完整版变速恒频风电机组交流励磁调节装置设计毕业设计.docx

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完整版变速恒频风电机组交流励磁调节装置设计毕业设计

毕业设计

设计题目：

变速恒频风电机组交流励磁调节装置设计

变速恒频风电机组交流励磁装置设计

摘要

目前，风力发电是我国政府正在大力发展的清洁能源，但风力发电有它自身的特点，就是风速是变化不定的。

要想得到人们想要的合格电能，就要对风电机发出的电进行变换，或对风电机本身进行改进。

但是，前者电力电子变换装置所需容量较大，电压和功率因数调节比较困难，近年电力电子技术的发展使对风电机本身的改进成为可能。

励磁装置的功能是实现风电机组的变速恒频运行，即发电机转子的转速是可变的，而发电机输出电压的频率是恒定的。

励磁装置采用IGBT组成三相桥式逆变电路，由它来给绕线式异步发电机提供励磁电流。

电机的转速通过测速发电机实时监测。

转速信号输入S7-200的模拟量输入模块，经计算从PLC输出脉冲串，再经过驱动放大，控制IGBT的开通与关断，使逆变电路输出符合期望的PWM波形，即符合转子三相合成旋转磁场旋转速度为同步转速的三相交流电。

根据运行状况，给风电机的励磁电流可以是直流也可以是交流。

在最大风速时，可以保证同步转速。

风速减小时，通过给转子绕组提供交流励磁，使风电机输出电压能保持50Hz。

这样就实现了风力发电机的变速恒频运行。

关键词：

风力发电变速恒频交流励磁IGBTPLC

TheDesignofACexcitationdeviceofVariablespeedandconstantfrequencywindpower

Abstract

Currently,windpoweriscleanenergyvigorouslydevelopingingovernmentofchina，butwindpowercharacteristics,thewindspeedisfluctuated.Togetqualifiedpowerpeoplewant，theelectricitywillbetransformedorimprovementofthewindturbineitself.However,theformerislargercapacityrequirementsforpowerelectronicconversiondevice，voltageandpowerfactorisdifficulttoadjust.However,duetothedevelopmentofpowerelectronicstechnologyinrecentyears，thewindturbineofimprovementsispossible.

Thefeaturesofexcitationdeviceistoachieverunningofvariablespeedandconstantfrequencyofthewindturbine.Variablespeedandconstantfrequency,therotorspeedofthewindturbineisvariable,whilethefrequencyofthevoltageofthegeneratorisaconstant.

Therefore,todesignadevicedifferentfromthepreviousexchangeexcitationdevice.ACexcitationdeviceisathree-phasebridgeinvertercircuit,byittoprovideexcitationasynchronousgenerator.Accordingtooperatingconditions,theexcitationcurrenttothemotorcanbeDCcanalsobeexchange.thesynchronousspeedcanbeguaranteed,whenthemaximumwindspeedismaximum.Windspeedisreduced,byprovidingACexcitationtotherotorwinding,theoutputvoltagecanmaintain50Hz.Thespeedofmotorismaintainedthroughthetachometergeneratorreal-timemonitoring.Speed​​signalwillinputanaloginputmoduleofPLC,calculating,thenafterdrivingtoenlarge,tocontroltheopeningandturn-offingofIGBT.FinallytheinverteroutputPWMwaveformsexpected.Thewindturbine'svariablespeedconstantfrequencyoperationisachieve.

Keywords:

windpowervariablespeedconstantfrequencyACexcitationIGBTPLC

1引言

1.1目的及意义

风力发电就是将风能经由机械能转换为电能的过程，其中整个系统的核心部分是负责将机械能转换为电能的风力发电机及其控制系统，这部分的运行状况直接影响着整个系统的性能。

因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率的控制系统和供电性能良好的发电机系统，是广大科技工作者对风力发电技术的探索重点。

在风力发电技术方面，目前世界上流行的风电技术大体上可分为恒速恒频风力发电技术和变速恒频风力发电技术两大类。

由于恒速恒频风力发电系统在实现最大风能捕获、刚性机电耦合和电网稳定运行等方面存在的缺陷，逐渐退出了风力发电领域。

变速恒频发电是从20世纪70年代发展起来的一种新型发电方式，它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制之中，获得了一种全新的、高质量的电能获取方式。

相对于恒速运行方式，变速运行具有风能转换效率高、机电耦合柔性连接、功率因数可调、励磁变换器容量小等特点。

从而在风力发电系统中，变速恒频风力发电方式占据了主导地位并引领了风力发电的发展方向。

在实现变速恒频的众多方法中，近年来国内外比较关注的是交流励磁变速恒频风力发电系统，其中尤以交流励磁发电机应用最为广泛。

而对于在该系统中的励磁电源装置，可以是交交变频器、交直交型双PWM变换器，也可以是今年来出现的矩阵变换器。

交-交变频由于固有缺陷，输出电压中含有大量谐波，输入侧功率因数低，对电网和发电机造成了严重的谐波污染，从而不适合应用于兆瓦级变速恒频风力发电；矩阵变换器虽然结构简单，效率高，具有良好的输入输出特性且不需要中间直流电容。

但由于其控制方法较复杂，在换流时不允许有重叠，也不允许存在间隙，且其最大输出电压能力不高；交-直-交双PWM变换器以其良好的传输特性、功率因数高、网侧电流谐波小、能量双向流动等优点，广泛应用于各种变频调速系统中，也完全能够满足变速恒频风力发电中双馈感应发电机励磁系统的要求[1]。

在双PWM变换器中转子侧变换器向转子绕组传递所需的励磁电流，完成双馈电机矢量控制任务，实现最大风能捕获和定子无功功率的调节；网侧变换器控制着直流母线电压的稳定，但由于对整流侧输出侧输出电流的控制总是滞后于负载电流变化，故通过电容的电流始终在一定的范围内变动，从而使直流母线电压不断波动。

若滤波电容C越大，则直流母线电压波动就越小，前后两个变换器依赖性就越小。

但这种靠提高电容容量来稳定母线电压的做法具有严重的缺陷，在实际大功率风力发电系统中也是不可取的。

这是因为：

这种大容量储能滤波电容一般是电解电容，其缺点是体积大、笨重而且性能不可靠。

如果控制的不好，引起流过电容的电流过大，将引起严重的温升，进一步会使电解电容的性能恶化。

可以说，整个励磁电源系统的寿命的瓶颈在于这个电解电容。

产生以上问题的根本原因在于变换器的整流部分和逆变部分采用的是各自独立的控制，无法充分利用双方信息协调一致，致使通过整流部分和逆变部分的瞬时能量总是存在着较大的差值。

具体来说，无论从电流流向的角度看，还是从能量传递的角度看，整流部分和逆变部分都存在着一定的物理联系。

但是控制系统却简单地将两者当作是完全独立的两个个体，割断了两者之间的物理联系对二者各自进行独立的控制，从而使独立控制方式存在着根本缺点，难以取得最佳的控制效果。

与独立控制方式相对应，协调控制则是站在更高的高度、从整体出发、以系统的眼光，对整流部分和逆变部分之间的物理联系进行剖析，在此基础上，将两者当作一个相互影响的整体，对整流部分和逆变部分进行关联、协调控制。

具体而言，就是通过协调控制使网侧变换器能瞬时提供转子侧变换器所需的负载电流，使直流母线电压波动尽可能的小，这样在同等允许电压波动范围内，便可以大幅减小电解电容的容量。

为双馈风力发电机励磁的双PWM变换器进行协调控制，并综合矢量控制技术对整个发电系统进行建模仿真。

结果表明该方法物理意义清晰，控制中整流过程充分利用了逆变部分的动、静态信息，使电容容量大大减小，控制效果良好。

从而实际应用中，可减少励磁装置体积、重量、成本，提高系统可靠性、减少维护、延长寿命，具有十分重要的现实价值。

1.2研究现状及前景

随着国际工业化的进程，全球气温逐渐变暖，环境污染日益严重，支撑工业化进程的能源、电力所主要以来的化石燃料在地球上的储量消耗越来越快，常规能源资源面临枯竭的危险，现代新能源和可再生能源的发展问题摆在了世界各国的面前。

在这样的背景下，各工业国对清洁能源倾注了更多的热情，促使了近20年来可再生新能源技术的显著发展与进步。

风力发电不仅不烧煤、不耗水，而且不排放有害物质，被人类誉为清洁能源、绿色能源、环保能源。

在风电发展中最有影响、发展较快的国家有美国德国丹麦印度荷兰英国等。

值得一提的是，全世界83%以上的风电装机容量分布在五个国家：

德国美国丹麦印度和西班牙。

在德国，风能是居水力发电之后最重要的再生能源来源，风力发电在德国电力生产所占的比例已达到2.5%。

目前，德国共拥有9400座风力发电机，总容量近6100兆瓦，占欧洲大陆风能发电总容量的50%，全球风能发电总量的三分之一。

在未来10年里，德国风力发电在电力生产中所占的比例将达到305%。

联邦风能协会的估计更为乐观，认为风力发电在电力生产中所占的比例甚至可以提高到30%。

不过，这一切都取决于开发风能发电的新领域，近海风力发电的努力是否成功。

丹麦是世界风力发电的先进国家和风力发电机主要制造国。

1978年丹麦成立了国立风力发电试验站，并对其实行政策性补贴，促使了风力机工业和风力发电的发展。

1995年底全国风力发电机装机容量达61.9万以上，1996年上升到73.3万千瓦。

按规划至2005年风电装机总量将达150万千瓦，届时相当于国内电力用量的10%，到2030年时将把风电的比例提高到占全国所需电力的40%。

丹麦政府近期又把注意力转向海洋，于1997年秋宣布了海上风力发电计划，拟于2005年使海上风力发电容量达75万千瓦，2015年达到230万千瓦。

另据估计，目前全世界约有一半的风力发电设备是丹麦生产的。

印度从20世纪90年代以后大力引进国外技术，并采取有力的政策措施促进风力发电的发展。

1995年又上升到81.6万千瓦，超过丹麦，成为世界第三个风力发电最多的国家。

荷兰、英国等国的发电事业，也在迅速发展。

我国地域辽阔，地处北纬阳光充沛的亚热带地区。

据专家预测，我国风能储量大，分布面广，全国大约有23的地区为多风地带。

全年平均风速3ms及以上的时

我国风力发电从20世纪80年代开始起步，到2001年底全国累计风电装机容量达到40万千瓦左右，风电场发展到26个。

其中达坂城风电场累计安装风力发电机组172台，装机容量达到9.2万千瓦，南澳风电场安装风力发电机组近百台，装机容量达到4.8万千瓦：

内蒙古辉腾勒风电场装机容量也超过3万千瓦；福建的平潭、大连横山、浙江舟山、上海崇明也都在规划建设500千瓦、600千瓦、800千瓦容量不等的风力风电场，为解决无电地区农牧民生产生活用电发挥了重要作用。

机的国产化率达到80%左右。

我国具备了自行研制开发容量从100W到10千瓦的10多种小型风力发电机的能力，还开发了一批风光、风柴联合发电系统。

虽然我国近几年风电发展很快，装机量以每年20%以上的速度递增，但风电仍仅占全国电力总装机的0.11%，因此我国的风力发电目前仍处于起步阶段。

为更好地实施国家可持续发展和西部大开发战略，国家计委、科技部、国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十一五”规划，指导思想是发挥可再生能源资源分布广、清洁环保、社会效益好的优势，加快发展水电、太阳能热利用、沼气等技术成熟的可再生能源，尽快使优良资源得到合理开发利用，不断提高可再生能源在能源结构中的比重。

对于风力发电，其发展思路和战略布局是：

以规模化带动产业化，促进风电技术水平的迅速提高，增强风机设备国产化的能力，降低风力发电成本。

在经济发达的沿海地区，发挥其经济优势，在“三北”地区发挥其资源优势，建设大型和特大型风电场，在其他地区，因地制宜地发展中小型风电场，充分利用各地的风能资源。

“十一五”期间，国家进一步完善大型风电特许权项目招标方法和风电场项目开发授予方式，兼顾风能资源条件、电力市场条件和前期工作进展情况，大力推进10万千瓦大型风电场项目的开发，重点在东部沿海和“三北”地区，建成一批装机容量在10万千瓦以上的风电场，并建设1—2座百万千瓦级的大型风力发电基地。

此外，还应加紧对近海风能开发技术的研究，着手海上风能资源测量和前期设计工作，开发出1—2个示范近海风电场，为今后大规模发展近海风电积累技术和经验[11]。

1.3大型风力发电机的主流机型

一般按发电机分的话分直驱和双馈两种类型，目前大多采用的都是双馈，未来的流行趋势是直驱，因为没有齿轮箱，机械故障率更低。

经过将近十年的发展，世界各主要风力发电机研制国家大概确定了三个技术研究方向，即定浆矩失速型机组、全桨叶变矩型机组、应用变速恒频技术的变速型机型。

这三种风力发电机机型有各自的特点，目前都在应用。

其中，定浆矩失速型机组因为其结构简单，运行可靠，在偏小容量风电机组中（一般在兆瓦级以下）仍大量使用；全桨叶变矩型机组，是今后高效率高容量风力发电机组的发展方向，这种机组使桨叶和机组的受力大大降低；在众多的风力发电机类型，应用变速恒频技术的变速型机型，将会成为未来并网风力发电的主流机型。

这种机型是由电力电子换流器实现风力发电机组的变速恒频控制。

变速恒频，即风力机和发电机转子的转速是可变的，而发电机输出电压的频率是恒定的。

由于具有良好的输出电压性能，近年来获得了很大发展，而且将会成为未来并网风力发电的主流机型。

2交流励磁的原理介绍

2.1交流励磁的原理介绍

近十多年来，国外兴起研制交流励磁电动机和发电机热潮，即在电机转子绕组中引入二相或三相附加电势，使其产生二相或三相交流励磁电流，除发现改变励磁电流幅值可调节电机无功外，还发现改变励磁电流相位可调节电机有功，改变励磁电流频率可调节电机转速。

这种电机在配合改变励磁电流相序和转差功率流向时还可使其转速超过同步转速；若在调速同时能对其励磁电流的有功分量和无功分量进行解耦控制，则可使电机运行在高功率因数即cos=1状态下，取得巨大节能效果。

交流励磁电机的定子是直接接在电网上的，而转子则需要一套独立的交流励磁电源馈电，双馈电机的定、转子都可以传输能量，并且其转差功率的流向也是双向的。

双馈电机与同步电机在某些方面具有同样的特性，比如它们都具有独立的励磁绕组；可以调节功率因数；当负载变化时，转速可以保持不变，所以有的称交流励磁电机为交流励磁同步电机，又有的称为同步感应电机，又有的称为异步化电机。

实际上，它是具有同步电机特性的交流励磁的异步机，是一种从旧电机发展出来的新型电机，其特性比同步机还优越。

同步电机的励磁的可调量只有一个，即电流的幅值。

所以同步电机励磁一般只能对无功功率进行调节，而交流励磁电机励磁的可调量却有三个：

（1）励磁电流的幅值；

（2）励磁电流的频率；（3）励磁电流的相位。

这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量，通过改变励磁电流的频率，可以改变电机的转速;通过改变励磁电流的相位，可以改变发电机电势与电网电压向量的相对位置，改变电机的功率角，可以调节系统输出的功率因数；通过改变励磁电流的幅值，可以调节输出的功率。

当负载突变时，可以通过快速控制励磁电流的幅值、频率、相位来调节电机的运行状态，充分利用转子的动能，释放给负荷或者从负荷吸收，同时其对电网的扰动比常规的电机还要小。

因而，交流励磁电机具有优越的运行性能。

虽然双馈电机可以获得较好的调节性能和技术、经济指标，但需要增加一套独立的功率可双向传输的变频电源和较为复杂的控制系统，对电机的要求也较其他电机高。

随着电力电子技术的发展，可以作为双馈调速的交流励磁电源不断增加。

2.2实现变速恒频的理论分析

根据某一地区的最大风速设计发电机，满足最大风速时发电机运行在同步状态。

也就是说，风电机大部分时间运行在亚同步状态，励磁装置总是要给电机补偿频率。

这就需要励磁装置除了最大风速时提供直流励磁电流，其他状况都是提供具有一定频率的励磁电流。

但是，当测速发电机测得的电压信号发生变化时，风速早已不能满足风电机的同步转速。

所以，此次设计的交流励磁装置时，这是满足一定指标的随动装置。

考虑到实际运行时，风速有时非常小，此时有三相逆变电路补偿的交流励磁频率很大，有时甚至高达50Hz，若风力发电机长期运行在这种状态，那么效率是非常低的。

因此，为了避免风力发电机的低速运行，在PLC中编写一段程序，设定在补偿频率将要超过20Hz时，要关断所有IGBT。

风力发电机仍然在转动，但已经不在发出电能。

实现恒频的计算过程：

发电机输出电压频率:

（1-1）

测速发电机输出电压:

（1-2）

电机的同步转速为:

（1-3）

由式1-1、1-2、1-3推导出交流励磁频率:

（1-4）

因此，只要对输入单片机的（测速发电机的输出电压）进行整理、计算，就可得出三相逆变电路需要给风力机电流的补偿频率。

整个系统是由测量单元、逆变单元、风力发电单元和PLC控制单元组成的闭环调节装置。

如图2-1，系统控制图。

图2.1系统控制图

3变频装置的结构及工作原理介绍

交流励磁的主要实现方法就是逆变电路，励磁装置采用无源逆变。

逆变电路的应用十分广泛。

在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。

另外，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。

有人甚至说，电力电子技术早期曾处在整流时代，后来则进入逆变器时代。

3.1IGBT介绍

3.1.1IGBT的结构与特性

在20世纪80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管为代表的复合型器件得到了迅猛发展。

它综合了双极型电流驱动器件和单极型电压驱动器件的优点，已获得大量应用。

三相桥式逆变电路所选功率型器件是IGBT。

IGBT属于全控型器件。

IGBT的中文名称叫绝缘栅极双极晶体管，具有通流能力强、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、所需驱动功率小而且驱动电路简单等优点。

1.结构和工作原理

IGBT外设三个接线端，分别是栅极G、集电极C和发射极E。

如图3-1是IGBT的结构图。

IGBT导通是从注入区向漂移区发射少子，这段时间经过对漂移去的电导率进行调制，IGBT的通流能力得到很大提高。

当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号，IGBT关断[5]。

图3-1IGBT结构

2.静态特性

IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

3.动态特性

图3-2所示为IGBT开关过程的波形图。

IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。

图3-2IGBT的开关过程

3.1.2IGBT的额定电流计算

IGBT的主要参数

1.最大集射极间电压

——由内部PNP晶体管的击穿电压确定

2.最大集电极电流

——包括额定直流和1ms脉宽最大电流

3.最大集电极功耗

——正常工作温度下允许的最大功耗。

参数的选择要留有合适的余地，这样才能保证可靠、长期、安全运行。

工作电压为50%—60%，在这种情况下器件是最安全的。

有一下制约因素：

1.在关断或过载条件下，要处于安全工作去，小于2倍的额定电流。

2.IGBT峰值电流是根据200%的过载120%的电流脉动率来制定的。

3.温结必须小于120摄氏度。

根据励磁电流计算IGBT的额定电流，三相励磁绕组的励磁电流为13.6安。

流过IGBT的电流有效值：

（3-1）

IGBT的额定电流：

（3-2）

考虑到二极管的续流最终选择IGBT的额定电流大约为12安左右。

IGBT的耐压值计算：

IGBT的损耗

损耗是指IGBT在开通或关断过渡过程期间的功率损耗。

当PWM信号频率大于5kHz时，开关损耗会非常显著，因此在使用变频器时，必须正确的选择载波频率值。

载波频率的大小与器件的开关损耗、器件的发热、电流的波形、干扰的大小、电动机的噪声和振动等有关，因此按照不同功率的电动机恶化现场条件来正确选择载波频率值，也是变频调试中的一个重要环节。

3.2逆变电路的基本原理

以图3-3的单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理。

图中S1～S4是桥式电路的4个臂，他们由电力电子器件及其辅助电路组成。

当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，为负，其波形如图所示。

这样，就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。

这就是逆变电路最基本的工作原理。

图3-3简单逆变电路

3.3三相电压型逆变电路

三相逆变电路为励磁提供电源，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。

采用IGBT可控元件作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图3-4所示。

由电压型直流电源供电的逆变电路。

图3-4是一个三相电压型逆变电路的主电路。

直流电源采用整流电路，由普通二极管组成。

逆变电路由6个导电臂组成,每个导电臂均由具有自关断能力的全控型器件及反并联二极管组成，所以实际上也是一种全控型逆变电路。

负载为感性，星形接法，在整流电路和逆变电路之间并联大电容Cd。

由于Cd的作用，逆变输入端电压平滑连续，直流电源具有电压源性质。

图3-4三相逆变电路

逆变桥中的二极管作为续流二极管使用，防止管子打开或关断时受到电流的冲击而产生过大的压降，而损坏管子。

电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出假想中点N’。

和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180°，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。

这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。

可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。

因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也称为纵向换流。

下面来分析三相