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本科生毕业设计说明书(毕业论文)hasbecomethehottestresearchtopicintheareaofrenewautilization,andithasbecomethestudyfocusonhowtoconvertthevaenergyintopowerwhichcanbeconnectedtogrid.BasedonthewindpowerofthegeneraWindturbine-gridinverteristhecorepartofthisrectifier+Boost+PWMinverterprogramandintroducedthenon-controlledForwindturbinesandgridsystemabriefintroductionandcontroltinvertercircuit,inordertorequirementsofthepublicpowergrid.Keywords:Windpower;Non-c摘要I第一章绪论11.3.2风电的三个发展阶段31.4.2市场供求状况51.4.3行业技术发展趋势51.5本章小结62.2.2磁场调制式发电机系统152.2.4开关磁阻式发电机系统172.2.5无刷双馈发电机系统172.2.6绕线转子双馈发电机系统192.2.7直驱型风力发电系统212.3本章小结223.1引言233.2风力发电机的并网方式概述233.3.1空载并网方式273.3.2带独立负载并网方式273.4本章小结294.1引言304.2系统结构设计314.3变流部分设计334.3.3升压斩波技术354.3.4逆变技术384.4不可控整流+Boost+逆变方案424.5本章小结435.1引言445.2DSP控制器的发展与特点445.4系统保护电495.4.1电流检测495.4.2电压检测505.4.3IPM的自保护515.4.4IGBT驱动和保护电路525.5系统电源545.6系统最终方案的确定565.7本章小结56 57 1.1世界和我国风力发电发展状况正比关系。机在运转。利用风力发电,以丹麦应用最早,而且使用较普1.2.1世界风能资源储量丰富1.2.2世界风电装机容量快速增长的成本最低。国的风电平均成本为0.50元/(kW·h),总成本费用已经接近新投资的水电和火电。增速达到28.33%。根据全球风能理事会(GWEC)公布的最新数据,2007年全球新增风电装机容量为132.3%与156%,增长幅度同居世界第一位。1.3风电在我国的发展状况1.3.1我国的风电资源丰富详细测算。“三北”(东北、华北、西北)地区风能丰富带包括东北3省和、等省区近200千于大规模地开发风电场。特别是东南沿海,由海岸向陆丘陵连绵,风能丰富地较丰富。20%,发电量增加70%。在陆上设计寿命20年的风电机组在海上可达25年到30年,且距离可持续能源。1.3.2风电的三个发展阶段安装风电机组131台,装机容量为33.285万千瓦,平均年新增装机1.3.3中国是目前全球风力发电增长最快的市场其是07年累计的风电装置容量已达6050MW,较06年增长133%,增速居世界之冠。2007年1.4我国风电设备制造业前景广阔1.4.1国际国差距正在缩小球市场75%的份额。国际厂商产品占国市场份额的比例分别为75.35%、70.的差距将缩小。1.4.2市场供求状况在未来很长一段时期我国对风力发电设备的需求将持续保持强劲增长态势咱2003根据国家原风电发展规划,我国风电的总装机容量将增长到2010年的500万千瓦,20202006》预测,2011年中国风电装机总量将可能达到1740万千平衡、略有短缺的局面。1.4.3行业技术发展趋势(2)采用无齿轮箱直接驱动技术的风电机组的市场份额在迅速扩大无齿轮传动提高输出功率较大丶效率较高。较高,发电量比陆地高出20-40%。因此,风力发电强1.5本章小结位和未来的发展前景。第二章风力发电系统工作原理与其分类2.1风力发电的工作原理空气比冷空气要轻。移动较快(较热)的空气粒子比移动较慢的粒子产生的压力大,因1.转子叶片——叶片在本质上是系统的帆;它们以最简单的方式充当风的障碍(更转子将它的机械转动能转移到转轴,而转轴另一端连接着发电机。应的特性产生电压,也就是电荷差异。电压在本质上是电的压力,它是将电(或者说是电流)从一点移动到另一点的力。因此产生电压实际就是产生电流。简单发电机由磁体电压。电压使电流(通常是交流电,也叫作AC电流)通过电线流出以进行配电。变速箱,用于缓慢左右移动整个转子。风力机的电子控制器读取风向标设备(机械或电子风向标)的位置,并调整转子位置以尽量捕获最大的风能。水平轴风力机使用塔架将风力机组件上升到最适合风速的高度(这样叶片便不会碰到地面),并且占用非常少的地6.电子控制装置——监视系统,用于在出现故障时地面。10.电力设备——从发电机向下通过塔架输送电流,还可控制风力机的多个安全部空气动力学原理以最有效地捕获风能。风力机转子中的两个主要空气动力是上升力(与风向垂直作用)和阻力(与风向平行作用)。面经过时,它必须加快速度才能与时到达叶片末端,以追上从叶片逆风的较平面上(也就是面朝风吹来的方向)经过的风。由于移动速度较快的空气将在大气中上升,顺风的(因此转子直径越大),涡轮可从风中捕获的能量越多,发电容量也就越大。通常,将转转子直径(米)输出功率(kW)在风速为33mph(约15米/秒)的情况下,多数大型风力机能够达到其额定功率,在45mph(20米/秒)下,多数大型风力机关闭。有许多可在风速威胁结构时关闭风力机的组成是一个位于小底座上的与链条相连的金属球如果风力机的振动开始超过某个阈值,样做可以减慢叶片的转动。角度控制系统要求(转子上的)叶片安装角度是可调整的。陡,以至于开始消除上升力,从而降低叶片速度时,2.2风力发电系统分类从当前世界的发展趋势来看,容量小于750kw的系统尚可用定桨距失速调节技术,目前运用较多的还是恒速恒频风力发电系统恒速恒频风力发电系统的一个弊端是,这些部件上产生很大的机械应力,上述过程的重复出现将会引起这些部件的疲劳损用系数。2.2.1交一直一交风力发电系统机系统。2.2.2磁场调制式发电机系统原理:系统由一台高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成,图2.2示出磁场fm的低频交流电励磁(f即为所要求的输出频率,一般为50Hz),当频率f远低于频分量组成的调幅波,这个调幅波的包络线的频率是,包络线所包含的高频谐波的频率f±f电机(,)f简单容易,系统效率较高。并联运行十分简单可靠。无刷爪极式发电机的定子铁心与电枢绕组与同步发电机的一样,区别仅在于它的励频发电。发电机交-交变流器电网优点:有较高的效率。2.发电机为无刷结构,易维护。速比运行。2.2.4开关磁阻式发电机系统优点:1.开关磁阻式发电机能量密度大;结构简单,2.系统在并网时没有电流冲击;可调节无功功率。系统是目前研究的热点之一。2.2.5无刷双馈发电机系统如图2.4所示,系统采用的发电机为无刷双馈发电机。其定子有两套极数不同的绕fp±fe=(pp+pe)fm式(2.1)转子机械频率;Pp为功率绕组的极对数;P.为控制绕组的极对数。现了变速恒频控制。为无刷双馈发电机总功率的一小部分,这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率的p./ (pp+Pe),因此图2-4中所示的双向变流器的容量也仅为发电机容量的一小部分。这构,易维护。缺点是定子的设计比一般的笼型发电机复杂。这种系统2.2.6绕线转子双馈发电机系统子侧只处理转差能量。优点:输出功率的33%,而发电机转速可以扩展到同步转速的50%左右。器容量和成本。3.无功功率控制可以用较小容量的变流器实现,因为双馈在风力发电中采用绕线转子双馈发电机系统,可经济效益。要求。幅值、频率、相位连续可调;输出频率围满足双馈发电机的调速围要求,即70%同步转转子励磁变流器通常包括两个部分:网侧整流器和转子侧逆变器,如图2-5所示。证网侧功率因数为1;转子侧逆变器为双馈发电机提供交流励磁电流,以控制发电机实图2.5转子励磁变流器主电路结构2.2.7直驱型风力发电系统控制性能好,控制复杂,谐波含量低,成本电网风力机永磁同步发电机PWM整流器PWM逆变器图2.6PWM整流器后接电压源型PWM逆变器主电路结构2.3本章小结所了解。第三章风力发电机并网方式对比分析3.1引言3.2风力发电机的并网方式概述时不仅引起电力系统电压的大幅度下降,并且可能对发电机和机械部件(塔架、桨叶、增速器等)造成损坏。如果并网时间持续过长,还可能使系统瓦解或威胁其他挂网机组3.2.1同步风力发电机的并网技术电能质量高已被电力系统广泛采用然而,把它移植到风力发电机组上使用却不甚理想,3.2.2异步风力发电机的并网技术这种方式只要求发电机转速接近同步转速(即达到99%-100%同步转速)时,即可并供电系统将受到4-5倍发电机额定电流的冲击,系统电压瞬时严重下降,以致引起低电压保护动作,使并网失败。所以这种并网方式只有在与几倍的地方使用。值与电网电压下降的幅度如比利时200kW风力发电机组并网时各相串接有大功率电阻。阻退出运行。而增大,经济性较差。它适用于小容量风力发电机组(采用异步发电机)的并网。捕捉同步点的方法进行准同步快速并网。据说该技术可不丢失同期机,准同期并网工作(1)发电机与系统之间通过双向晶闸管直接连接。这种连双向晶闸管导通阶段开始(即异步发电机转速小于同步转速阶段),异步发电机作为电动3.3适用于变速恒频发电机的并网方式相连。3.3.1空载并网方式空载并网方式如图3.1所示,这种方式的思路为:并网前,双馈感应发电机空载,3.3.2带独立负载并网方式带独立负载并网方式如图3.2所示,其基本思路为:并网前双馈感应发电带负载运变速恒频双馈发定子信息电网图3.2带独立负载并网方式带负载并网方式发电机具有一定的能量调节作用可与风力机配合实现转速的控制,速失控,应由原动机来控制发电机组的转速。对于带独载,发电机参与原动机的能量控制,表现在一方面改变电流量。3.4本章小结第四章风力发电机并网发电系统总体方案设计4.1引言定容量的旋转备用以响应风电场发电功率的随机波动维持电力系统的功率平衡与稳定。研究新的无功补偿与电压控制策略以保证风电场和整个系统的4.2系统结构设计电。并网运行风力发电系统结构如图4.1所示。发电机无功补偿转速测量功率测量图4.1风力发电机并网发电系统框图风力机是吸收风能并将其转化成机械能的部件风以一定速度和功角作用在桨叶上,(2)机械部件传功的减少,降低了机械损耗(3)取消了齿轮箱,传动轴,机组水平轴方向长度大大缩短,增加机组稳定性。源,没有集电环和电刷,简化了结构,提高了可靠性和机组效(6)发电机功率因数高,其值接近或等于1,提高电网运行质量。无功功率补偿装置在电力供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数,降低供电变压器与输送线路的损耗,提高供电效率,改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置,可以做到最大限度的减少网络的损耗,使电网质量提高。反之,如选择或使用不当,可能造成供电系统,电压波动,谐波增大等诸多因素。5.控制系统风力发电机并网发电系统中的控制系统主要是测量风速、风力机转速丶无功功率;并对桨距、变流部分、主继电器等进行控制,是整个系统中最核心的部分。对于变流部分将通过下一节进行较为详细的介绍,本节不再赘述。4.3变流部分设计变流技术作为风力发电机并网发电系统主电路中关键的技术环节,对整个系统起着至关重要的作用。本设计中主要采用不可控整流+Boost+逆变方案,也是风力发电系统中广泛采用的一种变流技术。本节将分别介绍独立的不可控整流技术、Boost升压斩波技术和逆变技术,以便更好的对变流部分主电路的理解。4.3.1不可控整流技术4.3.2电容滤波的三相不可控整流电路在电容滤波的三相不可控整流电路中,最常用的是三相桥式结构,图4.2给出了其电路拓扑。R图4.2电容滤波的三相桥式不可控整流电路按指数规律下降。设二极管在距线电压过零点δ角处开始导通,并以二极管VD6和VD1开始导通的时刻为时间零点,则线电压为而相电压为式(4.2)在wt=0时,二极管VD6和VD₁开始同时导通,直流侧电压等于uab;下一次同时导通的一对管子是VDi和VD2,直流侧电压等于ua。这两段导通过程之间的交替有两种情况,一种是在VDi和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的,交流侧向直流侧的充电电流id是断续的,如图4.2所示,另一种是VD₁一直导通,交替时由VD6导通换相至VD₂导通,id是连续的。介于二者之间的临界情况是,VD6和VD1同时导通的阶段与VDi和VD₂处恰好衔接了起来,id恰好连续。由前面所述“电压下降速度相等”的原则,可以确定临界条件。假设在的时刻“速度相等”恰好发生。4.3.3升压斩波技术斩波技术实现的是直流到直流的变换,直接驱动型风力发电系统中,采用不可控整流方案的场合很多,此时发电机(通常采用永磁发电机)发出的三相电通过三相不可控整流桥整流后,再进行逆变然后并网发电。但由于同步发电机在低风速时输出电压较低,无法将能量回馈至电网,因此实用的电路往往在直流侧加入一个Boost升压电路。在低速时,由升压电路先将整流器输出的直流电压提升。采用此电路可使风力发电机组运行在非常宽的调速围。Boost电路是风力发电系统中主要用到的斩波技术,其具有输入电流连续丶拓扑结构简单。效率高等特点。LLVVOt0Otb)升压斩波电路(BoostChopper)的原理图与工作波如图4.3所示。该电路中也是使用一个全控型器件。即EI₁tm=(U₀-E)L₁tor式(4.3)a+β=1式(4.5)因此,式(4.4)可式(4.6)EI₁=U₀I₀式(4-7)4.3.4逆变技术接有电源时,称为有源逆变;当交流侧直接和负载以单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理图4.4中S1~S4是桥式电路的PWM(PulseWidthModulation,PWM)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即 随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等,而本文介绍的是采用的脉宽PWM法。它是把每1.理论基础:仅在高频段略有差异。2.面积等效原理:把一个正弦半波N等分,如图4.6所示,然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围分的中点重合。这样,由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效。同样,正弦波的负半周也可用一样的方法来等效。据。人们引用通讯技术中“调制”这一概念,以所期望的波形作为驱动电路后,控制开关V1~V4的通断,经直流电压逆变为单相交流电压提供给负载。改变调制信号的周期与幅值,就可以改变主开关的输出脉冲周期与占空比。SPWM由两种控制方式,可以是单极式,也可以双极式,其波形如图4.8所示。两种控制方式调制方法一样,输出基本电压的大小和频率也都通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的,只是功率开关器件的通断情况不一样。采用单极式控制时在正弦波的半周期每相只有一个开关器件开通或关断,双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断,处于互补的工作方式。4.3.6电压源型PWM逆变方案电压源型PWM你便方案是当前主要应用的逆变方案,该方案的拓扑如图4.9所示,采用的结构为三相全桥,开关器件为全控型开关器件,如IGBT、MOSFET等。图4.9中,a相桥臂的上管和下管编号为1和2;b相桥臂的上管和下管编号为3和4;c相桥臂的上管和下管编号为5和6。其基本工作方式也是180°导电方式,即每个桥臂的导电角度为180°,同一相(即同一半桥)上下两个臂交替导电,各相开始导电的角4.4不可控整流+Boost+逆变方案能。主电路拓扑如图4.10所示。DCDC/DC变换器L永磁同步风力机图4.10直驱型风力发电机系统拓扑图4-10中的DC-DC变流器为Boost电路。Boost主电路一般由不可控感丶开关管和滤波电容组件。其输入侧有储能电感,可以减减小输出电压文波,对负载呈现电压源特性。利用Boost电路在斩波的同时,还实现功波跟随输入电压相位。2、当风速变化时,不可控整流得到的电压也在变化,而通过DC-DC变流器的调节可以保持直流侧电压的稳定,使输出电压保持恒定。不可控整流+Boost+逆变并网系统方案的优点:①控制电路简单可靠;②无最大、最小速度限制,调速围宽;③发电机不承受高的,电磁兼容性好;④对电网波动不敏感。但是同样也存在一定的缺点:①三级变换(整流、升压、逆变)使系统效率下降2%-3%;②直流环节需要高压、大容量的电容,其体积大、价格高;③网侧电感容量较大。4.5本章小结从本章开始,本文已进入了核心设计部分,在本章中,主要对系统的整体框架做了简要介绍,并对主电路部分中的不可控整流电路、Boost斩波电路和PWM逆变电路做了比较详细的分析介绍。第五章风力发电机并网发电系统的硬件设计5.1引言数据接收分析和控制。5.2DSP控制器的发展与特点核心部分就是自然之事。计算机真正在自动控制系统中发挥重要作用还是缘起20世纪70年代微处理器配上一定的存储器、I/0接口和其他外设,就可构成自动控制系随着大规模集成电路技术不断改进,一方面微处理器由8位向16位、32位甚至64位发展,再配上外围设备后便形成单板机或微型机(也称为个人计算机,Personal有低挡的1位、4位和8位单片机,也有高档的8位、16位单片机。DSP(DigitalSignalProcessor)实际上也是一种单片机它同样是将中央处理单元、实时信号,可高速进行快速傅里叶变换运算。它包含灵活可变的I/a)采用哈佛结构的方便。成,使得DSP非常适合于数字信号处理;或基本不影响DSP处理速度的情况下,作并行的数据传送,这为DSP之间的串联和提供了方便;仿真接口和高级语言编译器;(1)一个指令周期能完成一次乘法和一次加法;(2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据;(3)片具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线同时访问两块不同区域;(4)具有低开销或无开销循环与跳转的硬件支持;(5)快速的中断处理和硬件支持;(6)具有在单周期操作的多个硬件地址产生器;(7)可以并行执行多个操作;(8)支持流水线操作,使其指令、译码和执行等操作可以重叠执行;由于具有以上特点数字信号处理器在新能源数字控制领域得到了极为广泛的应用。重要供应商包括美国的仪器公司(TI),A芯片约占世界DSP芯片市场的5096。化的器件代表了传统微处理器与通用DSP处理器方案的重大突破特别是近年TI公司又原来具有更高的性能。TMS320LF2812是新一代C2000定点处理器,和原有的产品相比它具有精度高(32bit),速度更快(150M)。接口更丰富等许多突出特点,是目前新产品设计的首选。它的主要特点为:(1)主处理芯片:TMS320F2812,运行速度为150M;(2)工作速度可达150MIP;(3)片上RAM18*16bit;(4)片上扩展RAM存储空间64K*16bit;(5)自带16路12bitA/D,最大采样速率12.5msps;(6)4路的DAC7617转换,100K/S,12bit;(7)两路DART串行接口,符合RS232标准;(8)16路PWM输出;(10)片上128*16bitFLASH,自带128位加密位;5.4系统保护电输出故障中断,封锁PWM波型输出。限流启动是由于5.4.1电流检测闭环(补偿)电流传感器。LTS6-NP具有多测量围(能选择2A,3A,6A的测量围),出色其部结构和外部接线如下图5.1所示输出电压信号输出电压信号1Ref6IN(串到回路中)RLTS6-NP具有可调测量围的功能,主要是因为LTS6-NP部有1-6个可跳接的管脚。选择不同的跳接方式,测量围也就不同,测量精度也随之变化。所以在使用LTS6-NP5.4.2电压检测感器为基础。所以该电压传感器具有电流传感器的优越性。下图5.2是电压传感器的接RRM5.4.3IPM的自保护控制电源控制电源驱动输入故障输出温度检测主端子因这一电源电压低于规定的欠压动作值(UV)该功率器件将被关断并输出一个故障信号。b)过热保护(OT)。在靠近IGBIGBT将被关断tor(oc)=10μs,同时输出一个故障信号。若过流时间小于tr(oc),d)短路保护(SC)如果负载发生短路或因系统控制器故障而导致上下桥臂同时导通,IPM置短路保护将关断IGBT,同时输出一个故障信号。达到了50KHz,专门设计了高速型的IGBT驱动和保护电路如图5.3所示,该电路同时具抑制驱动时的浪涌电流,同时抑制误触发。在G-S间连接10KΩ左右的电阻R₆s

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