电力电子课程设计报告

课程设计要 .-4风力发电背景介绍4-本设计报告内容4-二 系统仿真...........................................................................................................-66-6-7-三 主电路选型......................................................................................................-1011-后级变换电路选型12-四 主电路无源器件参数计算...............................................................................-14交流侧电感设计14-直流侧电容设计15-五 主电路有源器件参数计算...............................................................................-1616-16-六 有源电路的驱动、保护原理设计...................................................................-1717-17-七 控制、检测与保护电路原理设计...................................................................-1717-17-17-八 散热设计.........................................................................................................-17电路散热基本设计17-散热设计17-九 参考文献.........................................................................................................-17十 致谢.................................................................................................................-18一、概10度。380V50Hz实现并网最大输出电流：100A2008年为止，全世界以风力产生的电力约有94.1百万千瓦，供应的电力已超过全世界用量的1%2.74×10^9MW2×10^7MW，可见风能发电的潜力是十分巨大（1）控制、检测与保护电路原理设计。要求有原理图，可以用 ，ORCAD等软件成二、系统仿380V50Hz实现并网最大输出电流：100A我们小组的系统仿真采用了软件中的来实现图2为三相交—直—交变流系统设计原理结构图系统输入端采用S 器整流中间环节经并电容器滤波后输出直流电，然后经S 源滤波器滤波，得到所要求的三相交流50Hz工频电源。图7－2为系统仿真结构图其中整流和逆变S 模块采取内调制波生成，载波为三角波，频率设定为1000Hz，输出电压频率设定为1000Hz；逆变 模块也采取内调制波生成，载波频率设定为2000Hz，输出电压频率设定为50Hz；前级调制幅值设定为0，后级调制比为0.9；整流滤波电容器C选取为1.7F；负载采用0～50kW三相并联RLC负载。23520V，50Hz。符合给定的要求。345678图9所示是 整流器整流后经大电容器C滤波后得到的直流电压波形当电经反复调整仿真运行，根据输出电压波形选择电容器电容大小为0.5F，得到如图9所9101112131415输出电流谐波分析三、主电路选双馈风力发电机的双变换器是一个交-直-缺点。本文对两个变流环节均采用基于全控型器件的四象限运行的变换器，不仅可，使电流波形控制为正弦。双变换器主电路拓扑结构如图16所示，为方便起见，将整个系统分流电网侧、网侧变换器、直流侧、转子侧变16双双变换器在结构上、功能上都相对独立。网侧变换器的主要功能是实现对交双变换器的两个变换器均可实现能量的双向流动，两侧均可在整流/逆变状DFIG在亚同步运行状态下运行时，网侧变换器运行在整流状态，转子侧变换DFIGDFIG在超同步状态下运行时，网侧变换器运行在逆变状态，机侧变换器运行在整流状态，能量从DFIG转子流向电网。双型变换器具有较强的无功功率控制能力。由于DFIG是异步发电机，空载17发电机侧原理图由于采用了双脉宽调制系统，所以在发电机侧采用电路。这样本身就具BOOST升压功能，无需额外的升压电路，发电机可以在很宽的风速范围内运行，而且允以6个逆变器电子开关，每个开关并联一个续流二极管，防止电流反向时烧坏。随着控制角的不同，逆变器正向工作时，稳压电容上就出现不同的电压波形：18α=300α=60Ud波形19ß=300ß=60Ud 图20电网侧S变换器拓扑结图21三相波形与谐1四、主电路无源器件参数计（1）滤除交流侧谐波电流，实现交流侧正弦波电流或一定频带范围内的任(2Udc3Em)EmTsL2Udc其中，Udc为直流侧电压

3ImEm为电网电动势峰值Ts为一个开关周期Im为交流侧正弦波电流峰值3本文中取三相整流所得到的最大直流电压Udc 33sm3sm因此imax51005AIm=100A100

3.3mHL3LrIC 其中ri为电流纹波Im为交流侧正弦波电流峰值Udc为直流侧电压五、主电路有源器件参数计，。 在智能化方面得到了迅速发展，智能功率模块IPM(In ligentPowerModule)不，。基于以上所述的优点，本文中选择作为有源元件，并且具体提出选 模块是一个半桥结构，如图22所示。查阅其datasheet，可以得知，其22FF200R12KT3参考电路图六、有源电路的驱动、保护原理设相以避免大功率电路破坏小功率电路。驱动主要分为电磁与光电两种模式光电利用光电效应通过转传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十kHz。电磁主要以脉冲变压器作为隔图23IR2110在众多驱动中,IR2110是一种利用自举电路同时控制上下两桥臂开关的芯IR2110引出的S信号由于存在振荡的原因不能直接用于控制的开、关。对此，24实际每个IR2110的接线如图25所示，自举功能通过二极管D2与电容C33配合完成，由单片机输出的MSFET控制信号经由11与13号管脚进入控制 25IR2110电网过电流保经测量电阻采样得到-10V~+10V电压，经过运放U22叠加获得W相电流信号，每一相电-50A+5V~-5V，6器输出进与门相与输出为1，经光耦得到OI_ERROR输出为1，保护电路不动作。一旦过流，比较器相与后输出信号为0，经光耦得到OI_ERROR输出为0，发出过流警报信注：U27+5V；U28“-”端电压为-当三相电流正常时W相电流对应的电压信号在+5V~-5V之间U27较器输出为1，U28比较器输出为1，同理其余比较器的输出也均为1，则与门输出1，经光耦得应的电压信号至少有一个大于+5V或者小于-5V，假设W相出现过电流，若电压大于+5V，则U27输出为0，若电压小于-5V，则U28输出为0，故此时经光耦得到OI_ERROR输出为26电网欠电压保27此保护中增加了储能装置，采用能量可以双向流动的DC/DC变化器，能量设备可以选用蓄电池或者超级电容。当电网电压跌落时，风力系统输出的多余的能量在能量压，风能系统继续安全并网运行。此设备也可以用来为电网提供有功功率。这种保护方式的优点是能量可以再利用，而缺点是需要额外的能量设备，增大了结构的复杂程度，电网过电压保28浪涌电压保

Ldi

，癿安全。29七、控制、检测与保护电路原理设控制系统硬件框实验系统对控制部分的要求有：能够完成对整流器控制所需信号量；DSP应30[7]：30控制介基础。目前，应用最广泛的DSP是1rI(德州仪器)公司的产品，占到全球市场的60％左右，并广泛应用于各个领域。1MS320u240xA是1rI推出的DSP微控制器产品系列。TMS320LF2407A是这一产品系列最具代表性的产品与本系列其它相比TMS320I砣407A64K控制电路主要模31[7]。TMS320LF2407A(PLL)功能，用来从一个较低频CLKIN和XTAL2引脚之间，内部震荡器能被使能，本控制系统采用有源晶振，与无源振相比有更强的性CLKIN=10MHz，和DSP片内锁相环配合，如果PLL编程得到的倍频为4，那么就可以获得CIKIN×4=40MHzCPU尽量DSP片内PLL，降低片外时钟频率，

31的部分需要5V电源，而且LF2407A的供电电压只能是3．3V，因而需要将±15V电REG1117-5.015V／5VREG1117-3.3的转换(a)15V5V（b）5V3.3V32电源转换单元36GP(通用定时器)比较产生的独立的输出组成边沿触发或不对称信号的特性由周期中心不对称的调制脉冲规定，如图33所示，每个脉冲的宽度只能从脉冲的一边开始变化。在图中给出了管理器EVA模块下的非对称的信号，需要将通用定时器l设置为连续增计数模式。通用定时器1的周期寄存器中装入了所需要的载波周期的值。COMCONA寄存器中的相应位用来设置比较操作使能，再将选中的输出引脚置成输出并且使能这些引脚输出。如果死区被使能可以通过软件图33不对称波用软件对工作模式控制寄存器ACTRA进行正确配置之后，与比较单元相关的一个输出引脚上将产生一路正常的信号，与此同时，另一路输出引脚可在周期的中可以重新写入新的比较值，以调整用于控制功率器件的导通和关断时间的输出的宽存器中，以改变周期或强制改变的输出方式。对称信号的产生特性由周中心对称的调制脉冲规定。对称信号相比于非对称信号其优势在于它在一个周信号比不对称信号引起的电流谐波成分更小。图34对称波对称信号的产生与不对称的控制信号的产生相似，唯一的不同之处在于，用定时器的计数模式应该设置为连续增／减计数模式。图34中给出了对称波形。在称波形发生的一个周期内通常有两次比较匹配：一次发生在周期匹配之前的增计数阶的值，从而提前或推迟了脉冲的第二个边沿的到来。电压电流检测电在Vo的出线上装有一个变比为1000:1的电流互感器和变比为200:1的电压互感器

Vi

1000

(Im

2035期，进而改变逆变电压的频率。f=150MHz，fREF=50Hz，则频率误差为：f

f定时器

fref频率精度为：1-△f/f99.%②同相控制：将逆变电压经过过零检测，DSP2812测之间的时间差就能够通过该定时器的计数器的值计算得到再经过计算得到两个波形

电压过零点检测AC6D6、D5、R2l15VA进入正半周之后，A1.4VT4开始导通，C6R20LEDT4LEDT4的集电极电流很大，C6LEDT4短暂导通。C6的容值为0.1uF，同步输出端将变低约。改变C6的容值可以改变脉冲时间。输出经电阻分压后接DSP的捕获单元CAP1。36八、散热设为了使功率开关器件，必须确保器件结温TJ<TJ,max，而且不仅在额定负荷TJ,max保证充分余量。热阻的概念：热平衡条件下两点间的温差与产生该温差的耗散功率之比即为热阻，热阻的等效电路如图37所示。Rth=ΔT/Ploss对

37热阻的等效电路RthCA

RthC

RthSA

一般取TJ=125℃-150℃，TA考虑最高温度工作情况取TA=50R

/管芯－管壳热阻RthJC的选择方法（由器件参数决定）高2、采用器件并联或电路多重化，相当于多个热阻并联，可以有效降低热阻，同样成本会3、管壳与散热器的接触热阻也由厂家提供，接触面上要用导热硅脂填充导热界面，减小散热器热阻RthCA的选择（由散热方式与散热器结构决定2、散热方式有自然空冷、强制风冷、水冷、油冷、热管散热等自然风冷（1，小功率中常用（3～4，（15～150，油冷（15～30，量较水冷小，循环油冷效率可提高3倍（30～40散热设计工作在正弦逆变状态的损耗可分别按下三式