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1、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
2、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 IGBT PLC The Design of AC excitation device of Variable speed and constan
3、t frequency wind powerAbstractCurrently, wind power is clean energy vigorously developing in government of china，but wind power has its own characteristics, the wind speed is fluctuated. To get qualified power people want，the electricity will be transformed or improvement of the wind turbine itself.
4、 However, the former is larger capacity requirements for power electronic conversion device，voltage and power factor is difficult to adjust. However, due to the development of power electronics technology in recent years，the wind turbine of improvements is possible.The features of excitation device
5、is to achieve running of variable speed and constant frequency of the wind turbine. Variable speed and constant frequency , the rotor speed of the wind turbine is variable, while the frequency of the voltage of the generator is a constant.Therefore, to design a device different from the previous exc
6、hange excitation device. AC excitation device is a three-phase bridge inverter circuit, by it to provide excitation asynchronous generator. According to operating conditions, the excitation current to the motor can be DC can also be exchange. the synchronous speed can be guaranteed, when the maximum
7、 wind speed is maximum.Wind speed is reduced, by providing AC excitation to the rotor winding, the output voltage can maintain 50Hz.The speed of motor is maintained through the tachometer generator real-time monitoring. Speed signal will input analog input module of PLC, calculating, then high-speed
8、 burst is output by PLC , then after driving to enlarge, to control the opening and turn-offing of IGBT.Finally the inverter output PWM waveforms expected.The wind turbines variable speed constant frequency operation is achieve.Key words: wind power variable speed constant frequency AC excitation IG
9、BT PLC目 录1 引言11.1 目的及意义11.2 研究现状及前景21.3大型风力发电机的主流机型42交流励磁的原理介绍52.1交流励磁的原理介绍52.2实现变速恒频的理论分析53变频装置的结构及工作原理介绍73.1 IGBT介绍73.1.1 IGBT的结构与特性73.1.2 IGBT的额定电流计算83.2逆变电路的基本原理93.3三相电压型逆变电路94三相桥式整流电路125 PWM控制技术介绍135.1PWM控制的基本原理135.2 PWM波形的生成145.3 PWM逆变电路及其控制方法175.3.1计算法175.3.2 调制法176 门极控制信号的产生196.1门极控制信号的产生196
10、.2宽度可调脉冲输出PWM介绍197转速测量与转换218 IGBT驱动电路239 PLC梯形图2710 结论34参考文献36外文资料37毕业设计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
11、、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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%
