毕业答辩-风力发电并网系统设计.pptx

风力发电并网系统设计,指导老师：答辩人：,目录CONTENT,第一部分|选题背景和意义,第二部分|论文结构,第三部分|总体设计,第四部分|参数设计,第五部分|仿真设计,第六部分|主要结论,1,论文选题背景和意义,第一部分|论文选题背景和意义,风能作为一种清洁的可再生能源，在面对当今能源危机与生态恶化的压力下，变的越来越重要，并存在以下趋势：大容量、变转速、直驱化、无刷化、智能化。由于风的不稳定性和风力发电机单机容量的不断增大，使风力发电系统和电网的相互影响也越来越复杂，因此，对风力发电系统的工作方式提出了更高的要求。,2,论文结构分析,第二部分|论文结构分析,1,2,3,4,第章绪论,主要对本课题的研究背景及意义进行了深入研究，并对风力发电系统国内外的研究现状以及发展前景做了简要介绍。,第章风力发电并网系统的结构及模型,第章风力发电并网系统的控制策略,第章风力发电并网系统的建模与仿真,第章风力发电系统并网分析,主要阐述对风力发电并网系统的初步了解，并着重介绍了各部分的工作原理，分析和比较不同风力发电设备并网的方式，并选择本课题的风力发电并网设计方案，阐述了并网逆变装置的并网控制策略等核心问题。,重点详细地建立风力发电并网系统各个部分的数学模型，包括风力机数学模型、永磁同步发电机、不可控整流电路、Boost升压电路、SVPWM逆变器的数学模型，达成系统的控制目标和性能要求。,对风力发电并网系统的电路结构进行控制策略的设计，得出本文所涉及的控制方法。,在MATLAB/Simulink环境下设计风力并网系统的参数计算，建立直驱型永磁风力发电并网系统的仿真模型并得出仿真结果，然后验证各个仿真模块的可行性并分析各种控制策略的效果。,3,风力发电并网系统总体设计,第二部分|论文结构分析,1,本文的设计方案采用“不可控整流Boost斩波升压并网逆变器装置”的交直交功率变换装置，首先将风力机吸收的风能转化为机械能，然后通过直驱型永磁发电机（PMSG）将机械能转化为电能连接于三相二极管不可控整流桥，把发出的电压与频率均随风速变化的交流电整流为直流，经由大电感滤波后，可获得比较平稳的直流电压；再由Boost升压电路得到幅值恒定的直流电压；最后经过逆变电路逆变成与电网频率相同的恒频电能实现并网。,4,风力发电并网系统参数设计,第四部分|风力发电并网系统参数设计,1,2,风力机,基于对风力机的数学模型及结构的分析，风力机输出的机械能取决于风速和风力机的风能转换系数。而由空气动力学特性可知，通过叶轮所吸收的风能无法达到完全被叶轮吸收利用转化为机械能，从而可以定义出一个风能利用系数，可以表示为=因此，风力机的数学模型可归纳如下：=1232=1223=,第四部分|风力发电并网系统参数设计,1,2,风力机,由上式我们可知风机的特性与风能利用系数和叶尖速比有关。由风能利用系数与叶尖速比的曲线可以得出，对于任意的叶尖速比，只有当桨距角=0时风能利用率值最大，捕获的风功率最大，且随着值的增大，值则减小。因此，在本文中选取桨距角=0。本文设计的风机基本参数如下：额定功率5kW，风轮半径R=10m；节距角=0时，最优参数CPmax=0.44，opt=6.46；额定风速12m/s。,第四部分|风力发电并网系统参数设计,2,永磁同步发电机,永磁同步发电机（PMSG）由绕线转子同步发电机发展而来，其运行原理与普通电激磁同步电机相同，但它以永磁体激磁代替激磁绕组激磁。换句话说，风力机通过省去齿轮箱实现对永磁同步发电机的直接驱动，可以很好地达到风速较低时的并网要求。本文设计的永磁同步发电机基本参数如下：额定功率为5kW，定子电阻为0.5，定子绕组自感Ld=Lq=3mH，磁通为0.5Wb，额定转速为300rad/min，转动惯量为0.1kgm2，阻尼系数为0.005Nms，极对数为14，输出电压为80160V。,第四部分|风力发电并网系统参数设计,3,2,不可控整流电路,整流输出的电压必须采取一定的措施来尽可能尽量降低输出电压中的脉动成分，同时要尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电，因此，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。,1.二极管的参数设计(1)输出电压平均值Ud同步发电机输出电压Ui在80V160V之间变化。基于第3章对不可控整流电路的分析，当输入电流Id进入连续状态后，输出的电压波形接近为输入电压的包络线，此时Ud=2.34Ui。故在本文中，整流电路平均输出电压为Ud=2.34（80160V）=187.2374.4V。(2)正向平均电流发电机输出电压最低时，整流后的最小值为187.2V，并网逆变器的输出功率最大为3.5kW，则,=,=18.7A。留有裕量的正向电流2,=37.4A。(3)反向重复峰值电压输入线电压的峰值为=6Ui，它是整流桥所能承受的最高反向电压，考虑电压裕量，取2=748.8V。故选择整流桥的参数为：额定电流为40A，额定电压为800V。,第四部分|风力发电并网系统参数设计,3,2,不可控整流电路,2.电容滤波的参数设计整流滤波电路是直流稳压电源设备中常用电路，其中滤波电容的设计选取直接影响到纹波电压的大小，关系到输出直流电压的质量。首先，根据电容电阻的时间常数，即=RC可知，当越大，则负载R两端的电压越平稳，对于脉动电源，则其纹波电压越小。在工程上，当RC时间常数满足(35)T时，可以满足纹波要求，故可得出经验公式，即RC(35)T其中，C为滤波电容，单位为uF；T为周期，单位为s；R为负载电阻，单位为。此时，要求滤波电容，仅需要求出负载电阻即可。而由电阻公式有=U2其中，U为输入电压，单位为V；P为输入功率，单位为W；R为等效负载电阻，单位为。综上公式所示，并利用频率f替代周期T，可得到滤波电容的取值范围，即C(35)U2一般情况下，认为滤波电容C越大越好，但不是无限的，因为电容本身还有一定的容抗，而交流成分不可能被完全滤除。,第四部分|风力发电并网系统参数设计,2,3,不可控整流电路,3.平波电抗器的参数设计根据储能元件电感L的电流不能突变，对直流的阻抗小，交流的阻抗大的特性在整流电路的负载回路中串联一个电感，即越大，设置电感L在一定程度上可以抑制冲击电流从而抑制了交流电流的畸变，使得输出电流波形更加平滑。首先，由整流后的直流电压和直流电流I可求出负载电阻，即R=I那么，电感L的取值可根据负载R的大小求得，即L=3=R32f本文所采用的整流电路基本参数如下：滤波电容C=50mF；滤波电感L=8mH。,第四部分|风力发电并网系统参数设计,2,Boost升压电路,1占空比的计算对Boost升压电路的分析可知，在IGBT导通期间，电感电流的增大量为L(+)=0onVindt=Vinon=Vin在IGBT截止期间，电感电流的减小量为L()=onoffVindt=Vinoff=Vin(1)而该电路稳态工作时，IGBT导通期间电感电流的增长量等于IGBT截止期间的减小量，即L(+)=L()，由上两式可知Vin=Vin(1)化简上式，即可得到占空比的计算公式为=其中，表示输出的直流电压，Vin表示输入的直流电压。,第四部分|风力发电并网系统参数设计,2,Boost升压电路,2.输入升压电感的计算升压电路工作在电感电流连续状态，流过电感上的电流基本保持不变。设电源转换效率为，由能量守恒得=00当电感电流处于临界连续状态时，平均电流为电感峰值电流的一半。IL=ILP2=UdDuT2L由上两式可得到电感电流连续时的电感值L，即L=U0TDu（1Du）22I0输入直流电压的范围是187.2374.4V，输出直流电压的值为400V，总功率为3kW，系统效率为0.95，算得I0=3000400=7.5A。开关管的工作频率为20kHz，得其工作周期T=50s。又上式中Du为最小占空比，即Du=Du，min=1-，=1-374.4400=0.064故可得输入升压电感L的取值为L=0.95400501060.064（10.064）227.5=71H其值取大些有助于稳定电流和蓄能升压，考虑到裕量取L=220H。,第四部分|风力发电并网系统参数设计,2,Boost升压电路,3.输出滤波电容的计算当功率管关断时，输出的全部电流都是由电容C提供，电容C的电流等于I0，且在这段时间内电容C上的电压变化量就是直流输出的纹波电压，故有0=0=0故有滤波电容C的容量为=00=00把Du=带入上式有C=I0（UdcUin）U0fsUdc输出电压的纹波系数=0dc，则可得到输出滤波电容C为=0（）2输出电压的纹波不能太大，取=1，则=7.5（400187.2）0.01201034002=49.8F考虑留有裕量，取电容值为320F。,第四部分|风力发电并网系统参数设计,2,并网逆变电路,IGBT的参数设计本系统IGBT的最大集射极电压Uces为直流电压400V左右，考虑到器件开关过程中有电压尖峰的影响，选取23倍的电压裕量。在电流方面，为了保证系统的工作安全，对开关管电流也要选取较大的裕量，逆变器的开关频率为20kHz。综上，逆变输出的最大电流为I0max=PmaxU0=3500220=15.9A，逆变部分直流电压为400V。考虑裕量后选IGBT的电流电压参数分别为100A，1200V。,第四部分|风力发电并网系统参数设计,2,风力发电并网系统参数汇总,风力发电并网系统各部分参数设置如下表所示。,第四部分|风力发电并网系统参数设计,2,风力发电并网系统参数汇总,5,风力发电并网系统仿真设计,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,1,2,风力机,风力机仿真模型图如图4-1所示，风力机通过输入风能输出机械能，进行能量转换，其输出的机械能取决于风速和风力机的风能转换系数。在变桨距条件下，风力机输出的机械功率与风速、风力机角速度、桨叶节距角有关系。其中，输入分别为发电机转速、桨叶节距角和风速，输出为风力机捕获的机械功率。,图-风力机仿真模型,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,2,2,永磁同步发电机,本次设计中所采用的永磁直驱式同步电机（PMSG）模型如下图4-2所示。其中，A、B、C为直驱式永磁同步电机输入电路的三相交流电，Tm为风力机捕获的机械功率，m为可选择输出的参数。,图4-2永磁直驱式同步电机仿真模型,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,2,风力机组模型,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,3,2,三相不可控整流电路,不可控整流器由6个三相二极管共3个桥臂组成。在本次实验仿真中使用的是“UniversalBridge”的电力电子通用桥模块来实验不可控整流电路，其通用桥模块仿真模型图如4-3所示。,本文所采用的不可控整流电路的电气参数设置如图4-4所示，其具体参数设置如下：模块中桥臂数为3，电力电子装置采用二极管（Diodes）模型，所测量的参数设置为“选择UABUBCUCAUDC电压测量端电压（直流和交流）”的通用桥块。,图4-3不可控整流电路仿真模型,图4-4不可控整流电路的电气参数设置,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,2,3,三相不可控整流电路,如图4-5所示为不可控整流电路的仿真图。首先，用三相电源模拟风力机组输出的三相交流电输出的情况，并接入三相不可控整流桥实现交流电到直流电的变流过程。其次，在整流电路的负载回路中串联一个电感是根据储能元件电感L使得电流不能突变，对直流的阻抗小，交流的阻抗大的特性，使输出电流波形较为平滑，因此能够得到较好的滤波效果而减少直流损失。而串联电容的作用是滤波电容的设计选取直接影响到纹波电压的大小，关系到输出直流电压的质量。最后，得到整流输出电压较低的直流电压Vin用于Boost升压。,图4-5不可控整流电路仿真图,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,4,2,Boost升压电路,Boost升压电路仿真模型如图4-6所示。将风力发电发出的交流电通过前级不可控整流电流整流后得到的直流电in进行Boost升压控制，实现稳定的输出电压Vdc后，用于后级逆变器的并网使用。其中，通过控制脉冲发生器得到理想中输出的400V电压用于并网逆变。,图4-6Boost升压电路仿真模型图,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,5,2,并网逆变电路,对于逆变电路模块采用IGBT作为开关器件，同时六个续流二极管分别与六个IGBT反向并联以构成电压型三相桥式逆变电路。在本次实验仿真中同不可控整流电路模块类似使用的也是是“UniversalBridge”的电力电子通用桥模块来实验三相桥式逆变电路，其通用桥模块仿真模型图如-7所示。,本文所采用的逆变电路的电气参数设置如图5-8所示，其具体参数设置如下：模块中桥臂数为3，电力电子装置采用IGBT/Diodes模型，所测量的参数设置为“选择UAB、UBC、UCA、UDC电压测量端电压（直流和交流）”的通用桥块。,图4-8逆变电路的电气参数设置,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,5,2,并网逆变电路,如图4-9所示为逆变电路的仿真图。,图4-9并网逆变电路仿真图,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,2,直驱型永磁风力发电并网系统的仿真模型,图4-10是本文基于Matlab/Simulink仿真环境建立的直驱型永磁同步系统的整体仿真模型。,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,2,仿真结果分析,当采用阶跃信号模拟的风速在0.5s时由7m/s升到12m/s、1s时从12m/s降为9m/s、1.5s再从9m/s升到12m/s，如图4-11所示为其风速随时间的变化情况。,图4-11风速变化图,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,2,如图4-12所示，为发电机转速变化图。,图4-12发电机转速变化图,第四部分|风力发电并网系统仿真设计,2,如图4-13所示为经过不可控整流电路后得到的未经Boost升压的直流，其值在100V左右微小变化，符合发电机的输出电压80160V范围内