直驱式风力发电PWM整流电路设计硬件王汐Word下载.docx
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TMS320F2812
ABSTRACT
Directdrivingtypewindturbineisadrivendirectlybytherotorofwindpowergeneratorunit,alsosaynogearwindpowergeneratorsintraditionalrectifier,withusealwaysexistedoutputcurrentharmoniccontentishigher,theoutputpowerfactorislow,isoneofthemaingridharmonicspollutionsources.ThePWMrectifiertechnologycaneffectivelyimprovethesituation.PWMrectifiertechnologyenablesnetworksidecurrentsinusoidalrectifieroperatingintheunitofpowerfactorandthestate,eliminatingthedrawbacksoftheconventionalrectifier,therectifiertechnologytopromotelong-termdevelopmenthasbeenextensiveresearchandengineeringapplications.
Thisarticlefocusonthethree-phasevoltagesourcePWMrectifierlaunchedresearch,detailedanalysisofrectifyingthethree-phasePWMconverter3-phasebalanceintheinputvoltageofthemathematicalmodel,whenworkingprinciple;
Researchtheinductanceandcapacitanceparameterdesignmethod;
Basedonadeepresearchoncurrentrotatingcoordinatesystem,andthedecouplingcontrolalgorithmPSIMsimulated,andtheaccuracyofthisalgorithmwasverified,thevoltageisdesignedonthebasisofSVPWMcurrentdoubleclosedloopcontroller.TakeTMS320F2812DSPasthekernelbuildhardwarecircuit,solvethewindgeneratordirectdrivingtypetogridtransmissionefficiency,lowpowerpollutionproblems.Innovationinthecontrolmethod,usingexperimentsprovetheDSPcontrolPWMrectifiercaneffectivelyrestrainharmonicsintopowergrid.AndthecontrolmethodofPWMrectifiertestifiedexperimentally.
Experimentresultsshowthatthedesignofthethree-phasePWMconvertercontrolsolutions,andtheoreticalanalysisiscorrect.Basedontheexperimentalresultsshowthat:
thecurrentrotatingcoordinatedecouplingcontrolalgorithm,canmakethree-phasevoltagesourcerectifiersystemtorealizehighpowerfactorrectifier,gridsidephasevoltage,currentbasicphasewithfastspeed,currenttracking,gooddynamicandstaticcontrolcharacteristic.
KeyWords：
DSPcontrol;
PWMcontrol;
Directdrivingtypewindpower;
DIP-IPM;
第一章概述
1.1直驱式风力发电机概况
直驱式风力发电机，是一种由风轮直接驱动发电机的风力发电机组，亦称无齿轮风力发电机组，这种风力发电机采用多极发电机与风轮直接连接进行驱动的方式，免去了齿轮箱这一传统部件。
由于目前在某些兆瓦级风力发电机组中齿轮箱是容易过载和损坏率较高的部件，而无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱磨损问题而造成的机组故障，可有效提高系统运行的可靠性和寿命，减少维护成本，因而得到了市场青睐。
此外，直驱式风电系统主要采用全功率变流技术，该技术可使风轮和发电机的调速范围扩展到0%～150%的额定转速，提高了风能利用范围。
且全功率变流技术对低电压穿越技术有很好的解决途径，为直驱式风力发电机进一步发展增加了优势。
对于直驱式风力发电机的研究，国外从20世纪90年代就开始了。
1992年，德国ENERCON公司开始研制直驱式励磁风力发电机组。
1997年，世界风力发电机市场上出现了该公司开发的E-33、E-48、E-70等型号的直驱式励磁变速变桨距风力发电机组。
这些容量330kW～2MW的高产能、运行维护成本低的先进机型的优点逐渐显露，引起了风电场开发商的青睐。
2004年以来，直驱式风力发电机的年安装量逐年增加。
目前，德国ENERCON公司研制的直驱式励磁风力发电机组已有多个品种，最大功率已达到7MW，该公司生产的直驱式励磁风力发电机组，在2009年占据德国风电市场55%以上的份额。
荷兰Largewey风电公司现在也开始生产2MW的直驱风力发电机组，并已经进入欧洲市场。
近来，德国西门子公司开发了3.6MW直驱同步风力发电机组样机和3MW直驱同步风力发电机组，技术可利用率达98%。
我国的中小型风力发电机组，从100瓦到100千瓦都是直驱风力发电机组，2009年中小型直驱风力发电机组产量约10万台。
到目前为止，中小型直驱风力发电机组已经累计生产约60万台，是世界上生产、应用最多的国家。
在大型并网风力发电机组开发领域，我国也拥有世界领先的直驱风力发电机组制造技术。
2009年，我国新增大型并网直驱风力发电机组装机容量约240万千瓦，而德国新增直驱励磁风力发电机组装机容量约115万千瓦。
因而，我国是2009年全球安装大型直驱式风力发电机组最多的国家。
现今，我国有19家企业在从事大型并网直驱风力发电机组的研发生产，也是全球大型并网直驱风力发电机组生产企业最多的国家。
我国在1.5MW直驱机组已经实现大批量生产的基础上，又推出2.5MW直驱机组，已经完成五台样机的安装，目前已进行6.0MW直驱风力发电机组研制项目。
1.2直驱风力发电机组特点
直驱风力发电机有以下几个方面优点：
（1）发电效率高：
直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著。
（2）可靠性高：
齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。
同时，机组在低转速下运行，旋转部件较少，可靠性更高。
（3）运行及维护成本低：
采用无齿轮直驱技术可减少风力发电机组零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。
（4）电网接入性能优异：
直驱风力发电机组的低电压穿越使得电网并网点电压跌落时，风力发电机组能够在一定电压跌落的范围内不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行。
直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。
同时，为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构变得非常复杂，体积庞大，需要进行整机吊装维护，且材料及稀土的使用增加了一些不确定因素。
1.3我国直驱型风力发电机组制造概况
近年来，我国参与直驱风力发电机组研发的企业数量逐年增加。
截至2010年8月底，国内直驱型风力发电机组制造商已经达到19家，其中，国有、国有控股公司10家，民营制造企业5家，合资企业3家，外商独资企业1家。
根据企业的产品产业化落实程度，大致可分为以下四种类型：
第一类：
产业化落实程度很好，已具备大批量生产能力的风力发电机组制造企业。
如：
新疆金风科技股份有限公司、湖南湘电风能有限公司；
第二类：
产业化落实程度较好，产品已成功投入运行并已小批量生产的风力发电机组制造企业，如：
内蒙古航天万源风机制造有限公司、东方电气新能源设备（杭州）有限公司、潍坊瑞其能电气有限公司等；
第三类：
产品样机已投入运行试验，产业化工作正在进一步落实的风力发电机组制造企业，如：
哈尔滨风电设备股份有限公司、上海万德风力发电股份有限公司、广西银河艾万迪斯风力发电有限公司等企业；
第四类：
正在进行样机研制或试验的企业，
江苏新誉风力发电设备有限公司、山东鲁科风电设备有限公司等。
（1）直驱风力发电机组配套部件制造企业概况
随着国内直驱式风力发电机组市场需求的扩大，直驱风力发电机组关键部件配套生产企业有了较快的发展，风电设备制造和配套部件专业化产业链正逐步形成：
发电机制造企业有：
永济电机厂有限公司、株洲南车电机股份有限公司、湘潭电机有限公司、大连天元电机公司和金风科技等，基本能够满足国内直驱风力发电机组市场需要。
生产叶片的企业在国内已有50多家，其中已经批量生产的企业有：
中航（保定）惠腾风电设备有限公司、中材科技公司、连云港中复连众复合材料集团、北京玻璃钢研究院和天津LM公司等，其它企业正在建设或试制中。
目前，国产风力发电机组叶片基本能够满足国内风电产业发展的需要。
目前全功率的变流器主要采用ABB公司和奥地利Windtec等国外公司生产的设备。
现在国内已有金风科技、北京科诺伟业科技有限公司、北京景新电气公司、株洲时代集团、永济电机厂有限公司和哈尔滨九州电器等企业在研制生产大型直驱风力发电机组的全功率变流器。
2010年2月，大全集团与海军工程技术大学联合组建的“国家能源新能源接入设备研发（实验）中心”研发的2MW级直驱风力发电变流器通过鉴定，填补了国内空白，该变流器应用在湘电股份有限公司的风机上。
国内生产变桨和偏航轴承的企业有：
洛阳轴承集团技术中心有限公司、瓦房店轴承集团有限责任公司和徐州罗特艾德回转支承有限公司。
这些公司也在试制主轴轴承，但没有经过长期运行考验。
大部分公司还采用国外SKF和FAG的产品，但供货周期比较长，对风力发电机组产能会有一定影响。
（2）国内并网直驱型风力发电机组的技术来源
根据对国内正在制造和生产的风力发电机组的调查分析，其主要技术来源大致可分为以下四类：
与国外设计技术公司联合设计，在国内进行制造和生产，如：
金风科技与德国Vinces联合设计的1.5MW直驱风力发电机组，现在已在国内大批量生产和供货。
还有东方电气新能源设备（杭州）有限公司与英国公司联合设计的1.5MW直驱风力发电机组，现在这家公司的产品已经有小批量生产；
与国外公司合资，引进国外成熟技术在国内进行生产。
例如湘电风能、广西银河艾万迪斯风力发电有限公司，2.5MW风机已在国内分别生产出产品样机；
采用国内大学和科技公司自主创新、自行开发的设计制造技术，在国内进行生产的风力发电机组。
例如上海万德的1.25MW和1.5MW机组、江苏新誉风力发电设备有限公司的2MW机组等都已经进入样机试制或试验阶段；
国外的风力发电机组制造公司在国内建立独资企业，将其成熟的设计制造技术，在国内进行生产。
荷兰联合能源公司的1.6MW机组就是采取这种方式进行生产的，目前已进入试制阶段。
1.4直驱风力发电机组发展前景
在直驱风力发电机组制造应用方面，我国新疆金风科技有限公司与德国Vensys公司合作研制的1.5MW直驱风力发电机组，到2009年底，已有1500多台安装在风电场。
湘潭电机公司研制的2MW直驱风力发电机组也已经在风电场批量投入运行，其他如：
广西银河艾迈迪、内蒙古航天万源、东方电气新能源、潍坊瑞其能、包头汇全稀土、江西麦德公司和山东鲁能等，制造企业也研制出了直驱风力发电机组。
2009年，我国新增大型风力发电机组中，直驱风力发电机组的市场份额已超过17%。
显然，直驱风力发电机组的市场份额会逐年增加，而且会成为海上风力发电机组的首选机型之一，2010年，我国直驱风力发电机组新增装机容量将占到大型风力发电机组装机容量的25%左右。
直驱风力发电机组与双馈式异步风力发电机组将并驾齐驱中国风电场、成为我国风电市场上的两大主流机型。
第二章系统的技术分析
2.1课题背景与意义
在传统的移相式变压器的使用中，因为整流装置的单相导电作用，会引起整流变压器交变磁场波形的畸变；
畸变的大小决定于直流容量占电网容量的比例和流入电网中的谐波电流的频率及谐波次数。
抑制谐波的有效办法之一是通过对整流变压器高压侧进行移相，这种办法基本上消除幅值较大的低次谐波。
传统的整流器由二极管或晶闸管组成，由于其控制简单，工作可靠，故作为电力电子设备与电网的接口在工业领域得到了广泛的应用。
然而这类整流器存在着以下的一些缺点[1-3]。
（1）输入电流谐波含量较高，成为电网主要的谐波污染源；
（2）从电网吸收无功功率，输入功率因数较低；
（3）能量单向传递，只能从交流侧传递到直流侧；
（4）直流侧电压不可调。
无论是二极管不控整流，还是晶闸管相控整流，其产生的低功率因数和高谐波含量都将导致电网正弦电压畸变，增加配电系统导线与变压器的损耗，增大谐波电流，造成电网上其它用电装置严重的电磁干扰[4]。
同时，低功率因数还将降低电源系统的负载能力和可靠性，因此，消除谐波污染并提高功率因数，已成为电力电子技术中的一个重大课题。
对电网来说，可以在电力系统中加入补偿器来补偿电网中的谐波，如有源滤波（APF:
AcTIvePowerFilter），静止无功补偿（SVC:
StaTIcVarCompensator）等，也可以设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流器。
前者是产生谐波后进行补偿，是一种事后补救的措施；
而后者是消除了谐波源，是一种从根本上解决谐波问题的措施。
PWM整流器对电网不产生谐波污染，是一种真正意义上的绿色环保电力电子装置。
PWM整流器的主要特点有：
（1）输入电流高度正弦化，谐波含量少；
（2）网侧功率因数控制（如单位功率因数控制）；
（3）电能的双向传输；
（4）较快的动态响应；
因此研制高性能的PWM整流装置具有重要的意义。
在中大功率场合特别是需要能量双向传递的场合中，PWM整流电路具有非常广泛的应用前景。
2.2整流和控制方式的选择
2.2.1PWM整流技术研究现状与发展
由于PWM整流器网侧电流正弦化且运行于单位功率因数状态，能量可双向传输，真正实现了“绿色电能变换”，因而近年来受到广泛的关注和研究，经过多年的发展，PWM整流器主电路已从早期的半控桥发展到如今的全控桥；
在主电路类型上既有电压型整流器（VoltageSourceRecTIfier-VSR），又有电流型整流器（CurrentSourceRecTIfier-CSR）。
其拓扑结构也已从单相、三相电路发展到多组级联或多电平拓扑电路，PWM控制也由单纯的硬开关调制发展到软开关调制。
由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，这一特性使PWM整流器控制技术及其应用获得进一步的发展和拓宽，渗透到了其它众多领域，如静止无功补偿（SVG）、有源电力滤波（APF）、统一潮流控制（UPFC），超导储能（SMES），高压直流输电（HVDC）、电气传动（ED）、新型UPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。
IGBT等新型电力半导体开关器件的出现和PWM控制技术的发展，极大地促进了PWM整流电路的发展，并使之进入了实用化阶段，目前已将其广泛应用于有源滤波器[5]、超导储能[6]、交流传动[7]、以及高压直流输电[8、9]等方面。
在我国，很多研究人员也展开了对PWM整流电路的研究，像电压型PWM整流器控制策略的研究[10-14]，整流器主电路拓扑的研究[15-18]，电流型整流器控制策略的研究[19]，但是主要以理论研究和实验室研究为主，虽然取得了一定进展，但是仍然不够完善，与产业化还有较大的距离。
从20世纪80年代末开始，国内外对PWM整流器的研究主要集中在数学模型、控制策略、拓扑结构、性能优化等方面，目前的研究重点主要集中在无电流传感器控制，非线性控制等控制策略，以及拓扑结构的改进方面。
PWM按输出滤波方式分为：
电流型和电压型
电流型PWM整流器输出端采用串联滤波电感以维持输出电流低纹波，具有近似电流源的特性。
电流型PWM整流器又称为Buck型整流器，如图2.1交流侧由L、C组成二阶低通滤波器，以滤除交流侧电流中的开关谐波；
直流侧接大电感，使直流侧电流近似为平滑的直流。
开关器件由可控器件与二极管串联组成扩以提高器件的反向阻断能力。
与电压型PWM整流器相似，电流型PWM整流器具有四象限运行的能力。
不足之处：
由于需要较大的直流储能电感，以及交流侧LC滤波环节所致的电流畸变、振荡等问题，使其电路结构和控制相对复杂，从而制约了电流型电路的应用和研究。
图2.1电流型PWM整流器的拓扑结构
电压型PWM整流器是以输出端并联滤波电容以维持输出电压低纹波，具有近似电压源的特性。
由于其电路结构简单，便于控制，响应速度快，目前研究及实际应用较多的是电压型电路，也是本文所选用的方案。
图2.2电压型PWM整流器的拓扑结构
2.2.2控制方式的选择
PWM整流器是应用脉宽调制技术发展起来的一种新型电源变流器。
其基本原理是通过控制功率开关管的通断状态，使整流器输入电流接近正弦波，并且电流和电压同相位，从而消除大部分电流谐波并使功率因数接近于1。
本文采用TI公司的TMS320LF2812DSP对整流器实现数字控制,这一方法相对于模拟控制具有以下优点：
（1）控制灵活在数字控制系统中，主要利用软件算法实现控制方案，相比于模拟控制较灵活；
（2）可靠性高微机系统由于采用元器件较少，信号全部采用数字处理，故受干扰小，可靠性高；
（3）故障分析容易信号检测将取得的信息寄存，具备记忆的能力，故容易实现故障诊断；
（4）参数设定简便可以使系统的调试工作变得很方便。
电压定向矢量控制策略需要旋转坐标变换，还包括3个闭环调节器，需要大量的计算，而DSP芯片TMS320F2812是具有包括A/D转换、PWM输出等丰富外设的高速数字处理芯片，主频可达150MHz，可以很好地满足大计算量，高实时性要求的控制系统。
基于以上考虑，本文采用了以DSP为核心的数字控制系统实现对整流器的控制。
2.3课题的目的和任务
本系统工作的外部环境不是一个稳定不变的环境，风力发电依靠风力，而风力是不断变化的。
所以要求本系统具有良好的自适应控制系统。
在理想状态下，风力发电机输出电压为28V/3相，发电机总的输出功率为300W，风力发电机输出电压频率为50HZ，发电机输出接入整流器。
经过由DSP控制的IGBT模块变换，整流器输出直流电压，额定值为24V，直流电压稳定度要求在1%以下。
本系统涉及的部分很广，从发电机到电网要经过整流和逆变两大部分。
整流和逆变部分都有独立的进行DSP控制，而两个DSP又由一块单片机控制，单片机负责对整流和逆变两部分工作状态的转换。
上文提到工作状态的不稳定性，所以系统必须工作在两个不同的稳态。
在风速大于发出额定电压时需要的风速时，整流器正常运行起整流作用，通过DSP对IGBT的控制，根据转速实时调整，保持输出为28V。
在风速不足的情况下，为了保证电网工作的稳定，需要从电网向风力发电机供电。
具体工作如下：
（1）对主电路模块、三相交流侧输入电感、直流侧电容进行研究设计，选定实验所使用的器件；
（2）以TMS320LF2812DSP为内核，设计控制电路，包括电压和电流采样电路，DSP内核的控制电路，用选定的IGBT，电容，电感完成主电路，搭建三相两电平PWM整流器实验平台，对电阻负载进行实验研究，并进行负载突变的实验研究：
（3）完成上述PWM整流器样机的测试和试验，并对试验结果进行分析。
本课题研究内容是基于DSP控制的PWM整流系统设计方案。
采用全数字的方法，使用高性能的DSP芯片，使系统在具有优良的动态控制性能的同时，还能拥有系统体积小，抗干扰能力强，集成度高等优点。
第三章系统设计方案
3.1PWM整流器主电路设计方案
图3.1PWM整流器控制系统结构图
系统的硬件结构框图如图3.1所示。
整个系统由主电路、控制电路以及信号采集电路3个子系统组成。
主电路包括滤波电感，功率开关器件和直流滤波电容，主要完成功率的变换，实现能量的双向流动；
控制电路采用以DSP为核心的数字化设计，这大大简化了硬件电路的设计，其主要任务是实现矢量控制算法并保证系统安全可靠运行，从而使网侧电流实现正弦化并与电网电压同相；
信号采集电路子系统包括网侧电压、电流的检测以及直流电压的检测，将强电信号转化为0-3.3v的和DSP芯片电平兼容的模拟信号。
主电路中的功率开关器件采用
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