風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣控制【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣控制</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p>&

2、lt;p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　風(fēng)能作為一種

3、無(wú)污染的可再生能源，在當(dāng)今能源短缺的情況下，開(kāi)發(fā)風(fēng)能變得尤為重要。問(wèn)題是如何開(kāi)發(fā)風(fēng)能，因?yàn)樽匀唤绲娘L(fēng)是瞬息萬(wàn)變的，風(fēng)的不穩(wěn)定性使發(fā)電系統(tǒng)更加復(fù)雜。控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性有很大的作用，因此研究控制系統(tǒng)和控制過(guò)程是很有必要的。</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的難題，對(duì)該領(lǐng)域的變速恒頻技術(shù)進(jìn)行研究。分析了變速恒頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的重要性，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率，從而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以達(dá)到最大風(fēng)能

4、最大功率俘獲的目的。</p><p>　　通過(guò)對(duì)變速恒頻操作方法和操作過(guò)程的研究，使用雙PWM(脈沖寬度調(diào)制)來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻功能，由外部信號(hào)采集電路獲取轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子速度，然后經(jīng)過(guò)C8051F005芯片來(lái)整合計(jì)算出實(shí)現(xiàn)功率最大化的電流頻率，最后通過(guò)同步電路、晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，從而控制整流器與逆變器中晶閘管的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)變速恒頻的目的</p><p>　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；變速恒頻；PWM；C805

5、1F005芯片；同步電路；驅(qū)動(dòng)電路</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Wind energy as a clean renewable, in the case of the current energy shortage, so development of wind energy has become particularl

6、y important. The question is how to develop the wind energy, because the wind has been changing in nature. The instability of wind makes the power system more complex. The control system play an important role in the ins

7、tability of power system’s output. Therefore it is necessary to research the control system and the process of controlling..</p><p>　　In accordance with the problem of the wind power, researching to variable

8、 speed and Constant frequency technology in this field. Analysis the importance of variable speed and constant frequency in wind power generation, By changing the frequency of the rotor excitation current, to change the

9、rotor’s speed, and catching the purpose of maximum wind power.</p><p>　　By research to variable speed and constant frequency technology’s Operating methods and procedures. using double PWM (Pulse Width Modul

10、ation) to achieve the feature of constant frequency. By an external signal acquisition circuit for the rotor current and rotor speed. Then Calculate the Current Frequency in Power maximization by c8051f005 chip. finall

11、y through Synchronization circuit and Thyristor drive circuit, To control the rectifier’s Thyristor and the inverter’s Thyristor. To achieve the </p><p>　　Key words：wind power ; variable speed and constant f

12、requency ; PWM; c8051f005 chip analysis simulation ; rectifier ; Thyristor； inverter</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1　引言1</b></p><p>　　2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本原理

13、2</p><p>　　2.1 風(fēng)力發(fā)電2</p><p>　　2.1.1 風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)2</p><p>　　2.1．2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.1.3 風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)理論4</p><p>　　2．2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電原理5</p><p>　　2.

14、2.1 變速恒頻技術(shù)的應(yīng)用背景5</p><p>　　2.2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻理論5</p><p>　　2.2.3 風(fēng)力發(fā)電最大風(fēng)能俘獲的動(dòng)力學(xué)特性7</p><p>　　3 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 雙PWM變換器實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)9</p><p>　　

15、3.1.1 PWM變換器的結(jié)構(gòu)9</p><p>　　3.1.2 雙PWM變換器的功能特性10</p><p>　　3.2 基于C8051F005單片機(jī)的觸發(fā)電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2.1 C8051F005單片機(jī)11</p><p>　　3.2.2 同步電路設(shè)計(jì)13</p><p>　

16、　3.2.3 晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.2.4 復(fù)位電路18</p><p>　　3.2.5 穩(wěn)壓電源模塊19</p><p>　　4 變速恒頻軟件設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.1 C8051F單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境20</p><p>　　4.2 軟件程序20</p>

17、<p><b>　　結(jié)論24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p>　　附錄1 實(shí)驗(yàn)原理圖26</p><p><b>　　1　引言</b></p><p>　　隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，大量的煤炭、石油、天然氣被無(wú)限制地開(kāi)采

18、，能源逐漸耗盡，大量的有害物質(zhì)被排放于大自然，從而導(dǎo)致了陸地沙漠化、臭氧層破壞、氣候變暖、海平面升高，使得人類處于水深火熱之中，所以實(shí)施可持續(xù)發(fā)展是未來(lái)的主方向，能源與環(huán)境的問(wèn)題永遠(yuǎn)是當(dāng)今世界最熱門的課題。風(fēng)能作為一種無(wú)污染、可持續(xù)能源，在當(dāng)今世界變得越來(lái)越重要，具有實(shí)際的研究意義。</p><p>　　我國(guó)是帆船之鄉(xiāng)，在明代就有鄭和西下，正是對(duì)風(fēng)能的利用，使得人們交通運(yùn)輸變得更加的方便。風(fēng)車在明代以后開(kāi)始流行，

19、利用風(fēng)力提水灌溉，高效率又省事，大大促進(jìn)了人們的生活水平。但是第一輛真正意義上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是有荷蘭發(fā)明的，當(dāng)時(shí)是水平軸風(fēng)車，不能隨風(fēng)速變化而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到風(fēng)能最大功率的目的。在前人的基礎(chǔ)上，隨后的風(fēng)力技術(shù)越來(lái)越成熟，繼而出現(xiàn)了變速恒頻風(fēng)力技術(shù)，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速能隨風(fēng)速變化而變化，使功率曲線更加的平滑，輸出頻率穩(wěn)定，發(fā)電效率更高，而且更好地與外網(wǎng)進(jìn)行并聯(lián)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要是控制雙PWM的晶閘管，從而使轉(zhuǎn)子隨風(fēng)速變化而隨之改

20、變，并且使得輸出電壓頻率穩(wěn)定，以滿足風(fēng)輪機(jī)與輸出功率穩(wěn)定的要求。</p><p>　　本論文主要研究變節(jié)距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求與控制策略，對(duì)風(fēng)力發(fā)電變速恒頻方面做了一定的研究和分析。通過(guò)控制系統(tǒng)以此來(lái)滿足優(yōu)化功率曲線和穩(wěn)定功率輸出的要求，使得發(fā)電機(jī)工作在最大輸出功率狀態(tài)。</p><p>　　本論文主要通過(guò)C8051f005芯片，建立模擬控制系統(tǒng)模型，對(duì)雙PWM系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)調(diào)節(jié)

21、PWM晶閘管觸發(fā)脈沖頻率，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組達(dá)到變速恒頻的目的。</p><p>　　2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本原理</p><p><b>　　2.1 風(fēng)力發(fā)電</b></p><p>　　2.1.1 風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電是通過(guò)風(fēng)的動(dòng)能，經(jīng)過(guò)風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

22、風(fēng)力發(fā)電的具體過(guò)程是風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)車葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)增速機(jī)將速度提高到發(fā)電的要求。照目前的技術(shù)水平，大約3m/s的風(fēng)速就可以達(dá)到發(fā)電要求。風(fēng)力發(fā)電的基本原理非常簡(jiǎn)單。風(fēng)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，葉片帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電目的。如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 風(fēng)力發(fā)電原理圖</p><p>　?。?）可再生無(wú)污染的能源</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電不消耗石油，煤炭

23、，天然氣，沒(méi)有有害物質(zhì)排放到大自然，這是火力發(fā)電所無(wú)法比擬的。</p><p>　?。?）建設(shè)成本低，建設(shè)效率高</p><p>　　一個(gè)十兆級(jí)的風(fēng)力發(fā)電廠，建設(shè)費(fèi)用比火力發(fā)電低很多。而且建設(shè)完之后，人員投入也相對(duì)比較少。建設(shè)周期也比較短，不到一年。</p><p><b>　?。?）可靠性高</b></p><p>　

24、　隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也越發(fā)得成熟，可靠性達(dá)到98%，壽命也大大高于火力發(fā)電。</p><p>　?。?）運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單方便</p><p>　　現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電廠一般自動(dòng)化程度比較高，完全可以在無(wú)人值崗情況下正常工作，只需要定期檢查維護(hù)，而火力發(fā)電往往會(huì)出大問(wèn)題，需要比較大的維修。</p><p><b>　?。?）占地面積小</b>&

25、lt;/p><p>　　風(fēng)力發(fā)電的設(shè)備只需占農(nóng)田，草原中等很小的區(qū)域，而火力發(fā)電廠需要占很大的土地面積。</p><p><b>　?。?）單機(jī)容量小</b></p><p>　　由于很多情況下風(fēng)的密度比較小，所以發(fā)電機(jī)組容量不可能很大，與火力發(fā)電不能媲美，而且風(fēng)能一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這是風(fēng)力發(fā)電必須解決的。</p><p>

26、;　　2.1．2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　大中型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由葉片、主軸、增速機(jī)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)等組成的。如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　機(jī)艙</b></p><p>　　機(jī)艙里包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，其中包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)等。<

27、;/p><p><b>　　風(fēng)輪機(jī)</b></p><p>　　風(fēng)輪包括葉片、主軸、輪轂等。風(fēng)輪機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受外部風(fēng)能的部件。</p><p><b>　　（3）增速機(jī)</b></p><p>　　增速機(jī)實(shí)際上就是齒輪箱，因?yàn)轱L(fēng)輪機(jī)工作在較低轉(zhuǎn)速內(nèi)，而發(fā)電機(jī)需要比較高的轉(zhuǎn)速，為了實(shí)現(xiàn)兩者匹配，即采用

28、了齒輪增速。</p><p><b>　　（4）制動(dòng)器</b></p><p>　　制動(dòng)器就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。</p><p><b>　　（5）發(fā)電機(jī)</b></p><p>　　發(fā)電機(jī)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電最關(guān)鍵的部位，是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響發(fā)電效率。</p&

29、gt;<p><b>　?。?）塔架</b></p><p>　　塔架就是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的的支架。</p><p>　　2.1.3 風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)理論 </p><p>　　世界上第一個(gè)比較完整的風(fēng)輪機(jī)風(fēng)能理論是1919年由A·貝茨（Betz）建立的。貝茲理論是應(yīng)用動(dòng)量方程，來(lái)討論理想狀態(tài)下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大風(fēng)能利

30、用系數(shù)。</p><p>　　貝茲理論的假設(shè)條件如下：</p><p>　　風(fēng)輪流動(dòng)模型可簡(jiǎn)化成一個(gè)單元流管。</p><p>　　風(fēng)輪沒(méi)有錐角、偏角和傾角，此時(shí)的風(fēng)輪機(jī)即可簡(jiǎn)化為一個(gè)平面槳盤。</p><p>　　風(fēng)輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)不產(chǎn)生摩擦阻力，不對(duì)通過(guò)風(fēng)輪機(jī)的氣流形成阻力。</p><p>　　風(fēng)輪機(jī)前未受擾動(dòng)的氣流

31、靜壓和其后的氣流靜壓相等。風(fēng)輪前后的氣流速度方向均沿著風(fēng)輪軸線。</p><p>　?。?）作用在風(fēng)輪上的推力成均勻分布。</p><p>　　圖2-3 貝茲理論計(jì)算簡(jiǎn)圖</p><p>　　如圖2-3所示。V1葉片前得風(fēng)速；V風(fēng)經(jīng)過(guò)葉片時(shí)的速度；V2風(fēng)經(jīng)過(guò)葉片后的速度；S1葉片前得風(fēng)速的面積；S風(fēng)經(jīng)過(guò)葉片時(shí)的面積；S2風(fēng)經(jīng)過(guò)葉片后的面積。滿足以上條件，理論的風(fēng)能利

32、用系數(shù)（Betz極限） </p><p>　　2．2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電原理</p><p>　　2.2.1 變速恒頻技術(shù)的應(yīng)用背景</p><p>　　風(fēng)能是一種隨機(jī)、不穩(wěn)定性的能源，風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下都有一個(gè)最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電方式只能固定運(yùn)行在某一轉(zhuǎn)速才能到達(dá)最高的運(yùn)行效率，但是當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，風(fēng)力機(jī)就會(huì)偏離最佳運(yùn)行速度，導(dǎo)致運(yùn)行效率降低，浪

33、費(fèi)風(fēng)力資源，增大風(fēng)力機(jī)的磨損。若采用變速恒頻發(fā)電方式，就可以在風(fēng)速變化的情況下，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之始終運(yùn)行在與該風(fēng)速對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速上，從而大大提高發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。采用變速恒頻技術(shù)，還可使發(fā)電機(jī)組與外網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)良好的連接，比傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)更容易操作及運(yùn)行。</p><p>　　2.2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻理論</p><p>　　如圖2-4所示為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)原理圖。風(fēng)

34、力發(fā)電過(guò)程中，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生改變時(shí)，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，根據(jù)電機(jī)頻率關(guān)系式：f1=s*f2（f1是定子電流頻率；f2是轉(zhuǎn)子電流頻率；s為轉(zhuǎn)差率），可通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電流頻率f2來(lái)改變轉(zhuǎn)差率s，其中定子電流頻率通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)輸出電流頻率恒定，從而當(dāng)轉(zhuǎn)子電流頻率f2改變時(shí)，轉(zhuǎn)差率s相應(yīng)地改變，以達(dá)到調(diào)速的目的。</p><p>　　圖2-4 雙饋型異步發(fā)電機(jī)的交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)</p><

35、;p>　　當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)葉轉(zhuǎn)速就會(huì)變化，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之變化，若想使電機(jī)工作在最大風(fēng)能功率狀態(tài)，我們必須控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，可以改變電機(jī)內(nèi)部的電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。但要使轉(zhuǎn)子有效地調(diào)整轉(zhuǎn)速，我們必須通過(guò)雙PWM變頻器對(duì)轉(zhuǎn)子電流頻率加以控制，也就是控制轉(zhuǎn)子側(cè)晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷，從而控制轉(zhuǎn)子電流頻率。</p><p>　　兩個(gè)變換器之間的電容起到穩(wěn)定母線電壓的作用，穩(wěn)定

36、母線電壓是雙PWM正常工作的基本前提。繼而對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器晶閘管給予頻率一定的脈沖，使得輸入電網(wǎng)的電能頻率穩(wěn)定。從而達(dá)到了變速恒頻的目的。</p><p>　　圖2-5 風(fēng)力發(fā)電變速恒頻控制流程圖</p><p>　　如圖2-5所示,本文系統(tǒng)采用的是發(fā)電機(jī)為磁場(chǎng)調(diào)制型發(fā)電機(jī)，磁場(chǎng)調(diào)制型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由一臺(tái)專門的三相高頻交流發(fā)電機(jī)和一套功率轉(zhuǎn)換電路組成。將三個(gè)相繞組接到一組并聯(lián)橋式整流器，然后經(jīng)過(guò)晶

37、閘管開(kāi)關(guān)電路，最后經(jīng)過(guò)濾波器濾波，即得到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，頻率固定的恒頻正弦波輸出。</p><p>　　這個(gè)特點(diǎn)非常適合用于并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁通過(guò)勵(lì)磁變壓器取自電網(wǎng)。這樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出總是自動(dòng)與電網(wǎng)同步，不會(huì)有失步問(wèn)題，并且整個(gè)系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，運(yùn)行非常可靠。該系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行，提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，且簡(jiǎn)化風(fēng)力機(jī)的調(diào)速機(jī)構(gòu)。另外電路輸出波形中諧波分量很小，可以

38、得到相當(dāng)好的正弦波形。</p><p>　　它的缺點(diǎn)就是系統(tǒng)想要得到三相輸出，必須采用三套磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，且各套系統(tǒng)保持一個(gè)適合的相位差，這樣就是成本有所提高。</p><p>　　2.2.3 風(fēng)力發(fā)電最大風(fēng)能俘獲的動(dòng)力學(xué)特性</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)的掃掠面積、空氣密度和風(fēng)速恒定時(shí)，輸出的能量由風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)決定，而功率因數(shù)與葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特性

39、相關(guān)。如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出功率關(guān)系圖</p><p>　　如圖2-6很容易可以看出，虛線為最大功率線。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，想要達(dá)到最大功率點(diǎn)，必須改變轉(zhuǎn)子速度。實(shí)際操作中，例如：當(dāng)風(fēng)速由v4變到v3時(shí)，功率特性隨之改變，對(duì)應(yīng)的最大功率點(diǎn)往左下移動(dòng)，相應(yīng)的電機(jī)要達(dá)到最大功率點(diǎn)，必須降低轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　3 變速恒頻風(fēng)

40、力發(fā)電控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 雙PWM變換器實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　3.1.1 PWM變換器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　雙PWM變換器是由兩個(gè)完全相同的兩電平電壓型三相PWM變換器通過(guò)直流母線連接而成，由于變速恒頻交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，兩個(gè)PWM變換器的工作狀態(tài)經(jīng)常改變，通常不以它們工作于整流或者逆變的狀態(tài)來(lái)區(qū)分，

41、而是按照它們的位置，分別稱之為網(wǎng)側(cè)PWM變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器。如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1雙PWM轉(zhuǎn)換器</p><p>　　在具體運(yùn)行控制過(guò)程中，兩個(gè)PWM變換器各司其職。由于需要將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)整流—逆變裝置轉(zhuǎn)換后送入電網(wǎng)，因此采用大功率電力電子器件—IGBT（絕緣雙極型晶體管），IGBT是一種結(jié)合大功率晶體管及功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管兩者特點(diǎn)的復(fù)合型電力電子器

42、件，既具有工作速度快，驅(qū)動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)，又具有電流能力大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　如圖3-1所示基于IGBT的整流器、逆變器，其結(jié)構(gòu)為三相橋式結(jié)構(gòu)。直流環(huán)節(jié)并有一個(gè)大電容，可維持電壓恒定。電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)電感，用于濾波。通過(guò)對(duì)整流器和逆變器的控制，從而實(shí)現(xiàn)將發(fā)電機(jī)的變頻電壓轉(zhuǎn)化為恒頻電壓，并達(dá)到俘獲最大風(fēng)能的目的。</p><p>　　3.1.2 雙PWM變換器的功能特性<

43、;/p><p>　　雙PWM變換器由兩個(gè)PWM半橋變換器采用直流連接組成，靠中間的濾波電容C穩(wěn)定直流母線電壓。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器向雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組饋入所需的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，并實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能俘獲和定子無(wú)功率的調(diào)節(jié)。網(wǎng)側(cè)變換器在實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的同時(shí)，控制著直流母線電壓的穩(wěn)定，以及對(duì)網(wǎng)側(cè)功率因素的調(diào)節(jié)。</p><p>　　變頻器中兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的PWM變換器，在轉(zhuǎn)子不同能量流向狀態(tài)下，可交替實(shí)現(xiàn)整

44、流和逆變的功能。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于亞同步時(shí)，網(wǎng)側(cè)變換器工作在PWM整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器工作在PWM逆變狀態(tài)，使功率從電網(wǎng)經(jīng)變頻器輸入轉(zhuǎn)子繞組。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于超同步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器工作在PWM整流狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)變換器工作在PWM逆變狀態(tài)，使功率從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輸入電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電。</p><p>　　3.2 基于C8051F005單片機(jī)的觸發(fā)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)控制過(guò)

45、程，選用C8051F005單片機(jī)進(jìn)行三相全控整流電路觸發(fā)控制。使用C8051F005的12路IO口輸出PWM波，分別輸入到IGBT的12個(gè)輸入引腳。</p><p>　　3.2.1 C8051F005單片機(jī)</p><p>　　圖3-2 C8051F005引腳圖</p><p>　　CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括4個(gè)16位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、2

46、56字節(jié)內(nèi)部RAM空間、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及4字節(jié)寬的I/O端口。表3-1為引腳定義。</p><p>　　表3-1 C8051F005引腳定義</p><p>　　3.2.2 同步電路設(shè)計(jì)</p><p>　　同步電路設(shè)計(jì)流程，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 同步電路設(shè)計(jì)流程圖</p>

47、<p>　　LM339的引腳圖以及工作原理，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 LM339的內(nèi)部引腳圖</p><p>　　LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇

48、LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。</p><p>　　圖3-4 基于LM339芯片的同步電路</p><p

49、>　　如圖3-4所示。因?yàn)檗D(zhuǎn)子隨風(fēng)速的變化而時(shí)刻變化著，想到控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，必須對(duì)轉(zhuǎn)子電流頻率實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，本文通過(guò)LM339芯片設(shè)計(jì)的同步電路來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。</p><p>　　同步就是通過(guò)給各個(gè)觸發(fā)電路不同相位的交流電壓，使得個(gè)觸發(fā)器的晶閘管在需要觸發(fā)脈沖的時(shí)候，輸出觸發(fā)脈沖，從而保證個(gè)晶閘管可以按順序依次觸發(fā)。這種使觸發(fā)電路與主電路步調(diào)上一致的方法，就叫同步。</p><p>　

50、　本文同步電路的信號(hào)取三相交流電的A相，經(jīng)過(guò)變壓器在副邊輸出用戶所需的電壓值，通過(guò)運(yùn)算放大器LM339，使得輸入電壓每次過(guò)零點(diǎn)時(shí)，運(yùn)算放大器輸出一個(gè)矩形波，然后送入AIN0引腳。C8051單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采樣移相，根據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)計(jì)算觸發(fā)角α。</p><p>　　實(shí)際情況中，同步電流取自轉(zhuǎn)子電流的A相，經(jīng)過(guò)變壓器變壓，再通過(guò)LM339，在A相電壓為0時(shí)，LM339輸出一個(gè)矩形脈沖。因此可以看出，LM339

51、矩形波的輸出頻率跟A相電壓頻率直接相關(guān)。A相電壓頻率又是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率絕對(duì)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率又是風(fēng)速絕對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)了脈沖頻率信號(hào)隨風(fēng)速變化而變化的目的。</p><p>　　3.2.3 晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì)流程，如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì)流程</p><p>　　圖3-

52、4所示為門級(jí)驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路。同步電路信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)算出來(lái)的觸發(fā)角α，經(jīng)過(guò)C8051單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換整合，計(jì)算出晶閘管開(kāi)斷的頻率，并在芯片內(nèi)部啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，由同步電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，分別與三極管輸出波進(jìn)行與門運(yùn)算后，去控制三相全控橋式整流電路中12個(gè)晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷。</p><p>　　圖3-4門級(jí)驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路</p><p>　　實(shí)際情況中，當(dāng)AIN0脈

53、沖進(jìn)入芯片c8051，進(jìn)過(guò)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換等內(nèi)部運(yùn)算，由原先的脈沖頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，該電流信號(hào)值是風(fēng)力發(fā)電機(jī)俘獲最大風(fēng)能的目標(biāo)值，并最終計(jì)算出達(dá)到風(fēng)能最大功率點(diǎn)的電流頻率，在內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，由P0口與P1口輸出端輸出電平。以此來(lái)實(shí)現(xiàn)晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷，并最終達(dá)到通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電流頻率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能功率最大化的目的。</p><p>　　3.2.4 復(fù)位電路</p><p

54、>　　圖3-5 復(fù)位電路</p><p>　　如圖3-5所示。當(dāng)C8051芯片上電時(shí)，+3V直接給電容C8充電，在R1產(chǎn)生電壓，從而在RST輸入高電平，達(dá)到復(fù)位的目的。當(dāng)C8持續(xù)充電中，電勢(shì)差逐步降低，最終C9充電達(dá)到飽和，R1的電壓隨之降低到0，即RST輸入為低電平，芯片開(kāi)始正常工作。此過(guò)程稱為上電復(fù)位。當(dāng)時(shí)機(jī)操作過(guò)程中，人為地按下KEY5，C8瞬間放電，電源+3V直接接到RST，當(dāng)放開(kāi)KEY5，電源再

55、次向電容C8充電，在RST也形成高電平，知道電容充電完畢。此過(guò)程稱為手動(dòng)復(fù)位。</p><p>　　3.2.5 穩(wěn)壓電源模塊</p><p>　　圖3-6 穩(wěn)壓電源電路</p><p>　　如圖3-6所示。穩(wěn)壓電源模塊中的AS1117是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，并提供完善的過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖3-6所示。</p>&

56、lt;p>　　當(dāng)+5V電源通過(guò)二極管進(jìn)入AS1117的VIN端口，在+VOUT端口輸出+3V的電壓。圖中的C1和C3起到濾波作用。</p><p>　　4 變速恒頻軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 C8051F單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境</p><p>　　C8051F單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境Slicon LaboratoriesIDE如圖4-1所示。</p>&

57、lt;p>　　圖4-1 C8051F單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境</p><p><b>　　4.2 軟件程序</b></p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)IGBT的數(shù)字控制，開(kāi)發(fā)的PWM程序如下：</p><p>　　#include<c8051f005.h> </p><p>　　#defi

58、ne SYSCLK 22118400 </p><p>　　//-------------------------------------------------------------------</p><p>　　// Function Prototypes</p><p>　　//---------------------------------

59、----------------------------------</p><p>　　void OSCILLATOR_Init (void);</p><p>　　void PORT_Init (void);</p><p>　　void PCA0_Init (void);</p><p>　　//--------------------

60、-----------------------------------------------</p><p>　　// main() Routine</p><p>　　//-------------------------------------------------------------------</p><p>　　void main (void) &

61、lt;/p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int delay_count; </p><p>　　bit duty_direction = 0; </p><p>　　// Disable watchdog timer</p>&l

62、t;p>　　WDTCN = 0xde;</p><p>　　WDTCN = 0xad;</p><p>　　PORT_Init (); </p><p>　　OSCILLATOR_Init (); </p><p>　　PCA0_Init ();

63、 </p><p><b>　　while (1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　// Wait a little while</p><p>　　for (delay_count = 25000; delay_count >

64、0; delay_count--);</p><p>　　if (duty_direction == 1) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　// First, check the ECOM0 bit</p><p>　　if ((PCA0CPM0 & 0x40) ==

65、0x00)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　PCA0CPM0 |= 0x40; </p><p><b>　　}</b></p><p>　　else </p><p><b>　

66、　{</b></p><p>　　PCA0CPH0--; </p><p>　　if (PCA0CPH0 == 0x00)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　duty_direction = 0; </p><p><

67、;b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else </p><p><b>　　{</b></p><p

68、>　　if (PCA0CPH0 == 0xFF)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　PCA0CPM0 &= ~0x40; </p><p>　　duty_direction = 1; </p><p><b>　　}</b><

69、;/p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　PCA0CPH0++; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b&g

70、t;</p><p><b>　　};</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//-------------------------------------------------------------------</p><p>　　// Initializatio

71、n Subroutines</p><p>　　//-------------------------------------------------------------------</p><p>　　void OSCILLATOR_Init (void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　

72、　int i; </p><p>　　OSCXCN = 0x67; </p><p>　　for (i=0; i < 256; i++) ; </p><p>　　while (!(OSCXCN & 0x80)) ; </p&g

73、t;<p>　　OSCICN = 0x88; </p><p><b>　　}</b></p><p>　　//-----------------------------------------------------------------------------</p><p>　　// PO

74、RT_Init</p><p>　　//-----------------------------------------------------------------------------</p><p>　　void PORT_Init (void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　X

75、BR0 = 0x08; </p><p>　　XBR1 = 0x00;</p><p>　　XBR2 = 0x40; </p><p>　　PRT0CF |= 0x01; </p><p><b>　　

76、}</b></p><p>　　//-------------------------------------------------------------------</p><p>　　// PCA0_Init</p><p>　　//---------------------------------------------------------

77、----------</p><p>　　void PCA0_Init (void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　// configure PCA time base; overflow interrupt disabled</p><p>　　PCA0CN = 0x00;

78、 </p><p>　　PCA0MD = 0x08; </p><p>　　PCA0CPM0 = 0x42; </p><p>　　// Configure initial PWM duty cycle = 50%</p><p>　　PCA

79、0CPH0 = 256 - (256 * 0.5);</p><p>　　// Start PCA counter</p><p><b>　　CR = 1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　結(jié)論</b></p><

80、;p>　　風(fēng)力發(fā)電是一種新型可再生能源，有著非常廣闊的開(kāi)發(fā)前景。目前很多國(guó)家為了填補(bǔ)自身資源缺口，已經(jīng)制定出風(fēng)力發(fā)電發(fā)展規(guī)劃和激勵(lì)政策，以加速技術(shù)進(jìn)步與改進(jìn)。</p><p>　　目前并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電形式是大規(guī)模利用風(fēng)能最為經(jīng)濟(jì)的方式。隨著高新技術(shù)不斷對(duì)風(fēng)力事業(yè)的滲透、環(huán)保壓力進(jìn)一步加強(qiáng)、能源危機(jī)加劇和國(guó)家政策的大力支持，風(fēng)力發(fā)電將變成將來(lái)能源的主要組成部分。能源是一個(gè)民族、一個(gè)國(guó)家的命脈，因此開(kāi)發(fā)風(fēng)能刻不容

81、緩。</p><p>　　本文主要致力于交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻系統(tǒng)的研究，并且采用C8051f005單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制?？偨Y(jié)下來(lái)，本文在以下幾個(gè)方面做了具體工作。</p><p>　?。?）通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出功率關(guān)系的研究，隨著風(fēng)速的變化，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之調(diào)整，使電機(jī)運(yùn)行在風(fēng)能最大功率點(diǎn)，這樣可以最大限度地俘獲風(fēng)能。 </p><p>　?。?）本文集中研究?jī)呻娖诫?/p>

82、壓型雙PWM變換器進(jìn)行研究，詳細(xì)介紹了雙PWM變換器的內(nèi)部構(gòu)造。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)晶閘管的控制，改變電機(jī)內(nèi)部勵(lì)磁，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)晶閘管的控制，使系統(tǒng)有很好的輸出特性，輸出電能質(zhì)量也能滿足要求。</p><p>　　（3）提出了一種利用C8051f005單片機(jī)實(shí)現(xiàn)晶閘管觸發(fā)控制的系統(tǒng)。直接對(duì)發(fā)電機(jī)A相電的頻率進(jìn)行追蹤，經(jīng)過(guò)LM339對(duì)單片機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)，繼而單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，換

83、算出俘獲最大風(fēng)能功率的最優(yōu)轉(zhuǎn)子電流頻率，最后對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)晶閘管輸出最優(yōu)觸發(fā)脈沖，達(dá)到最大風(fēng)能俘獲的目的。并對(duì)網(wǎng)側(cè)晶閘管給予固定觸發(fā)脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)電能輸出頻率穩(wěn)定，更好地與外網(wǎng)并聯(lián)。</p><p>　　（4）加入了人工控制模塊，通過(guò)控制與門三極管端口的脈沖，更好地對(duì)晶閘管開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，使電氣系統(tǒng)與人工技能實(shí)現(xiàn)結(jié)合。</p><p>　　隨著各國(guó)越來(lái)越重視風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，更多、更大規(guī)模的變速恒頻風(fēng)

84、力發(fā)電系統(tǒng)逐步投入運(yùn)行，并加大對(duì)此系統(tǒng)的電力電子技術(shù)的研究，這將對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及新能源開(kāi)發(fā)帶來(lái)重要的推動(dòng)作用。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]姚興佳，王士榮，董麗萍.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[M].可再生能源， 06.01,86～88.</p><p>　　[2]李永東，苑國(guó)鋒.中國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀和

85、前景[M].電氣時(shí)代，2006.03，16～20.</p><p>　　[3]鄧小凌，馮志文.我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀、問(wèn)題與對(duì)策[M].電力環(huán)境保護(hù)，2001,17（3）：48～51.</p><p>　　[4]陳堅(jiān)，電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2002.</p><p>　　[5]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械

86、上業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[6]趙榮祥，尹強(qiáng)，許大中.磁場(chǎng)定向交流勵(lì)磁電機(jī)調(diào)速調(diào)功系統(tǒng)研究[J].電工電能新技術(shù).1998,17（1）：18～19.</p><p>　　[7]李輝，楊順，廖勇.并網(wǎng)雙饋發(fā)電機(jī)電網(wǎng)電壓定向勵(lì)磁控制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003,23（8）：159～162.</p><p>　　[8]張衛(wèi)平.綠色電源—現(xiàn)代電能

87、變換技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2001.</p><p>　　[9]宋平剛，趙莉.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的研制[M].電力電子技術(shù)，1999，4（2）：18～28. </p><p>　　[10]Bimal K B. Energy，environment，and advances in power electronics[M]. IEEE Trans.PowerElectronic

88、s，2000,15（4）：68～70.</p><p>　　[11]Ruqi Li. Alan Wallace and R. spee. Dynamic simulation of Brushless Doubly-fed Machines[J]. IEEE Trans.Energy Conversion,1991,6(3): 445～460.</p><p><b>　　附錄1