小型风力发电机并网逆变器设计

○○A基础理论●B应用研究○C调查报告○D其他本科生毕业论小型风力发电机并网逆变器设计二级学院：信息科学与技术学院专业：电气工程及其自动化完成日期：2015年5月24日目目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 21.1风力发电概述 21.1.1国外风力发电的概况 21.1.2国内风力发电现状与前景 31.2论文的主要结构组成 42小型风力发电单相并网逆变器主电路的设计 42.1小型风力发电装置结构 42.2单相并网系统总体设计方案 42.3主电路的拓扑结构 52.3.1整流环节的选择 52.3.2升压环节拓扑结构的选择 52.3.3逆变环节拓扑结构的选择 62.4直流升压电路的设计 62.4.1boost升压电路基本原理 72.4.2升压电路的设计 72.5单相全桥SPWM逆变电路的设计 92.5.1逆变电路的基本工作原理 92.5.2SPWM控制方法 102.5.3逆变电路功率器件的选择 112.5.4逆变输出滤波电路的设计 113小型风电单相并网逆变器的仿真 113.1SPWM发生器的仿真模型 113.2Boost升压电路仿真模型 133.3单相全桥SPWM逆变电路仿真模型 143.3.1开环逆变电路仿真模型 144总结 15参考文献 17致谢小型风力发电机并网逆变器设计摘要：本文主要研究小型单相并网风力发电系统中的电力变换部分。首先选择了总体拓扑结构，分析了前级整流电路、Boost升压电路和电压型单相全桥逆变电路的工作原理，同时对各电路参数的选择作了理论推导和计算。接着对控制策略进行了分析。最后利用MATLAB/Simulink搭建了系统仿真模型，对系统各部分作了仿真分析。关键词：单相并网；逆变器；风力发电；Boost电路Thedesignofinverterandgrid-connectedsmallwindsimulationAbstract:Thetitlestudysmallsingle-phasepowerconversionpartofgridwindpowergenerationsystem.Firstchoosetheoveralltopology,thefront-endrectifiercircuitisanalyzed,andtheBoostboostercircuitandvoltagetypesinglephasefullbridgeinvertercircuitprincipleofwork,atthesametime,theselectionofcircuitparametersforthetheoreticalderivationandcalculation.Thenthecontrolstrategyareanalyzed.FinallybyusingMATLAB/Simulinktobuildthesystemsimulationmodel,thevariouspartsforthesystemsimulationanalysis.Keywords:powergridsingle-phaseaccess;inverter;Windpower;theBoostcircuit1绪论1.1风力发电概述1.1.1国外风力发电的概况风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视,其在地球上蕴量巨大。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍[1]。风很早就被人们利用主要是通过风车来抽水、磨面等,而现在,人们感兴趣的是如何利用风能来发电。风力发电机组技术的发展经历了从多种结构形式逐步向少数几种过渡的过程。20世纪80年代初期,市场上有上风向式和下风向式；风轮主轴有水平的和垂直的；风轮叶片数有三个﹑两个﹑甚至一个的；叶片材料有木头的和玻璃钢的。到现在只剩下以水平轴﹑上风向﹑三叶片的机组为主,其中又有定桨距和变桨距风轮,定转速和变转速发电机,有齿轮箱和无齿轮箱等几种。以欧美等发达国家为代表，全球风电呈现出规模化的发展态势[2]。欧洲风电装机在2014年实现了小幅增长，新增装机容量达到12820MW,比2012年的历史最高装机纪录稍逊。德国5279MW新增装机容量超越了其之前的装机纪录,稳居欧洲首位；英国表现不俗,以1736MW装机容量位居欧洲第二；瑞典装机容量首次超过1000MW，达到1050MW；法国位列欧洲第四，装机容量达到1042MW。非洲最大的风电场摩洛哥Tarfaya风电场（300MW）并网并投入运营,南非风电起步稳健，2014年实现了560MW的新增装机容量,使得非洲总装机容量达到934MW。巴西以2472MW新增装机容量继续引领拉丁美洲。拉丁美洲总装机3749MW。其中智利506MW,乌拉圭405MW。美国风电在2013年的低谷后开始回暖,年新增装机达到4854MW。加拿大1871MW的装机容量创历史纪录,墨西哥522MW的装机成绩也表现不俗。澳大利亚由于过去一年政府政策的变化对可再生能源影响巨大，然而，567MW的装机容量依然表现不凡。为促进风力发电的发展，世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策，主要包括有:投资补贴、低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、从电费中征收附加基金用于发展风电、减排C02奖励等。欧洲的德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶持、直接补贴的措施发展本国的风力发电事业；美国通过金融支持，由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业；印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流来发展风力发电事业；日本采取的措施则是优先采购风电。多种多样的优惠政策促进了各国风力发电的快速发展[3]。1.1.2国内风力发电现状与前景中国的风能资源十分丰富。根据全国900多个气象站的观测资料进行估计[4]，中国陆地风能资源总储量约32.26亿KW,其中可开发的风能储量为2.53亿KW，而海上的风能储量有7.5亿KW,总计为10亿KW。据有关部门预测,我国可利用风能资源约为16亿千瓦。在我国,约20%的国土上具有比较丰富的风能资源，其主要分布在东南沿海及其附近岛屿,以及西北、华北和东北地区,特别是新疆和内蒙古的风能资源极为丰富。目前,我国风能利用发展很快,无论是发展规模还是发展水平都比以前有很大提高。风能作为一种无污染、可再生且运行成本低廉的新能源,在我国有着巨大的发展潜力和广阔的市场前景。近两年风电行业继续保持较快发展势头,据国家可再生能源信息管理中心的信息,2014年我国新装风电并网容量1981万千瓦,新增装机容量创历史新高,累计并网容量9637万千瓦；新增风电核准容量3600万千瓦,同比增加600万千瓦；风电单机功率显著提升,2兆瓦机型市场占有率增长9个百分点。风能已成为仅次于煤电、水电外的第三大发电能源。目前,我国已经成为全球风力发电规模最大、增长最快的市场。在能源结构调整和发展清洁能源的迫切需求[5],及风电鼓励性政策的引导下,2014年中国风电行业迎来了新的发展机遇。整个产业的发展回归理性健康的道路,增长方式也将继续发生变革。风电设备行业的市场秩序得到规范，技术门槛也在不断提高,市场需求逐渐从原来的重规模到重效率、从重速度到重质量、从重装机到重度电成本过渡。2015年,这种行业变革将继续推进,并且促进中国风电行业走向新的发展阶段。我国风力发电行业发展前景广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。在“十二五”期间，我国风力发电新增装机速度仍将继续保持较快增长,风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域已成为投资热点,市场前景很好。预计到2020年，将在新疆﹑甘肃﹑内蒙古﹑河北﹑东北以及江苏沿海等地建立6个千万千瓦风电基地，在河北﹑内蒙古﹑辽宁等地建立若干百万千瓦风电基地。1.2论文的主要结构组成第一章主要论述了世界风电发展的概况及其我们中国近几年风力发电的情况与对风力发电前景的预测。第二章介绍了绍小型风力发电系统并网逆变器主电路的拓扑结构和各部分元器件参数的选择以及单相并网的控制方法。第三章主要介绍搭建小型风电单相并网逆变器的MATLAB仿真模型。2小型风力发电单相并网逆变器主电路的设计2.1小型风力发电装置结构小型风力发电系统由风电系统、整流系统、逆变系统构成，如图1所示。交流负载逆变系统整流系统风电系统交流负载逆变系统整流系统风电系统隔离变压器直流负载隔离变压器直流负载电网电网图1小型风力发电系统框图小型风力发电系统是利用小型风力发电机组将风能转换成电能,如图1所示，小型风力发电输出的不稳定的交流电经过整流系统变为低压的直流电，再通过逆变系统转化为交流电[6]。实现并网，需要在逆变系统和电网之间加上隔离变压器。整流、逆变环节是整个小型风力发电系统的重要组成部分,也是技术的关键所在。逆变系统通过逆变电路提供交流电供交流负载使用也可以并入电网。本文主要研究小型风力发电装置当中的整流、逆变部分。2.2单相并网系统总体设计方案小型风力发电系统中的单相并网逆变器,将由风力发电机产生的三相交流电经过整流环节后,变成低压直流电,然后通过boost电路进行升压变为直流高压，升压后的直流通过单相并网逆变器后变成与电网电压同频率和同相位的交流电并入电网。小型风力发电中并网逆变电路的直流电压是由前级整流电路提供的，一般为48V左右[7]，因而需要经过升压后才可逆变为220V/50HZ的工频交流电。所以必须采用升压电路，实现升压作用后再连接逆变电路。如图2所示，单相并网主电路由流电路、升压电路、逆变电路和隔离变压器四部分组成。工作原理为：前级先将风力发电机经整流输出的48V直流电经过boost升压到达310V左右的直流高压,再以单相全桥结构逆变成220V/50HZ可并入电网的交流电。图2主电路设计原理图2.3主电路的拓扑结构2.3.1整流环节的选择三相不可控整流电路如图3所示。其作用是将风力发电机输出的三相交流电转化为直流电供后级的电路使用。图3三相不可控整流电路2.3.2升压环节拓扑结构的选择直流升压有很多种方法,有直接DC-DC变换器,电气隔离型DC-DC变换器。直接DC-DC变换器中包含Boost升压电路,buck-boost升降压电路等。带电气隔离的升压电路多为DC-AC-DC变换电路,其结构复杂,体积较大。带电气隔离的升压电路多为DC-AC-DC变换电路,其结构复杂,体积较大。直接变换电路中boost升压电路结构简单、用到的器件很少可以实现简单的直流升压boost电路拓扑结构如图4所示。图4简单Boost电路2.3.3逆变环节拓扑结构的选择逆变电路根据直流侧是电压源还是电流源分为电压型逆变和电流型逆变，按相数分为单相、三相逆变电路。本文研究的是小型风力发电系统,所以选择单相逆变。对于单相逆变电路,单相半桥式逆变电路在输入端只能产生两种电平,因此采用脉宽调制的方式在输入端生成的是双极性的调制波[8],其逆变桥输出电压的幅值Uab只有直流母线电压的一半，欲得到和全桥相同的输出功率，高压开关管必须流过两倍的电流，而且它必需有两个输入电容,一般只宜获得中等功率的输出。全桥逆变电路中四个开关管VT1-VT4组成了两个桥臂,每个开关元件都并联反向二极管为电感电流续流提供通路,与半桥电路相比控制相对复杂，但灵活度更大，电压源VDC上并联大电容以吸收无功电流,减小电压纹波。采用全桥逆变电路,输出电压、电流的幅值为半桥逆变电路输出幅值的两倍[9]。克服了半桥逆变电路直流侧串联电容的电压均衡问题。所以DC-AC变换级选择单相全桥逆变电路。其电路图如图5所示。图5单相全桥逆变电路2.4直流升压电路的设计2.4.1boost升压电路基本原理假设L和C值很大,V处于通态时,电源E向电感L充电，电流I1恒定,电容C向负载R供电,输出电压Uo恒定。V处于断态时,电源E和电感L同时向电容C充电,并向负载提供能量[10]。当电路工作处于稳态时,一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：(1)(2)将升压比的倒数记作β,即，则β和导通占空比α有如下关系：(3)式2可以表示成：(4)输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住[11]。如果忽略电路中的损耗,则由电源提供的能量仅由负载消耗，即：(5)输出电流的平均值Io为：(6)(7)2.4.2升压电路的设计本文设计的升压电路要求将直流电压由48V升高到310V左右。己知被升电压和所要求达到的电压,就可得到其开关器件IGBT的开关触发脉冲的占空比α。由式7可以得到:(8)代入参数得：(9)由于需要引入负反馈的闭环控制，所以开关器件的触发脉冲占空比肯定不能固定为某一常数[12]，而是需要不断的微调变化,下面是关于可调的脉冲发生器的设计,这是在matlab中建模完成的。输出电流平均值：(10)直流输入电压为48V,直流输出电压值为310V,总功率为1kW,系统效率0.9，直流输出电流IO=3A。开关管的工作频率fs=20kHz,则其周期T=50us。本文设计的BOOST升压电路要工作在电感电流连续状态,因此要求升压电感值要足够大，使流过电感上的电流基本保持不变[13]。设电感电流平均值为IL,电流临界连续的峰值电流为IM,直流输入电压为Uin直流输出电流为IO,直流输出电压UO,电源转换效率为。根据功率守恒可得：(11)当电感电流处于临界连续状态时,平均电流IL为电感峰值电流IM的一半,其值为：(12)由式(11)和（12）可得电感连续时的电感值：(13)实际取L=100uH。升压电路达到稳定工作状态时,其输出的电压为恒定值U0,此时输出的电流为I0。因为当功率管关断时,输出的全部电流都是由电容C提供的,所以电容C上的电流等于输出电流IO,且在这段时间内电容C上的电压变化量就是直流输出电压的纹波电压值Uo，由此得到如下的关系式：(14)由上式可得到滤波电容：(15)输出电压的纹波系数：(16)输出电压的纹波系数取为2%，由式(15)和(16)得：(17)输出电容取470uF,耐压值为450V直流升压电路中开关所能承受的最高电压为310V,最大电流为32.29A,所以选用600V/59A的MOSFET管。输出二极管需要承受最大反向电压310V,流过二极管的最大电流为3A,选用平均电流30A、峰值200A、耐压600V快恢复二极管MUR3060PT[15]。2.5单相全桥SPWM逆变电路的设计2.5.1逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理如图6。S1-S4是桥式电路的4个臂,由电力电子器件及辅助电路组成。(a)(b)图6逆变电路及其波形逆变电路工作过程：S1、S4闭合，S2、S3断时,负载电压uo为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时,负载电压Uo为负。这样就把直流电变成了交流电,改变两组开关的切换频率,即可改变输出交流电的频率。当负载为电阻时,负载电流io和U0的波形相同,相位也相同。阻感负载时,Io相位滞后于U0,波形也不同。图6给出的就是阻感负载时电压电流波形[14]。2.5.2SPWM控制方法图7SPWM逆变电路图8单极性SPWM控制方式SPWM控制的控制电路如图7所示。调制信号Ur为正弦波,载波Uc在Ur的正半周为正极性的三角波,在Ur的负半周为负极性的三角波，在Ur和UC的交点时刻控制IGBT的通断。在Ur正半周,V1保持通,V2保持断。当Ur>Uc时使V4通,V3断,Uo=Ud。当Ur〈Uc时使V4断,V3通，Uo=0。同理可适用于Ur的负半周。以上控制方式称为单极性PWM控制方式。在Ur的半个周期内,三角波载波有正有负,所得PWM波也有正有负,其幅值只有±Ud两种电平。同样在调制信号Ur和载波信号Lie的交点时刻控制器件的通断。ur正负半周,对各开关器件的控制规律相同。当Ur>Uc时,给V1和V4导通信号,给V2和V3关断信号。如Io>0,V1和V4通，如Io<0，VD1和VD4通，Lio=Ud。当UKuc时，给V2和V3导通信号,给VI和V4关断信号。如Io<0，V2和V3通，如Io>0，D2和VD3通，Uo=-Uc。SPWM控制技术在逆变电路中应用的最为广泛,对逆变电路的影响也最为深刻。目前中小型的逆变电路几乎都采用了SPWM技术,可以说SPWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用,才确定了它在电力电子技术中的重要地位。所以本文中采用了单相全桥SPWM逆变电路[14]。2.5.3逆变电路功率器件的选择逆变电路额定输出为：电压U=220V,功率P=1KW,考虑逆变环节的效率η=90%，实际应用中IC的取值需留有2倍的安全过载裕量。则流过功率器件IGBT的额定电流IC可按下式计算:(17)因为直流侧的输入电压U=310V以及尖峰电压的影响,所以应留有一定裕量,可以选择600V的IGBT功率管。功率二极管是照通态平均电流来选取的,最后选取平均电流30A、峰值200A、反向恢复时间60ns、耐压600V的快恢复二极管MUR3060PT。2.5.4逆变输出滤波电路的设计在逆变电源的输出端加入低通滤波器可以滤掉其中的高频分量,r型滤波器具有低通滤波、结构简单、应用广泛与滤波器元件少等优点,本电源输出滤波器采用此结构。输出滤波器中L和C参数与SPWM的频率紧相关[15]。频率越高,就可以减小滤波器的体积,但同时也会增加开关损耗,从而影响逆变器的输出效率。所以应根据系统的截至频率fc以及负载RL来设计滤波器。逆变电源输出参数为：输出功率P=1KW,输出电压U=220V,频率为50Hz。3小型风电单相并网逆变器的仿真3.1SPWM发生器的仿真模型由于本文逆变电路为SPWM逆变电路,所以要先设计一个SPWM发生器,由于逆变电路开关器件IGBT的开关频率一般在5k-40k之间以及matlab仿真的精度和步长范围,将设计电路的频率设为10k。对于单相全桥逆变来说,共有四个开关器件,两两成组,共两对桥臂,所以需要四个SPWM脉冲作为开关器件的触发脉冲[16]。(1)模型搭建。根据直流升压变流器原理电路建立变流器的仿真模型,在Simulink中搭建电路模型model,如图9所示。(2)设置元件参数。(3)设置仿真参数,取仿真时间50ms,步长取le-5,仿真算法采用ode23tb。图9SPWM发生器仿真模型图9中只是用一个定幅定频的正弦波信号作为模型代替了原本是变化的正弦波信号进行建模,实际中调制正弦波是由给定信号与反馈信号之差提供,进过HD调节器的控制进入相应端口。另外,由于matlab中没有三角波发生器,所以三角波载波信号需由自己搭建。下面是三角波发生器的搭建。利用matlab中提供的据齿波和方波作为元件,其他元件有Simulink提供,加入定值电压,可以改变SPWM脉冲的调制方式。图10仿真输出波形图10进行简要分析,由方波发生器作为门控信号,当方波为高电平时,选通上方的信号输出,锯齿波呈上升趋势,当方波为低电平时,选通下方信号输出,锯齿波呈下降趋势,这样,在方波的一个周期内,就能形成一个等腰三角形波,且幅值为IV。在三角波model中,加入上图中的定值C1,C2后,就由双极性调制波变为单极性调制,双极性调制电路得到的波形要比单极性的理想。3.2Boost升压电路仿真模型升压变流器主电路的设计除要选择开关器件和二极管外,还需要确定电感L的参数,电感参数的计算是复杂的,但是采用仿真却很方便。仿真的模型线路如图11所示。在模型中开关器件采用了IGBT,IGBT的驱动信号由脉冲发生器Pulse产生,设定脉冲发生器的脉冲周期和脉冲宽度可以调节脉冲占空比。模型中连接了多个示波器,用于观察线路中各部分电压和电流波形,并且通过傅里叶分析来检测输出电压的直流分量和谐波。仿真设计步骤如下:(1)模型搭建。根据直流升压变流器原理电路建立变流器的仿真模型,在Sitmilink中搭建电路模型model,如图11所示。(2)设置元件参数,取脉冲发生器脉冲周期为0.1ms,脉冲宽度为84%,初选直流电源U=48V,L=le-4H,C=le-4F。(3)设置仿真参数,取仿真时间50ms,仿真算法采用ode23tb。图11boost直流升压电路当负载电阻为1Ω的仿真结果分析可以得到超调量：（19）上升时间为t=0.025s调节时间为ts=0.15s。图12输出电压Ur3.3单相全桥SPWM逆变电路仿真模型3.3.1开环逆变电路仿真模型仿真设计步骤如下：(1)模型搭建。在Simulink中搭建电路模型model,如图13所示。(2)设置元件参数。初选直流电源U=310V,L=60e-3H,C=4e-6F,负载R=30ΩPWM脉冲发生器采用自制SPWM脉冲发生器。(3)设置仿真参数,取仿真时间0.08s,即四个调制波周期,仿真算法采用ode23tb。图13逆变电路仿真模型图14逆变输出波形图4总结本文所设计的逆变电源系统在实际应用中是可行的。从实验结果来看,闭环控制时系统工作稳定,并且系统的输出电压波形平滑,失真率较低,具有较好的正弦度,带载能力较强。逆变电源系统可以获得稳定的电压输出,基本达到了设计目的,适合风力发电系统中对逆变器性能的要求。全文根据对小型风力发电并网逆变器的性能要求,提出了逆变器控制电路的设计方案。小型风力发电系统单相并网逆变器的性能要求,介绍了系统主电路的拓扑结构和各部分元器件参数的选择。包括前级直流升压电路的设计和后级单相全桥逆变电路的设计以及单相并网逆变器的控制方法。介绍了相关部分电路,主要包括:采样电路、过流保护电路和驱动电路等。在MATLAB里边搭建boost升压电路的仿真模型和单相全桥逆变电路的仿真模型时,进行开环和闭环的仿真比