本科生畢業設計說明書(畢業論文)hasbecomethehottestresearchtopicintheareaofrenewautilization,andithasbecomethestudyfocusonhowtoconvertthevaenergyintopowerwhichcanbeconnectedtogrid.BasedonthewindpowerofthegeneraWindturbine-gridinverteristhecorepartofthisrectifier+Boost+PWMinverterprogramandintroducedthenon-controlledForwindturbinesandgridsystemabriefintroductionandcontroltinvertercircuit,inordertorequirementsofthepublicpowergrid.Keywords:Windpower;Non-c摘要I第一章緒論11.3.2風電的三個發展階段31.4.2市場供求狀況51.4.3行業技術發展趨勢51.5本章小結62.2.2磁場調制式發電機系統152.2.4開關磁阻式發電機系統172.2.5無刷雙饋發電機系統172.2.6繞線轉子雙饋發電機系統192.2.7直驅型風力發電系統212.3本章小結223.1引言233.2風力發電機的并網方式概述233.3.1空載并網方式273.3.2帶獨立負載并網方式273.4本章小結294.1引言304.2系統結構設計314.3變流部分設計334.3.3升壓斬波技術354.3.4逆變技術384.4不可控整流+Boost+逆變方案424.5本章小結435.1引言445.2DSP控制器的發展與特點445.4系統保護電495.4.1電流檢測495.4.2電壓檢測505.4.3IPM的自保護515.4.4IGBT驅動和保護電路525.5系統電源545.6系統最終方案的確定565.7本章小結56 57 1.1世界和我國風力發電發展狀況正比關系。機在運轉。利用風力發電，以丹麥應用最早，而且使用較普1.2.1世界風能資源儲量豐富1.2.2世界風電裝機容量快速增長的成本最低。國的風電平均成本為0.50元/(kW·h),總成本費用已經接近新投資的水電和火電。增速達到28.33%。根據全球風能理事會(GWEC)公布的最新數據，2007年全球新增風電裝機容量為132.3%與156%,增長幅度同居世界第一位。1.3風電在我國的發展狀況1.3.1我國的風電資源豐富詳細測算。“三北”(東北、華北、西北)地區風能豐富帶包括東北3省和、等省區近200千于大規模地開發風電場。特別是東南沿海，由海岸向陸丘陵連綿，風能豐富地較豐富。20%,發電量增加70%。在陸上設計壽命20年的風電機組在海上可達25年到30年，且距離可持續能源。1.3.2風電的三個發展階段安裝風電機組131臺，裝機容量為33.285萬千瓦，平均年新增裝機1.3.3中國是目前全球風力發電增長最快的市場其是07年累計的風電裝置容量已達6050MW,較06年增長133%,增速居世界之冠。2007年1.4我國風電設備制造業前景廣闊1.4.1國際國差距正在縮小球市場75%的份額。國際廠商產品占國市場份額的比例分別為75.35%、70.的差距將縮小。1.4.2市場供求狀況在未來很長一段時期我國對風力發電設備的需求將持續保持強勁增長態勢咱2003根據國家原風電發展規劃，我國風電的總裝機容量將增長到2010年的500萬千瓦，20202006》預測，2011年中國風電裝機總量將可能達到1740萬千平衡、略有短缺的局面。1.4.3行業技術發展趨勢(2)采用無齒輪箱直接驅動技術的風電機組的市場份額在迅速擴大無齒輪傳動提高輸出功率較大丶效率較高。較高，發電量比陸地高出20-40%。因此，風力發電強1.5本章小結位和未來的發展前景。第二章風力發電系統工作原理與其分類2.1風力發電的工作原理空氣比冷空氣要輕。移動較快(較熱)的空氣粒子比移動較慢的粒子產生的壓力大，因1.轉子葉片——葉片在本質上是系統的帆；它們以最簡單的方式充當風的障礙(更轉子將它的機械轉動能轉移到轉軸，而轉軸另一端連接著發電機。應的特性產生電壓，也就是電荷差異。電壓在本質上是電的壓力，它是將電(或者說是電流)從一點移動到另一點的力。因此產生電壓實際就是產生電流。簡單發電機由磁體電壓。電壓使電流(通常是交流電，也叫作AC電流)通過電線流出以進行配電。變速箱，用于緩慢左右移動整個轉子。風力機的電子控制器讀取風向標設備(機械或電子風向標)的位置，并調整轉子位置以盡量捕獲最大的風能。水平軸風力機使用塔架將風力機組件上升到最適合風速的高度(這樣葉片便不會碰到地面),并且占用非常少的地6.電子控制裝置——監視系統，用于在出現故障時地面。10.電力設備——從發電機向下通過塔架輸送電流，還可控制風力機的多個安全部空氣動力學原理以最有效地捕獲風能。風力機轉子中的兩個主要空氣動力是上升力(與風向垂直作用)和阻力(與風向平行作用)。面經過時，它必須加快速度才能與時到達葉片末端，以追上從葉片逆風的較平面上(也就是面朝風吹來的方向)經過的風。由于移動速度較快的空氣將在大氣中上升，順風的(因此轉子直徑越大),渦輪可從風中捕獲的能量越多，發電容量也就越大。通常，將轉轉子直徑(米)輸出功率(kW)在風速為33mph(約15米/秒)的情況下，多數大型風力機能夠達到其額定功率，在45mph(20米/秒)下，多數大型風力機關閉。有許多可在風速威脅結構時關閉風力機的組成是一個位于小底座上的與鏈條相連的金屬球如果風力機的振動開始超過某個閾值，樣做可以減慢葉片的轉動。角度控制系統要求(轉子上的)葉片安裝角度是可調整的。陡，以至于開始消除上升力，從而降低葉片速度時，2.2風力發電系統分類從當前世界的發展趨勢來看，容量小于750kw的系統尚可用定槳距失速調節技術，目前運用較多的還是恒速恒頻風力發電系統恒速恒頻風力發電系統的一個弊端是，這些部件上產生很大的機械應力，上述過程的重復出現將會引起這些部件的疲勞損用系數。2.2.1交一直一交風力發電系統機系統。2.2.2磁場調制式發電機系統原理：系統由一臺高頻交流發電機和一套電力電子變換電路組成，圖2.2示出磁場fm的低頻交流電勵磁(f即為所要求的輸出頻率，一般為50Hz),當頻率f遠低于頻分量組成的調幅波，這個調幅波的包絡線的頻率是,包絡線所包含的高頻諧波的頻率f±f電機(,)f簡單容易，系統效率較高。并聯運行十分簡單可靠。無刷爪極式發電機的定子鐵心與電樞繞組與同步發電機的一樣，區別僅在于它的勵頻發電。發電機交-交變流器電網優點：有較高的效率。2.發電機為無刷結構，易維護。速比運行。2.2.4開關磁阻式發電機系統優點：1.開關磁阻式發電機能量密度大；結構簡單，2.系統在并網時沒有電流沖擊；可調節無功功率。系統是目前研究的熱點之一。2.2.5無刷雙饋發電機系統如圖2.4所示，系統采用的發電機為無刷雙饋發電機。其定子有兩套極數不同的繞fp±fe=(pp+pe)fm式(2.1)轉子機械頻率；Pp為功率繞組的極對數；P.為控制繞組的極對數。現了變速恒頻控制。為無刷雙饋發電機總功率的一小部分，這是由于控制繞組的功率為功率繞組功率的p./ (pp+Pe),因此圖2-4中所示的雙向變流器的容量也僅為發電機容量的一小部分。這構，易維護。缺點是定子的設計比一般的籠型發電機復雜。這種系統2.2.6繞線轉子雙饋發電機系統子側只處理轉差能量。優點：輸出功率的33%,而發電機轉速可以擴展到同步轉速的50%左右。器容量和成本。3.無功功率控制可以用較小容量的變流器實現，因為雙饋在風力發電中采用繞線轉子雙饋發電機系統，可經濟效益。要求。幅值、頻率、相位連續可調；輸出頻率圍滿足雙饋發電機的調速圍要求，即70%同步轉轉子勵磁變流器通常包括兩個部分：網側整流器和轉子側逆變器，如圖2-5所示。證網側功率因數為1;轉子側逆變器為雙饋發電機提供交流勵磁電流，以控制發電機實圖2.5轉子勵磁變流器主電路結構2.2.7直驅型風力發電系統控制性能好，控制復雜，諧波含量低，成本電網風力機永磁同步發電機PWM整流器PWM逆變器圖2.6PWM整流器后接電壓源型PWM逆變器主電路結構2.3本章小結所了解。第三章風力發電機并網方式對比分析3.1引言3.2風力發電機的并網方式概述時不僅引起電力系統電壓的大幅度下降，并且可能對發電機和機械部件(塔架、槳葉、增速器等)造成損壞。如果并網時間持續過長，還可能使系統瓦解或威脅其他掛網機組3.2.1同步風力發電機的并網技術電能質量高已被電力系統廣泛采用然而，把它移植到風力發電機組上使用卻不甚理想，3.2.2異步風力發電機的并網技術這種方式只要求發電機轉速接近同步轉速(即達到99%-100%同步轉速)時，即可并供電系統將受到4-5倍發電機額定電流的沖擊，系統電壓瞬時嚴重下降，以致引起低電壓保護動作，使并網失敗。所以這種并網方式只有在與幾倍的地方使用。值與電網電壓下降的幅度如比利時200kW風力發電機組并網時各相串接有大功率電阻。阻退出運行。而增大，經濟性較差。它適用于小容量風力發電機組(采用異步發電機)的并網。捕捉同步點的方法進行準同步快速并網。據說該技術可不丟失同期機,準同期并網工作(1)發電機與系統之間通過雙向晶閘管直接連接。這種連雙向晶閘管導通階段開始(即異步發電機轉速小于同步轉速階段),異步發電機作為電動3.3適用于變速恒頻發電機的并網方式相連。3.3.1空載并網方式空載并網方式如圖3.1所示，這種方式的思路為：并網前，雙饋感應發電機空載，3.3.2帶獨立負載并網方式帶獨立負載并網方式如圖3.2所示，其基本思路為：并網前雙饋感應發電帶負載運變速恒頻雙饋發定子信息電網圖3.2帶獨立負載并網方式帶負載并網方式發電機具有一定的能量調節作用可與風力機配合實現轉速的控制，速失控，應由原動機來控制發電機組的轉速。對于帶獨載，發電機參與原動機的能量控制，表現在一方面改變電流量。3.4本章小結第四章風力發電機并網發電系統總體方案設計4.1引言定容量的旋轉備用以響應風電場發電功率的隨機波動維持電力系統的功率平衡與穩定。研究新的無功補償與電壓控制策略以保證風電場和整個系統的4.2系統結構設計電。并網運行風力發電系統結構如圖4.1所示。發電機無功補償轉速測量功率測量圖4.1風力發電機并網發電系統框圖風力機是吸收風能并將其轉化成機械能的部件風以一定速度和功角作用在槳葉上，(2)機械部件傳功的減少，降低了機械損耗(3)取消了齒輪箱，傳動軸，機組水平軸方向長度大大縮短，增加機組穩定性。源，沒有集電環和電刷，簡化了結構，提高了可靠性和機組效(6)發電機功率因數高，其值接近或等于1,提高電網運行質量。無功功率補償裝置在電力供電系統中所承擔的作用是提高電網的功率因數，降低供電變壓器與輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。所以無功功率補償裝置在電力供電系統中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少網絡的損耗，使電網質量提高。反之，如選擇或使用不當，可能造成供電系統，電壓波動，諧波增大等諸多因素。5.控制系統風力發電機并網發電系統中的控制系統主要是測量風速、風力機轉速丶無功功率；并對槳距、變流部分、主繼電器等進行控制，是整個系統中最核心的部分。對于變流部分將通過下一節進行較為詳細的介紹，本節不再贅述。4.3變流部分設計變流技術作為風力發電機并網發電系統主電路中關鍵的技術環節，對整個系統起著至關重要的作用。本設計中主要采用不可控整流+Boost+逆變方案，也是風力發電系統中廣泛采用的一種變流技術。本節將分別介紹獨立的不可控整流技術、Boost升壓斬波技術和逆變技術，以便更好的對變流部分主電路的理解。4.3.1不可控整流技術4.3.2電容濾波的三相不可控整流電路在電容濾波的三相不可控整流電路中，最常用的是三相橋式結構，圖4.2給出了其電路拓撲。R圖4.2電容濾波的三相橋式不可控整流電路按指數規律下降。設二極管在距線電壓過零點δ角處開始導通，并以二極管VD6和VD1開始導通的時刻為時間零點，則線電壓為而相電壓為式(4.2)在wt=0時，二極管VD6和VD?開始同時導通，直流側電壓等于uab;下一次同時導通的一對管子是VDi和VD2,直流側電壓等于ua。這兩段導通過程之間的交替有兩種情況，一種是在VDi和VD2同時導通之前VD6和VD1是關斷的，交流側向直流側的充電電流id是斷續的，如圖4.2所示，另一種是VD?一直導通，交替時由VD6導通換相至VD?導通，id是連續的。介于二者之間的臨界情況是，VD6和VD1同時導通的階段與VDi和VD?處恰好銜接了起來，id恰好連續。由前面所述“電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設在的時刻“速度相等”恰好發生。4.3.3升壓斬波技術斬波技術實現的是直流到直流的變換，直接驅動型風力發電系統中，采用不可控整流方案的場合很多，此時發電機(通常采用永磁發電機)發出的三相電通過三相不可控整流橋整流后，再進行逆變然后并網發電。但由于同步發電機在低風速時輸出電壓較低，無法將能量回饋至電網，因此實用的電路往往在直流側加入一個Boost升壓電路。在低速時，由升壓電路先將整流器輸出的直流電壓提升。采用此電路可使風力發電機組運行在非常寬的調速圍。Boost電路是風力發電系統中主要用到的斬波技術，其具有輸入電流連續丶拓撲結構簡單。效率高等特點。LLVVOt0Otb)升壓斬波電路(BoostChopper)的原理圖與工作波如圖4.3所示。該電路中也是使用一個全控型器件。即EI?tm=(U?-E)L?tor式(4.3)a+β=1式(4.5)因此，式(4.4)可式(4.6)EI?=U?I?式(4-7)4.3.4逆變技術接有電源時，稱為有源逆變；當交流側直接和負載以單相橋式逆變電路為例說明其最基本的工作原理圖4.4中S1～S4是橋式電路的PWM(PulseWidthModulation,PWM)控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即 隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是采用的脈寬PWM法。它是把每1.理論基礎：僅在高頻段略有差異。2.面積等效原理：把一個正弦半波N等分，如圖4.6所示，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍分的中點重合。這樣，由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。同樣，正弦波的負半周也可用一樣的方法來等效。據。人們引用通訊技術中“調制”這一概念，以所期望的波形作為驅動電路后，控制開關V1～V4的通斷，經直流電壓逆變為單相交流電壓提供給負載。改變調制信號的周期與幅值，就可以改變主開關的輸出脈沖周期與占空比。SPWM由兩種控制方式，可以是單極式，也可以雙極式，其波形如圖4.8所示。兩種控制方式調制方法一樣，輸出基本電壓的大小和頻率也都通過改變正弦參考信號的幅值和頻率而改變的，只是功率開關器件的通斷情況不一樣。采用單極式控制時在正弦波的半周期每相只有一個開關器件開通或關斷，雙極式控制時逆變器同一橋臂上下兩個開關器件交替通斷，處于互補的工作方式。4.3.6電壓源型PWM逆變方案電壓源型PWM你便方案是當前主要應用的逆變方案，該方案的拓撲如圖4.9所示，采用的結構為三相全橋，開關器件為全控型開關器件，如IGBT、MOSFET等。圖4.9中，a相橋臂的上管和下管編號為1和2;b相橋臂的上管和下管編號為3和4;c相橋臂的上管和下管編號為5和6。其基本工作方式也是180°導電方式，即每個橋臂的導電角度為180°,同一相(即同一半橋)上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角4.4不可控整流+Boost+逆變方案能。主電路拓撲如圖4.10所示。DCDC/DC變換器L永磁同步風力機圖4.10直驅型風力發電機系統拓撲圖4-10中的DC-DC變流器為Boost電路。Boost主電路一般由不可控感丶開關管和濾波電容組件。其輸入側有儲能電感，可以減減小輸出電壓文波，對負載呈現電壓源特性。利用Boost電路在斬波的同時，還實現功波跟隨輸入電壓相位。2、當風速變化時，不可控整流得到的電壓也在變化，而通過DC-DC變流器的調節可以保持直流側電壓的穩定，使輸出電壓保持恒定。不可控整流+Boost+逆變并網系統方案的優點：①控制電路簡單可靠；②無最大、最小速度限制，調速圍寬；③發電機不承受高的,電磁兼容性好；④對電網波動不敏感。但是同樣也存在一定的缺點：①三級變換(整流、升壓、逆變)使系統效率下降2%-3%;②直流環節需要高壓、大容量的電容，其體積大、價格高；③網側電感容量較大。4.5本章小結從本章開始，本文已進入了核心設計部分，在本章中，主要對系統的整體框架做了簡要介紹，并對主電路部分中的不可控整流電路、Boost斬波電路和PWM逆變電路做了比較詳細的分析介紹。第五章風力發電機并網發電系統的硬件設計5.1引言數據接收分析和控制。5.2DSP控制器的發展與特點核心部分就是自然之事。計算機真正在自動控制系統中發揮重要作用還是緣起20世紀70年代微處理器配上一定的存儲器、I/0接口和其他外設，就可構成自動控制系隨著大規模集成電路技術不斷改進，一方面微處理器由8位向16位、32位甚至64位發展，再配上外圍設備后便形成單板機或微型機(也稱為個人計算機，Personal有低擋的1位、4位和8位單片機，也有高檔的8位、16位單片機。DSP(DigitalSignalProcessor)實際上也是一種單片機它同樣是將中央處理單元、實時信號，可高速進行快速傅里葉變換運算。它包含靈活可變的I/a)采用哈佛結構的方便。成，使得DSP非常適合于數字信號處理；或基本不影響DSP處理速度的情況下，作并行的數據傳送，這為DSP之間的串聯和提供了方便；仿真接口和高級語言編譯器；(1)一個指令周期能完成一次乘法和一次加法；(2)程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據；(3)片具有快速RAM,通常可通過獨立的數據總線同時訪問兩塊不同區域；(4)具有低開銷或無開銷循環與跳轉的硬件支持；(5)快速的中斷處理和硬件支持；(6)具有在單周期操作的多個硬件地址產生器；(7)可以并行執行多個操作；(8)支持流水線操作，使其指令、譯碼和執行等操作可以重疊執行；由于具有以上特點數字信號處理器在新能源數字控制領域得到了極為廣泛的應用。重要供應商包括美國的儀器公司(TI),A芯片約占世界DSP芯片市場的5096。化的器件代表了傳統微處理器與通用DSP處理器方案的重大突破特別是近年TI公司又原來具有更高的性能。TMS320LF2812是新一代C2000定點處理器，和原有的產品相比它具有精度高(32bit),速度更快(150M)。接口更豐富等許多突出特點，是目前新產品設計的首選。它的主要特點為：(1)主處理芯片：TMS320F2812,運行速度為150M;(2)工作速度可達150MIP;(3)片上RAM18*16bit;(4)片上擴展RAM存儲空間64K*16bit;(5)自帶16路12bitA/D,最大采樣速率12.5msps;(6)4路的DAC7617轉換，100K/S,12bit;(7)兩路DART串行接口，符合RS232標準；(8)16路PWM輸出；(10)片上128*16bitFLASH,自帶128位加密位；5.4系統保護電輸出故障中斷，封鎖PWM波型輸出。限流啟動是由于5.4.1電流檢測閉環(補償)電流傳感器。LTS6-NP具有多測量圍(能選擇2A,3A,6A的測量圍),出色其部結構和外部接線如下圖5.1所示輸出電壓信號輸出電壓信號1Ref6IN(串到回路中)RLTS6-NP具有可調測量圍的功能，主要是因為LTS6-NP部有1-6個可跳接的管腳。選擇不同的跳接方式，測量圍也就不同，測量精度也隨之變化。所以在使用LTS6-NP5.4.2電壓檢測感器為基礎。所以該電壓傳感器具有電流傳感器的優越性。下圖5.2是電壓傳感器的接RRM5.4.3IPM的自保護控制電源控制電源驅動輸入故障輸出溫度檢測主端子因這一電源電壓低于規定的欠壓動作值(UV)該功率器件將被關斷并輸出一個故障信號。b)過熱保護(OT)。在靠近IGBIGBT將被關斷tor(oc)=10μs,同時輸出一個故障信號。若過流時間小于tr(oc),d)短路保護(SC)如果負載發生短路或因系統控制器故障而導致上下橋臂同時導通，IPM置短路保護將關斷IGBT,同時輸出一個故障信號。達到了50KHz,專門設計了高速型的IGBT驅動和保護電路如圖5.3所示，該電路同時具抑制驅動時的浪涌電流，同時抑制誤觸發。在G-S間連接10KΩ左右的電阻R?s