基于BOOST变换器的小型风力机并网逆变控制系统设计开题报告

1、兰州理工大学技术工程学院毕业设计开题报告姓 名柴宗莲专业电力系统分析 班级七班学 号指导教师郭群题目类型题 目基于BOOST变换器的小型风力机并网逆变控制系统设计一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义，列出主要参考文献） 能源是人类赖以生存的动力来源。从人类文明发展史上可以看出，我们一直依赖自然界，从中掘取、探寻适合人类生存与发展所必需的能源物质，而能源的利用方式也客观的见证了人类发展与进步的轨迹。人类开始利用化石燃料的历史可以追溯到原始社会时期，人类利用化石燃料作为主要能源的状况却一直持续到科技发达的现代社会。随着经济社会的进步与发展，对于能源的需求将会日趋严重

2、，煤、石油和天然气等一次能源的过度消耗使得化石燃料的储量越来越少，能源危机越发严重。同时，化石燃料的过度使用给生态环境造成了严重影响，破坏了生态平衡，威胁了自然环境的可持续发展。人类能源工作者正面临着人类文明发展进步与地球自然环境遭遇破坏之间的突出矛盾。进入二十一世纪，能源物质的缺乏正严重困扰着高速发展的中国，充足、优质的能源供应是保证国民经济健康发展的重要保障，能源短缺在很大程度上制约着中国经济的快速发展。为实现人类社会与自然环境的可持续发展，基于有限的自然资源，环保、可持续的社会经济发展是当前中国解决能源短缺的战略发展方向。为实现该战略目标，切实解决能源短缺问题，我们只有依靠科技手段，加快

3、对风能、太阳能等可再生清洁能源进行开发和利用，才能从根本上解决能源问题。对作为可再生、清洁环保的绿色能源风能进行开发利用已经成为能源发展的新方向。每年来自外层空间的辐射能从技术上可以转换成风能资源每年约53万亿千瓦时,比 2020 年世界电力需求预测的两倍还要多。而且从技术层面上讲，关于空气动力学的理论不断取得新进展，一些新材料的研制成功，控制理论的日臻完善，机械电子技术的日趋成熟，都为风能的开发和利用提供了理论和技术上的保障。风能作为可再生、清洁环保的绿色能源，对其进行开发利用已经越来越多的引起了人们的重视。目前，常用的风能利用形式是大中型风力发电并网运行的方式。大型风力发电场并网对于电网的

4、稳定性的要求更高。因此，对小型风力发电系统的研究和应用越来越受到关注。小型风力发电系统多采用直驱式永磁同步发电机，通过直驱运行的方式可以在较大风速范围内高效运行，由于直驱式发电机省去了变速装置，发电效率有了较大提高，而且降低了运行维护的成本，该方式代表了小型风力发电系统的新的发展方向。 针对传统小型离网风电系统存在的问题本文提出了小型风力发电并网系统的应用模式，该系统可以将发电机输出的电能直接并入电网，降低了系统建设的成本，提高了系统转换的效率，而且还可以利用小型风力发电并网系统为公共电网调峰调频，改善了电网结构。因此小型风力发电并网系统将是风力发电技术发展的重要方向。小型风力发电并网系统由于

5、容量小、稳定性高、应用范围广等特点得到了广泛应用。小型风力发电机组由于对风速范围没有严格的要求，可以广泛应用于乡村、城镇甚至是人口密集的城区，将风力发电的应用范围大幅扩大。在没有实现供电的草原、孤岛等地区可以提供电力供应，在城镇或城区等人口密集地区风速低，不适合大型风力发电机组的运行，小型风力发电机组的应用就可以弥补这一空白，无论是用于路灯照明、道路监控等基础设施，还是用于并网发电，都能将这一部分能源加以利用服务社会。 :二、主要设计内容、设计思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案及工作流程本文主要研究关于风力发电系统并网逆变器的设计，其具体的设计内容主要包括以下几个部分：1、主电路及驱动电路

6、的设计；2、控制电路、软件框图的设计、程序编写。3、设计实现的主要功能和技术指标：逆变器的额定输出功率：3KW连续过载能力：110%瞬时过载能力：120%1分钟推荐风机额定功率（KW）：小于2KW风力机输出交流电压范围：40110V逆变器直流电压工作范围：230350V电网电压范围：180260V单相允许电网频率范围：3751.5Hz本文主要是针对小型直驱式风力发电系统进行研究，包括不可控整流、Boost升压部分和单相并网逆变部分。风力发电机输出的电压、频率和功率都是不稳定的，同时经过不可控整流后将其电压转换为直流电压，再经Boost升压电路将整流部分电压升压、稳压，从而达到并网逆变器直流侧所

7、需直流电压，再经逆变器转换为交流通过滤波电路滤波，然后送入电网。而并网逆变部分采用SPWM控制技术，与三角波比较的控制方式，向电网回馈符合电网要求的标准交流电源。本文主要工作如下：1、介绍了各种风力发电技术的特点及发展趋势，并对各种风力发电并网方法和并网变流器的控制策略进行了深入分析。2、详细地分析了逆变并网的原理以及主电路参数的计算和设计。3、介绍了并网逆变的控制策略，目标是得到与电网电压同频同相的回馈电流。4、采用 PIC16F886为核心控制芯片进行单相并网风力发电系统硬件和软件设计。论文第一章为绪论，该部分主要对本课题的研究背景及意义进行了深入研究，并对小型风力发电系统国内外的研究现状

8、以及发展前景做了重点介绍。针对当前小型风力发电的发展现状及存在的问题，明确了小型风力发电的发展方向。论文第二章主要讲解了小型风力发电系统的主要构成部分，并介绍了各部分的工作原理。并着重阐述了并网逆变装置的并网控制策略等核心问题。论文第三章为卸荷控制保护装置的研究，首先分析了该装置对系统的重要性，进行了软件与硬件的设计，并对实验结果进行了分析与研究。论文第四章为系统控制策略的研究，主要包括控制目标的分析，并网控制策略的比较与研究，指令电流的产生以及PI 控制器的设计。论文第五章进行了系统硬件设计和软件设计，对并网逆变装置的设计与实现进行了相关研究，对各部分硬件参数的设计与选择进行了分析研究，软件

9、设计部分介绍了控制流程的设计与实现，最后分析了实验结果，并对实验结果进行总结得出实验结论。文章最后在总结实验取得的结果进行总结的基础上，对课题的后续研究进行展望。 小型风力发电系统主要由以下几部分构成：风轮部分、发电机部分、调向装置以及塔架组成。风力发电机的风轮部分有叶片、轮毂构成，小型风力发电机的叶片通常有 3-6 片，使用的材料通常是质量小、强度高的轻型材料如玻璃钢、铝合金等；小型风力发电机为提高能量转换效率一般不采用调速装置，因此没有齿轮箱，发电机大多采用直驱式同步发电机；调向装置一般采用尾舵进行调向；塔架部分作为小型风力发电系统的基础结构，安全性方面对可靠性、稳定性有较高要求。 风力发

10、电机的工作原理：风力发电机包括风力机与发电机，风力机是一种将风能转化为机械能的机械装置，发电机是将机械能转换为电能的能量转换装置，下面分别对这两部分进行分析研究。风能利用系数是风力发电系统研究的重要参数，用Cp 表示，其定义为风力机将风能转化为机械能的效率。Cp不是常量，而是随着风速等的变化而变化。与风能利用系数密切相关的参数是叶尖速比，的表达式为： l = 其中，w为叶轮的角频率，R 为叶轮半径。Cp与的关系如图 2所示。在变化的过程中，存在一个最佳值，使得Cp最大。设计与运行风力机的整体目标是尽可能地追求Cp最大，从而使风力机输出的能量具有最大值。风力机与每个固定风速值的风速都对应着一个最

11、大功率输出点，对应其最大风能利用系数。最大功率曲线就是将在各个风速下的最大功率点连接起来得到的曲线。应该通过适当的控制方法使风力机运行在最大功率曲线上从而能够充分利用风能。风力机是风力发电系统的能量输入环节，其工作效率的高低将直接决定系统的工作性能，该部分将主要分析风力机的工作性能并确定适用于小型风力发电系统的风力机。按照风轮轴向的不同可以讲风力机分为水平轴风力机和垂直轴风力机两种。轮轴与地面垂直的风力机称为垂直轴风力机，该风力机的叶片通常为对称结构，因此可以接受任何方向的风，从而适用于风向不固定的场所。该风力发电机最大的缺点是启动力矩大，对风速要求较为严格，因此在应用中收到了很大的限制。故，

12、直轴风力发电机不适用于小型风力发电系统。轮轴与地面相平行的风力机称为水平轴风力机，水平轴风力机是目前应用最普及的一种风力机。该风力机的叶片通常为36片，叶片形同翼形。水平轴风力机启动力矩小，具有风能利用效率高的特点，因此能够充分利用低风速段的风能。对两种风力机的特点进行综合比较分析，垂直轴风力机运行时产生的噪音小，不需要调速装置，机械结构简单，风轮叶片使用寿命长，但启动力矩大不能有效利用低风速段的风能；水平轴风力机启动力矩小，对风速要求低，适用于各风速段的场所，因此可以充分利用低风速段的风能。为了满足本系统提高能量转换效率的目的，充分利用低风速段的风能，本系统采用水平轴风力机。风力机气动理论是

13、 1926 年有德国科学家贝兹提出的，根据贝兹气动理论的假设：理想的叶轮；均匀的气流；气流始终在叶轮轴线上。由空气动力学知识可知，风力机只能从风能中获取部分能量，由气流冲量原理可知，叶轮受到的轴向推力为：F =m(V1-V2) m=pSV，为单位时间内的流量质量。叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率为：根据动能定理基本公式： 单位时间内气流的功率为： 在叶轮前后，单位时间内气流的动能改变量为：r此即为气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率，因此：整理得：即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。因此叶轮吸收的功率为：发电机是系统的重要组成部分，其性能直接决定风了电转换效率以及电能的质量等。永

14、磁同步发电机、同步励磁感应发电机、双馈异步发电机等是风力发电系统中常用的发电机。永磁同步发电机的转子部分为永磁结构，不需要额外提供励磁电源，降低了制造成本，简化了运行维护，提高了发电效率。综合考虑小型风力发电系统的特点以及永磁同步发电机的性能，本系统采用永磁同步发电机。直驱式风力发电机省去了变速装置，提高了能量转换效率，减少了系统噪音，系统的可靠性得到了提高。因此本系统采用直驱式永磁同步发电机。 三、毕业设计提交的成果 1、 开题报告（不少于3000字）； 2、设计说明书（不少于80也，约30000字左右）； 3、系统原理图（1#图），总体方案设计及硬件配置图（1#图），程序流程图（2#图）；

15、 4、中英文摘要（中文摘要约200字，35个关键词） 5、论文简介 6、外文资料翻译（约5000汉子）四、毕业设计的主要文献和技术资料1 二十一世纪呼唤绿色能源.世界环境，2004（4）:28312 金鑫.风力发电机组系统建模与仿真研究：博士学位论文，重庆；重庆大学，20073F.B.ELDRIDEG.Wind Machine.Nationl Science Foundation Research ，Washington，1975.4Y.L.Shefer Wind Powered Machines Leokanner Associates Redwood CityCalifornia，1974

16、.5J.Park&D.Schind Wind Power for Farms，Homes，and small IndustryNielsen Engeneering and reseach，Inc Moun tain View.AC，1987.6Ralls K J.The Growth of Power Electronics in Electronic PowerTransmission System.Power Eng.Journal，1995（2）.7王长贵，王淳等编.小型新能源和可再生能源发电系统建设与管理.北京：中国电力出版社，20048江晓林.小型风力发电系统及其控制技术的研究：硕士学位论文，华北电力大学，20089施琴.小型独立风力发电系统的研究：硕士学位论文，江苏大学，201010中国可再生能源学会风能专业委员. 2011 年中国风电装机容量统计，2012.311卞松江，潘再平，贺益康. 风力机特性的直流电机模拟.太阳能技术.2003,24(3):36036412