn)化單元輸入到單片機中，經(jīng)過PID環(huán)節(jié)的計算后得出控制信號輸出到系統(tǒng)中的DAC轉(zhuǎn)換器中經(jīng)CA6100晶閘管觸發(fā)板緩沖后直接控制三相橋式晶閘管的觸發(fā)角。3.1.2ATmega16單片機特性簡介ATmega16是基于增強的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16有如下特點:16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和除了異步定時器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。本芯片是片內(nèi)ISPFlash允許程序存儲器通過ISP串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR內(nèi)核之中的引導程序進行編程。引導程序可以使用任意接口將應用程序下載到應用Flash存儲區(qū)(ApplicationFlashMemory)。在更新應用Flash存儲區(qū)時引導Flash區(qū)(BootFlashMemory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW操作。通過將8位RISCCPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個芯片內(nèi)，ATmega16成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C語言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器、軟件仿真器、仿真器及評估板[10]。3.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.2.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理根據(jù)控制系統(tǒng)包含的功能和所選擇的主控制器特點，所設(shè)計的變流裝置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理如圖所示。晶閘管觸發(fā)電路CA6100D/A轉(zhuǎn)換器晶閘管觸發(fā)電路CA6100D/A轉(zhuǎn)換器ATmega16I/O口輸出ATmega16I/O口輸出數(shù)字PID數(shù)字PID三相交直交變頻主電路A/D采樣調(diào)理電路整流輸出采樣電壓三相交直交變頻主電路A/D采樣調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換整流輸出采樣電流A/D轉(zhuǎn)換逆變并網(wǎng)側(cè)采樣電壓逆變并網(wǎng)側(cè)采樣電流圖3-1控制系統(tǒng)框圖3.2.2主控芯片的功能ATmega16這款單片機是AVR系列單片機中最高端型號，非常適合本文的逆變控制系統(tǒng)。選擇它作為本系統(tǒng)主控芯片的原因有以下幾個:=1\*GB2⑴它應用的是精簡指令集，所以運算速度快，能滿足本系統(tǒng)的要求。=2\*GB2⑵它自身集成了一個10位的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而省去了外加ADC轉(zhuǎn)換器帶來的成本升高系統(tǒng)不穩(wěn)定的缺點。=3\*GB2⑶它能支持ISP在線編程即無需更換芯片即可使系統(tǒng)升級。3.2.3DAC轉(zhuǎn)換器圖3-2MAX5154內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖MAX5154內(nèi)部的運算放大器增益可以設(shè)置成1或2。還可設(shè)置成單極性或雙極性輸出電壓。MAX5154利用1個帶有單電源供電的運算放大器“倒轉(zhuǎn)的”R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)，將10位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號。由于電流輸出型A/D轉(zhuǎn)換器的REFIN引腳是運算放大器求和的連接點或虛地。然而，相對參考電壓來說這種應用會導致輸出電壓反向，MAX5154的拓撲使得輸出的極性與參考電壓輸入極性相同。上電時，內(nèi)部復位電路使DAC寄存器復位為零，此外，當CLR引腳保持低電平時，使寄存器都置零，CLR引腳的工作異步并獨立于片選CS端。此外，MAX5154內(nèi)部帶有2.048V的電壓基準源，可以作為A/D采集單元的參考電壓。3.2.4D/A轉(zhuǎn)換器與單片機的光電接口電路圖3-3DAC與MCU之間的光電接口電路為保證轉(zhuǎn)換的精度并減少接線D/A轉(zhuǎn)換選用串行12位D/A轉(zhuǎn)換器MAX5154。該芯片具有功耗低，抗干擾等優(yōu)點，廣泛適用于工業(yè)過程控制、自動測試、智能儀器儀表等領(lǐng)域。MAX5154是雙通道，12位分辨率，電壓輸出的D/A轉(zhuǎn)換器，每路DAC都由輸入寄存器和DAC寄存器組成的雙緩沖輸入。此外，MAX5154是與SPFQSPI和Microwire串行接口兼容的三線串行接口，在系統(tǒng)中MAX5154作為接受器件，由單片機發(fā)出的片選信號、輸入數(shù)據(jù)，在芯片內(nèi)串行控制的作用下，將串行信息首先輸入16位移位寄存器。在過程控制中，由于被控對象往往處在較強的噪聲環(huán)境中，因此，為確保系統(tǒng)可靠地工作，采用光電隔離的方法，切斷單片機與外設(shè)之間的公共地線進入單片機系統(tǒng)。一般來說，可采用數(shù)字隔離及在I/O與D/A之間進行隔離。具體做法是用鎖存器對地址信號、控制信號、數(shù)據(jù)信號進行鎖存，在通過光耦器件對信號進行隔離，然后用這些信號對D/A芯片進行操作，完成多路開關(guān)的選通，完成D/A轉(zhuǎn)換。這種方法可靠、方便、經(jīng)濟，不影響D/A的精度和線性度。電路如圖3-3所示[13]。3.2.5晶閘管通用觸發(fā)電路CA6100為了保證三相橋式晶閘管主電路的正常工作，晶閘管的觸發(fā)電路應滿足下列要求:(1)在三相電路中，必需上下橋臂至少要有一相晶閘管導通，否則不能構(gòu)成電流的通路。(2)為了保證電路起始工作時兩個晶閘管能夠同時導通，并且在并網(wǎng)時控制角較大時，仍能保證不同相的上下橋臂的兩個晶閘管同時導通，本系統(tǒng)采用寬脈沖(>60°)觸發(fā)電路。(3)各觸發(fā)電路應與相應的網(wǎng)側(cè)交流電壓相序一致，并且保持同步。傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)電路是KC、KJ小規(guī)模集成電路。他們的基本控制思想都是利用將同步正弦波信號處理后得到的三相鋸齒波與直流控制信號相比較，以獲得相移信號的參考點。比較信號中小的干擾就可能造成較大的相移誤差，因而電路的可靠性和自動平衡能力較差。CA6100通用三相晶閘管觸發(fā)板則完全脫離了前述的控制思路，它利用鎖相環(huán)技術(shù)、根據(jù)壓控振蕩器(VCO)鎖定的三相同步信號之間的邏輯關(guān)系設(shè)計出的晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。CA6100電路是以40芯CMOS大規(guī)模集成電路(專用芯片)為核心，利用鎖相環(huán)技術(shù)(PLL)和多芯片合成技術(shù)(MCM)，根據(jù)壓控振蕩器(VCO)鎖定的三相同步信號間的邏輯關(guān)系設(shè)計出的一種晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。0-5V的直流輸入電壓信號，可以控制輸出脈沖的移相從5-175度可調(diào)。用計算機送出的D/A信號控制大功率晶閘管的工作。三相晶閘管逆變器可以通過改變晶閘管的逆變角β的大小來調(diào)節(jié)逆變器輸入的直流電壓和逆變輸出的交流電流的有效值。而整流器是控制它的觸發(fā)角a來控制防止直流母線上電壓過載。系統(tǒng)把從主電路上采集來的數(shù)字反饋信號值和給定值進行差分比較再通過數(shù)字PID算法得到輸出為0-5V的信號電壓給三相晶閘管觸發(fā)電路CA6100，CA6100即可實現(xiàn)把電壓值轉(zhuǎn)換為相應的晶閘管觸發(fā)角并對晶閘管進行觸發(fā)導通，從而達到對整流器和逆變器的控制。觸發(fā)電路只要由以下幾個部分構(gòu)成:相位基準電路，緩沖放大器，鎖相環(huán)，缺相檢查及禁止電路，相序檢測，監(jiān)控電路，脈沖放大電路和脈沖放大器。其結(jié)構(gòu)原理如圖3-4所示:緩沖放大控制電路緩沖放大環(huán)路濾波器A環(huán)路濾波器計數(shù)器VCO檢相器B計數(shù)器VCO檢相器C禁止接口禁止接口邏輯陣列相序檢測邏輯陣列相序檢測觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖圖3-4CA6100晶閘管觸發(fā)結(jié)構(gòu)原理圖3.2.6主電路的信號檢測為了有效的檢測到主電路的輸出電壓、電流，需要對整流后直流電壓、電流，交流網(wǎng)側(cè)三相輸出電壓、電流進行信號采樣。在許多實際系統(tǒng)中，主電路的電流數(shù)值較大，為便于測量和控制，就需要將大電流信號轉(zhuǎn)換為小電流信號，常用的元器件有分流器、霍爾電流傳感器和電流互感器。分流器相當于功率較大的采樣電阻，應用時串聯(lián)在主回路中而從其兩端輸出小的電壓信號，對應分流器的額定電流一般輸出為75mA。因此輸入與輸出之間沒有電的隔離，而且輸出信號一般經(jīng)過放大之后再進行控制。霍爾電流傳感器輸入輸出之間具有良好的電隔離，被測信號的頻率范圍較寬，測量結(jié)果具有良好的精確度和線性度，但是正常工作時需要外接直流穩(wěn)壓電源，且一般為正負雙電源。普通的電流互感器原理如圖3-5所示，輸入與輸出之間具有良好的電隔離，在規(guī)定的工作頻率下有較高的精確度。額定二次電流一般為5A，少數(shù)有1A、0.5A、1A。正常工作時在副邊接測量回路(測量儀表)或保護回路(接繼電器)，運行在近似短路狀態(tài)。其主要參數(shù)有:=1\*GB2⑴電流比額定電流比:K1n=I1n/I2n=N2/N1=2\*GB2⑵負荷和容量額定負荷一般很小，不超過幾歐姆。=3\*GB2⑶額定電壓其誤差ε的計算公式為:ε=KZ02/N22Sμ=K(Z2+Z)/N22Sμ(3-1)式中，K一常數(shù);Z2一二次繞組內(nèi)阻抗;Z一二次負荷阻抗;Z02一二次回路總阻抗;N2一二次繞組匝數(shù);S一鐵心截面;μ一鐵心磁導率II1I2R被測線路圖3-5電流互感器原理圖對于直流側(cè)輸出電壓，采用分壓比為100:1的專用分壓器進行降壓，再通過霍爾電壓傳感器KV10A/P進行采集。KV10A/P模塊是磁平衡式電流傳感器，利用霍爾效應，采用磁補償原理，被測回路與輸出回路絕緣，輸出電流正比于被測電壓。二次電流采集則采用回路串電阻的方式，采樣電阻采用1Ω/5W的功率電阻，同時在電阻兩端并聯(lián)無極性電容和快速恢復二極管作為保護電路，防止反應器放電時出現(xiàn)電壓尖峰，對控制系統(tǒng)造成損害。對于交流側(cè)輸出電壓，采用380V/5V的變壓器進行降壓，并實現(xiàn)了電源主電路和控制系統(tǒng)的隔離。對于一次電流的檢測，則選用DELIXI的LMZJI一0.5系列電流互感器，其電流比為150A/5A，再通過調(diào)理電路接入ATmega16的ADC轉(zhuǎn)換器。采樣輸入調(diào)理電路主要作用是把采樣反饋回來的信息通過隔離變壓器與控制系統(tǒng)進行隔離，再通過精密整流電路整流，運算放大電路進行成比例的縮放到0一5V穩(wěn)定的直流電壓信號，輸出給MCU的ADC轉(zhuǎn)換器，可以說信號調(diào)理電路起著傳感器和ADC轉(zhuǎn)換器之間紐帶的作用。如圖3-6所示為本設(shè)計中信號調(diào)理電路的電路原理圖。圖3-6交流采樣調(diào)理電路原理圖3.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)主程序流程圖如圖3-7所示:上電復位上電復位數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析初始化MCU,ADC,DAC,定時器初始化MCU,ADC,DAC,定時器數(shù)字濾波開中斷數(shù)字濾波開中斷關(guān)閉脈沖輸出是否故障？等待中斷是關(guān)閉脈沖輸出是否故障？等待中斷是否中斷？否否是否中斷？PID調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)輸出信息給ADC是輸出信息給ADC啟動ADC采集電壓，電流信息啟動ADC采集電壓，電流信息返回返回圖3-7系統(tǒng)軟件流程圖系統(tǒng)上電復位后進行初始化，包括MCU的I/O設(shè)置、ADC模塊定時器的設(shè)置，其中定時器中斷時間周期設(shè)置為A/D采樣周期。初始化完畢后，開中斷，等待中斷。響應中斷后，根據(jù)中斷向量寄存器的值判斷中斷類型。如果中斷為定時器中斷，則啟動ADC模塊，采集各路電壓、電流信號并進行數(shù)據(jù)分析。如果數(shù)據(jù)分析表明系統(tǒng)發(fā)生故障(包括過壓、過流、缺相等)，進入故障處理程序，關(guān)閉脈沖輸出，使主電路停止工作如果數(shù)據(jù)分析表明系統(tǒng)工作正常，則根據(jù)參數(shù)設(shè)置進行PID計算，調(diào)節(jié)輸出脈沖的相角，達到閉環(huán)控制使母線上電壓穩(wěn)定在給定值上。3.3.1PID算法PID控制是一種線性控制算法，根據(jù)給定與實際值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合達到控制目標。比例控制可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，積分控制可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微分控制可以減小調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。PID算法分為位置型和增量型，由于位置型PID需要用到各采樣時刻的偏差值，計算復雜，且需要占用內(nèi)存。而增量型PID有誤動作小、易于實