风力发电机晶闸管并网逆变器的研究学士学位毕业论文.docx
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风力发电机晶闸管并网逆变器的研究学士学位毕业论文
毕业设计
题目：
风力发电机晶闸管并网逆变器的研究
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
毕业设计（论文）任务书
电气与信息工程学院电气工程及自动化专业082班级学生娄腾飞
毕业设计（论文）题目：
风力发电机晶闸管并网逆变器的研究
完成期限：
从2012年02月20日起到2012年06月11日
课题的意义及培养目标：
随着环保问题的日益突出，能源供应的渐趋紧张，风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式，已越来越受到世界各国人民的欢迎和重视。
同时，风力发电又是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一。
因此，近几年来，我国的风力发电事业得到了很快的发展。
本课题以目前风力发电系统中较普遍使用的MW级风力发电机为研究对象，主要研究用晶闸管作为电力电子变换元件实现风力发电系统的单机并网方案和风电场集中并网方案。
各设计一套论证充分的并网方案，最后在通过实践验证其可行性。
经过本系统的设计实践，使学生可以很好的与目前的先进工程实践接轨。
使所学的专业课及专业基础课的知识由理论转向实践，使所学的文化知识得到较好的实际应用和验证提升学生进入社会适应工程工作环境的能力。
设计（论文）所需收集的原始数据与资料：
所需的资料、参考书籍如下：
1、电机及拖动基础（主要是同步发电机部分），电力电子技术，电力拖动自动控制系统，电器控制及PLC等技术书籍
2、风力发电机组的并网技术。
3、风电场的并网技术。
4、风电并网的可靠性分析。
课题的主要任务（需附有技术指标要求）：
1、熟悉风力发电机的原理。
2、在掌握电力电子变流技术的基础上研究单机的并网技术。
3、在单机并网技术基础上，研究风电场的并网技术。
5、在设计完成后，通过实践去验证可行性。
设计进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：
周次
设计（论文）任务及要求
1-3
复习电器控制及PLC、电力电子技术等课程学习的知识；
4
熟悉同步发电机的运行技术；
5-6
整理资料，学习MATLAB仿真软件的使用；
7-11
应用所学习掌握的有关风力发电技术知识，论证单机并网技术和风电场并网技术。
12-13
实际论证所做设计的合理性并作论文前期整理工作；
14-17
论文定稿，印制，做答辩准备。
学生：
日期：
指导教师：
日期：
教研室主任：
日期：
风力发电机晶闸管并网逆变器的研究
摘要
本课题以目前风力发电系统中较普遍使用的MW级风力发电机为研究对象，主要研究用晶闸管作为电力电子变换元件实现风力发电系统的单机并网方案和风电场集中并网方案。
本文首先对并网型风力发电机组的工作原理、组成和分类进行了介绍。
接着对用IGBT和SCR为主开关管逆变器在结构、性能以及优缺点进行了比较。
然后对晶闸管有源逆变器的主电路以及各器件参数进行了设计和逆变器电磁兼容的设计，并介绍基于数字PID的控制系统的数字流程图。
最后本文就晶闸管变流器的最大问题谐波和无功做出了详细的分析，并提出了谐波和无功的补偿办法。
关键词：
风力发电机，大功率变流，晶闸管，数字PID调节，谐波及无功补偿
TheResearchofWindPowerGeneratorSCRGrid-connectedInverter
ABSTRACT
InthispapertheMWgradewindturbinegeneratorcommonlyusedistheresearchobject,whichmainresearchthyristoraspowerelectronicconversionelementtoachievestand-aloneandnetworksolutionsforwindpowergenerationsystemandwindelectricfieldconcentrationandnetprograms.Firstly,grid-connectedwindturbineworkingprinciple,compositionandclassificationareintroduced.Secondly,theIGBTandtheSCRswitchinverterarecomparedinthestructure,properties,advantagesanddisadvantages.Andathyristorforactiveinvertermaincircuitandthedeviceparametersareproposed.Then,theinverterEMCisdesigned,andthecontrolsystemofdigitalchartbaseddigitalPIDisintroduced.Finallythisarticlemakesadetailedanalysisonthebiggestproblemofthyristorconverterinharmonicandreactivepower,andputsforwardtotheharmonicandreactivepowercompensation.
KEYWORDS：
windturbines，powerconverter，SCR，figuresPIDregulator,harmonicandreactivepowercompensation
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1风力发电的应用现状及前景展望1
1.1.1风力发电的现状1
1.1.2风力发电的前景展望1
1.2我国风电发展概况2
1.3大型并网风电场接入电力系统的现状及主要问题3
1.3.1并网型风力发电机组3
1.3.2风电场与常规能源电厂主要区别4
1.3.3并网存在的主要问题4
1.4风力发电机的并网方式5
1.4.1直接并网5
1.4.2双馈并网5
1.4.3直驱并网6
1.5直驱并网风机变流器的主要形式6
1.5.1二极管整流+晶闸管有源逆变7
1.5.2晶闸管整流+晶闸管有源逆变7
1.6本章小结7
2主电路设计9
2.1主电路原理9
2.1.1主电路工作原理9
2.1.2基本数量关系10
2.1.3逆变颠覆及其防止11
2.1.4换流重叠现象12
2.2控制系统概述13
2.3大功率晶闸管有源逆变器的硬件组成14
2.3.1有源逆变器的系统构成14
2.3.2三相晶闸管逆变触发15
2.4主电路设计15
2.4.1主变压器参数的计算15
2.4.2晶闸管参数的计算16
2.4.3瞬态抑制电路参数计算16
2.4.4快速熔断器的参数选择18
2.5本章小结18
3控制系统的实现18
3.1控制系统设计19
3.1.1控制系统功能描述19
3.1.2ATmega16单片机特性简介19
3.2控制系统硬件设计20
3.2.1控制系统硬件结构原理20
3.2.2主控芯片的功能20
3.2.3DAC转换器21
3.2.4D/A转换器与单片机的光电接口电路21
3.2.5晶闸管通用触发电路CA610022
3.2.6主电路的信号检测23
3.3控制系统软件设计25
3.3.1PID算法26
3.3.2数字PID闭环控制28
3.3.3增量式PID算法程序流程图28
3.3.4数字滤波29
3.4本章小结30
4系统的电磁兼容设计31
4.1系统存在的电磁兼容问题31
4.2系统硬件电磁兼容设计31
4.2.1硬件抗干扰分析31
4.2.2硬件抗干扰设计32
4.2.3电路板的电磁兼容性设计32
4.3系统软件电磁兼容设计34
4.3.1软件抗干扰设计考虑的问题34
4.3.2系统中软件抗干扰的措施35
4.4本章小结36
5谐波抑制与无功补偿37
5.1无功及谐波的危害37
5.1.1谐波的危害37
5.1.2无功功率的影响37
5.2有源逆变器的无功及谐波分析38
5.2.1无功及谐波的分析38
5.2.2谐波抑制的方法39
5.2.3无功补偿的方法39
5.2.4无功补偿电容器和LC滤波器40
5.3系统的谐波补偿41
5.4本章小结43
6结论44
致谢45
参考文献46
附录47
1绪论
论文直接针对新能源课题中的MW级变速恒频风力发电机组电控系统的研制这一研究项目，主要研究用晶闸管作为电力电子变换元件实现风力发电系统的单机并网方案和风电场集中并网方案。
1.1风力发电的应用现状及前景展望
1.1.1风力发电的现状
⑴风电成本逐年降低
尽管风电成本受很多因素的制约,但其发展趋势是逐渐降低的。
随着风电技术的改进,风电机组越来越便宜和高效。
增大风电机组的单机容量就减少了基础设施的费用,而且同样的装机容量需要更少数目的机组,这也节约了成本。
随着融资成本的降低和开发商的经验日益丰富,项目开发的成本也相应得到降低。
风电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成本。
⑵海上风电悄然兴起
海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域,使得近海风电技术成为近来研究和应用的热点。
多兆瓦级风电机组在近海风电场的商业化运行是风能利用的新趋势。
到2003年末,围绕欧洲海岸线,海上风电总装机600MW,集中在丹麦、瑞典、荷兰和英国。
1.1.2风力发电的前景展望
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，其在地球上蕴量巨大。
全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
风很早就被人们利用主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风能来发电。
风力发电机组技术的发展经历了从多种结构形式逐步向少数几种过渡的过程。
20世纪80年代初期，市场上有上风向式和下风向式；风轮主轴有水平的和垂直的；风轮叶片数有三个﹑两个﹑甚至一个的；叶片材料有木头的和玻璃钢的。
到现在只剩下以水平轴﹑上风向﹑三叶片的机组为主，其中又有定桨距和变桨距风轮，定转速和变转速发电机，有齿轮箱和无齿轮箱等几种。
2009年全球风电产业在去年全球经济危机的冲击下逆势上涨31％，新增装机容量为3.75万兆瓦，将总装机容量推升至15.79万兆瓦。
全球风电装机总量预计在未来五年增加两倍至44700万千瓦，且可能在十年内扩大至近100000万千瓦。
2009年，中国的涨幅引领全球风电产业，其新增装机容量超过100％，从2008年的1.2万兆瓦上涨到2009年底的2.51万兆瓦，新增装机容量达到1.3万兆瓦。
同年，美国风电产业的涨势也强劲，其新增装机容量上涨39％，约为1万兆瓦，总装机容量达到3.5万兆瓦。
欧洲新增装机容量上涨1.053万兆瓦，达到7.61万兆瓦。
其中，西班牙新增容量达到2460MW，德国达到1920MW。
以欧美等发达国家为代表，全球风电呈现出规模化的发展态势。
据预测，未来五年，全球风电仍将保持20％以上的增长速度。
截止2011年底，全球风电装机容量已达到2.4亿。
最后，从政策上来了解各国对发展风力发电的态度。
为促进风力发电的发展，世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策，主要包括有:
投资补贴、低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、从电费中征收附加基金用于发展风电、减排C02奖励等。
欧洲的德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶持、直接补贴的措施发展本国的风力发电事业;美国通过金融支持，由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业;印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流来发展风力发电事业;日本采取的措施则是优先采购风电。
多种多样的优惠政策促进了各国风力发电的快速发展。
1.2我国风电发展概况
我国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。
经过初期发展﹑单机分散研制﹑示范应用﹑重点攻关﹑实用推广﹑实用化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究﹑设计制造，还是试验﹑示范﹑应用推广等方面均有了长足的进步和很高的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益。
截至2009年底，全国累计生产离网型风力发电机组18万多台。
1986年4月，中国第一个风电场在山东荣成并网发电，3台55KW机组是由航空部和山东省由丹麦引进的，同年10月作为国际科技合作项目，利用比利时政府赠送的4台200KW机组建成平潭示范风电场。
从1989年起全国各地陆续利用外国政府赠送或优惠贷款引进机组建设风电场，装机容量逐年增加，2000年底全国共有26个风电场，装机容量达到34.3万千瓦。
1997年当年装机超过10万千瓦，达到一个高峰。
2003年以后中国风力机进入了快速发展时期。
2009年中国成为第一大风电装机市场，新增装机容量为1375万千瓦，增长率连续6年超过100％，成为增长速度最快的国家。
累积装机容量达到2580万千瓦，超过德国，位列全球第二。
2009年我国的兆瓦级风力机占据了市场的主导。
2008年新增装机的单机平均容量为1.2MW，而2009年的数字变成了1.3MW，并且去年兆瓦级风力机的市场份额占到了86％，其中67％在1.5MW以上。
截至2009年底，我国风电并网总容量达1613万千瓦，同比增长92.26％.其中，2009年风电电量为269亿千瓦时，同比增长105.86％，占总电量的0.75％。
我国已建立起了两百多个风电场，风电场的迅速发展带动了风能产业的发展和风能技术的进步，我国已能自行研制兆瓦级风力发电机组，最大功率达到3.0MW，并且开始规划海上风电项目。
我国风力发电行业发展前景广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。
在“十二五”期间，我国风力发电新增装机速度仍将继续保持较快增长，风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域已成为投资热点，市场前景很好。
预计到2020年，将在新疆﹑甘肃﹑内蒙古﹑河北﹑东北以及江苏沿海等地建立6个千万千瓦风电基地，在河北﹑内蒙古﹑辽宁等地建立若干百万千瓦风电基地。
1.3大型并网风电场接入电力系统的现状及主要问题
1.3.1并网型风力发电机组
并网型风力发电机组可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。
恒速恒频风力发电系统的基本结构是自然风吹动风力机,经齿轮箱升速后驱动异步发电机将风能转化为电能。
目前国内外普遍使用的是水平轴、上风向、定桨距（或变桨距）风力机,其有效风速范围为3～30m/s,额定风速一般设计为8～15m/s,风力机的额定转速大约为20～30r/min。
变速恒频风力发电系统的发展依赖于大容量电力电子技术的成熟,从结构和运行方面可分为直接驱动的同步发电机系统和双馈感应发电机系统。
在风力机直接驱动同步发电机构成的变速恒频发电系统中,风力机直接与发电机相连,不需要齿轮箱升速,发电机输出电压的频率随转速变化,通过交-直-交或交-交变频器与电网相联,在电网侧得到频率恒定的电压。
双馈感应风力发电机组的基本结构包括绕线式异步发电机、变频器和控制环节,其定子绕组直接接入电网,转子采用三相对称绕组,经背靠背的双向电压源变频器与电网相连,给发电机提供交流励磁,励磁频率即为发电机的转差频率。
变速恒频风力发电机组实现了发电机转速与电网频率的解耦,降低了风力发电与电网之间的相互影响,但是它的缺点是结构复杂、成本高、技术难度大。
但随着电力电子技术的发展,变速恒频风力发电技术也将进一步成熟。
特别是双馈感应发电机,不仅改善了风电机组的运行性能,而且大大降低了变频器的容量,至今已逐渐发展成风力发电设备的主流。
恒速恒频风力发电系统具有结构简单、成本低、过载能力强以及运行可靠性高等优点,是过去几年主要的风力发电设备。
但是在恒速恒频风力发电系统中,一方面,风电机组直接与电网相耦合,风电的特性将直接对电网产生影响,另一方面,其发电设备为异步发电机,它的运行需要无功电源的支持,加重了电网的无功负担,使系统的潮流分布更加复杂。
因此它的并网运行将给系统的规划、设计和运行带来许多不同于常规能源发电的新问题,随着风力发电规模的不断扩大,这些问题将愈加突出。
1.3.2风电场与常规能源电厂主要区别
风电场运行与常规能源发电厂相比在很多
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