【正文】 .............................................................................................................. 44 參 考 文 獻(xiàn) ............................................................................................................................ 45 附 錄 ........................................................................................................................................ 47 風(fēng)力發(fā)電機(jī)晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究 1 1 緒論 論文直接針對(duì)新能源課題中的 MW 級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)的研制這一研究項(xiàng) 目，主要研究用晶閘管作為電力電子變換元件實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的單機(jī)并網(wǎng)方案和風(fēng)電場(chǎng)集中并網(wǎng)方案。 38 無功補(bǔ)償電容器和 LC 濾波器 37 V 無功及諧波的分析 36 有源逆變器的無功及諧波分析 36 諧波的 危害 34 本章小結(jié) 30 硬件抗干擾設(shè)計(jì) 25 數(shù)字 PID 閉環(huán)控制 22 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 19 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理 16 快速熔斷器的參數(shù)選擇 13 三相晶閘管逆變觸發(fā) 12 大功率晶閘管有源逆變器的硬件組成 11 控制系統(tǒng)概述 11 換流重疊現(xiàn)象 6 二極管整流 +晶閘管有源逆變 關(guān)鍵詞 ： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大功率變流，晶閘管，數(shù)字 PID調(diào)節(jié)，諧波及無功補(bǔ)償 II The Research of Wind Power Generator SCR Gridconnected Inverter ABSTRACT In this paper the MW grade wind turbine generator monly used is the research object, which main research thyristor as power electronic conversion element to achieve standalone and work solutions for wind power generation system and wind electric field concentration and programs. Firstly, gridconnected wind turbine working principle, position and classification are introduced. Secondly, the IGBT and the SCR switch inverter are pared in the structure, properties, advantages and disadvantages. And a thyristor for active inverter main circuit and the device parameters are proposed .Then, the inverter EMC is designed, a nd the control system of digital chart based digital PID is introduced . Finally this article makes a detailed analysis on the biggest problem of thyristor converter in harmonic and reactive power, and puts forward to the harmonic and reactive power pensation. KEYWORDS： wind turbines， power converter， SCR， figures PID regulator, harmonic and reactive power pensation III 目 錄 摘 要 .......................................................................................................................................... I ABSTRACT .................................................................................................................................. II 1 緒論 ........................................................................................................................................ 1 風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望 本文首先對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理、組成和分類進(jìn)行了介紹。接著對(duì)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(diǎn)進(jìn)行了比較。 5 直接并網(wǎng) 5 雙饋并網(wǎng) 5 直驅(qū)并網(wǎng) 6 直驅(qū)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)變流器的主要形式 15 晶閘管參數(shù)的計(jì)算 17 本章小結(jié) 18 ATmega16 單片機(jī)特性簡(jiǎn)介 19 主控芯片的功能 27 數(shù)字濾波 29 4 系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì) .......................................................................................................... 30 系統(tǒng)存在的電磁兼容問題 31 電路板的電磁兼容性設(shè)計(jì) 39 系統(tǒng)的諧波補(bǔ)償 風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 ⑴ 風(fēng)電成本逐年降低 盡管風(fēng)電成本受很多因素的制約 ,但其發(fā)展趨勢(shì)是逐漸降低的。風(fēng)電機(jī)組可靠性的改進(jìn)也減少了 運(yùn)行維護(hù)的平均成本。 風(fēng)力發(fā)電的前景展望 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國(guó)的重視，其在地球上蘊(yùn)量巨大。 20世紀(jì) 80 年代初期，市場(chǎng)上有上風(fēng)向式和下風(fēng)向式；風(fēng)輪主軸有水平的和垂直的；風(fēng)輪葉片數(shù)有三個(gè)﹑兩個(gè)﹑甚至一個(gè)的；葉片材料有木頭的和玻璃鋼的。 2020 年，中國(guó)的漲幅引領(lǐng)全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，其新增裝機(jī)容量超過 100％，從 2020 年風(fēng)力發(fā)電機(jī)晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究 2 的 萬兆瓦上漲到 2020 年底的 萬兆瓦，新增裝機(jī)容量達(dá)到 萬兆瓦。 以歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家為代表，全球風(fēng)電呈現(xiàn)出規(guī)?；陌l(fā)展態(tài)勢(shì)。為促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，世界各國(guó)政府特別是歐美國(guó)家出臺(tái)了許多優(yōu)惠政策，主要包括有 :投資補(bǔ)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(fèi)中征收附加基金用于發(fā)展風(fēng)電、減排 C02獎(jiǎng)勵(lì)等。日本采取的措施則是優(yōu)先采購風(fēng)電。截至 2020 年底， 全國(guó)累計(jì)生產(chǎn)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 18 萬多臺(tái)。 2020 年以后中國(guó)風(fēng)力機(jī)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。 2020 年新增裝機(jī)的單機(jī)平均容量為 ，而 2020 年的數(shù)字變成了 ，并且去年兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)的市場(chǎng)份額占到了86％，其中 67％在 以上。在 “十二五 ”期間，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)速度仍將繼續(xù)保持較快增長(zhǎng)，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域已成為投資熱點(diǎn)，市場(chǎng)前景很好。目前國(guó)內(nèi)外普遍使用的是水平軸、上風(fēng)向、定槳距 (或變槳距 ) 風(fēng)力機(jī) ,其有效風(fēng)速范圍為 3～ 30 m/ s ,額定風(fēng)速一般設(shè)計(jì)為 8～ 15 m/ s ,風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)速大約為 20～ 30 r/ min 。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的解耦 ,降低了風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)之間的相互影響 ,但是它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、技術(shù)難度大。但是在恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中 ,一方面 ,風(fēng)電機(jī)組直接與電網(wǎng)相耦合 ,風(fēng)電的特性將直接對(duì)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(jī) ,它的運(yùn)行需要無功電源的支持 ,加重了電網(wǎng)的無功負(fù)擔(dān) ,使系統(tǒng)的潮流分布更加復(fù)雜。 (2) 過去廣泛采用的風(fēng)電機(jī)組屬于異步發(fā)電機(jī) ,雖然在機(jī)端出口處裝設(shè)無功補(bǔ)償電容器組 ,但在輸出有功的同時(shí) ,發(fā)電機(jī)仍然會(huì)吸收電網(wǎng)的無功功率 ,從而引起機(jī)端出口電壓的波動(dòng) ,而常規(guī)能源機(jī)組都是同步發(fā)電機(jī)組。沖擊電流的大小與其本身暫態(tài)電抗和并網(wǎng)時(shí)的電壓高低有關(guān) ,其有效值還與并網(wǎng)時(shí)的滑差有關(guān)。目前可以通過裝設(shè)軟起動(dòng)裝置和風(fēng)機(jī)非同期并網(wǎng)來削弱沖擊電流 ,但同時(shí)給電網(wǎng)帶來一定的諧波污染。風(fēng)電功率的波動(dòng)勢(shì)必會(huì)引起電壓的變化 ,主要表現(xiàn)為 :電壓波動(dòng)、電壓閃變、電壓跌落以及周期性電壓脈動(dòng)等。風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)在于如何根據(jù)有限的故障電流來檢測(cè)故障的發(fā)生 ,使保護(hù)裝置準(zhǔn)確而快速的動(dòng) 作。由于目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)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(yùn)行中的主要問題 [9]。 它的結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。不同的是，雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)通過功率變換器連接到電網(wǎng)。 圖 12 雙饋并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 直驅(qū)并網(wǎng) 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種同步發(fā)電機(jī)，與大電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)屬同一類型，所不同的是，它用永磁體替代普通發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，省去電刷滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)也節(jié)約了勵(lì)磁功率，提高了發(fā)電機(jī)效率。直驅(qū)并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖 13 所示。 直驅(qū)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)變流器的主要形式 直驅(qū)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中變流電路存在很多不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有以下幾種： 渦輪 AC/DC DC/AC 發(fā)電機(jī) 電網(wǎng) 渦輪 AC/DC DC/AC 發(fā)電機(jī) 電網(wǎng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究 7 二極管整流 +晶閘管有源逆變 其優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單可靠，開關(guān)主器件完全能夠國(guó)產(chǎn)化，大大降低了風(fēng)機(jī)的成本。 圖 15 二極管整流 +晶閘管有源逆變電路 本章小結(jié) 本章主要分析了風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀， 并網(wǎng)出現(xiàn)的問題 ，以及當(dāng)前風(fēng)機(jī)變流器主要形式交流發(fā)電 機(jī) 風(fēng)輪 升壓變壓 器 C L 電網(wǎng) 相控整流 有源逆變 交流發(fā)電機(jī) 風(fēng)輪 升壓變壓器 C L 電網(wǎng) 不控整流 有源逆變 風(fēng)力發(fā)電機(jī)晶閘管并網(wǎng)逆變器的研究 8 的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展方向，最后闡述了本文的主要工作。變速發(fā)電機(jī)所具有的 如低風(fēng)速時(shí)自動(dòng)跟蹤最大功率和高風(fēng)速時(shí)可緩沖風(fēng)機(jī)受到的機(jī)械沖擊等特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)的。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?fù)溥M(jìn)行分析和研究。 三相橋式電路工作時(shí)，晶閘管成對(duì)導(dǎo)通，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通 2? /3 角度，每隔 /3 換流一次，元件按 V1 一 V2 一 V3 一 V4 一 V5 一 V6 順序依次導(dǎo)通。的寬脈沖觸發(fā) 。設(shè)直流輸入電壓為 Ui，直流電流的平均值為 :