基于boost变换器的小型风力机并网逆变控制系统的设计毕业设计(编辑修改稿)

基于boost变换器的小型风力机并网逆变控制系统的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

6 我国中小风电产业从统计数据还可以看出，其发展趋势是： 市场发展需求逐步转变为较大规格的机型。 应用领域的范围也正在不断扩大。 由于用户对其功能和 质量要求越来越高，中小型风电变流器开始重视外观的设计。 国际市场也在持续开拓中。 小型并网逆变器的现状及前景 目前，国内用于离网型的小型风力机较多，开始时将风力发电机发出的电能存在蓄电池中通过变换器转变，而后则将蓄电池储存的电能通过变流器逆变供用户使用，通过两级转换使整个系统的效率损失很多，而且蓄电池的使用不仅增加了成本而且还会造成环境的污染。 而小型风机并网发电系统则是将风力机产生的可再生能源通过并网逆变器直接馈入电网的发电系统，而不经过蓄电池储能。 采用直接将电能输入电网，而不是配置蓄电池，这样不 但省掉了蓄电池储能和释放的过程 ,而且可以充分利用可再生能源发出的电力，在减小能量损耗的同时降低了系统的成本。 风力发电利用形式的一个新方向则是出现了小型风机并网系统。 尤其是欧洲，在相关法规和政策的引导下，领先于国内技术在小型风机并网逆变器研究方面，其商品化的实现比较早。 比如德国的 SMA 公司生产的 Windy Boy 系列小型风机并网逆变器，在欧美一些国家已经得到了很好的应用。 小型风电并网逆变器研究在国内起步较晚，主要与中国现阶段的法规、政策有很大的关系。 而且现阶段国家禁止个人用户发电上网售电。 目前“并网不上网”的形式在小型风电并网逆变器用户中采用较多，也就是只向本用户的各种负载提供电能的风力发电，而对于其它多余的并入电网的电能则不予计量和经济补偿。 因此用户所得到的经济利益是有限的在小型风电并网逆变器中，则阻碍小风电并网相关技术的研究为用户相对较少。 在国内法规完善政策并放宽后，尤其是 20xx 年 1 月 1 日实施了 可再生能法 及相关后续出台的法规，对我国风力发电事业的发展产生了极大 的促进作用，推动了风电领域的研究及发展。 风机并网逆变器在国内的研究，尤其是在大型的风机并网逆变器研究中取得了相当可观的成果。 虽然小型风电并网在国内还没有出台相应法规允许，但随着进一步完善的法规和相关成熟的条件，小型风力发电并网，特别是户用型风力发电并网必将成为现实。 因此对于小型风机并网逆变器的研究在国内也日益受到了重视，特别是对风电产品生产厂家的关注。 目前国内已有数家公司，依 7 靠较强的研发实力，研制成功了具有自主知识权的小型风机并网逆变器，并将其产品化，以出口为主，抢占国内外市场。 如合肥阳光电源有限公司，珠海 赛比特电源有限公司等企业。 本课题主要研究任务及内容 课题主要研究任务 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： 主电路及驱动电路的设计； 控制电路、软件框图的设计、程序编写。 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： 40～ 110V 逆变器直流电压工作范围： 230～ 350V 电网电压范围： 180～ 260V 单相 允许电网频率范围： 37～ 课题主要设计内容 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： 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。 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。 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。 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 8 计。 本章小结 本论文第一章为绪论，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。 最后介绍了本课题研究的主要内容及其技术指标。 9 2 并网式风力发电系统概述 风力发电系统分类 风力机对发电机及发电系统的一般要求： 风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务，它不仅直接影响这个转换过程的性能、效率和供电质 量，而且也影响到前一个转换过程的运行方式、效率和装置结构。 因此，研制和选用适合于风电转换用的、运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统是风力发电技术的一个重要部分。 在考虑发电机系统的方案时，应结合它们的运行方式重点解决以下问题： 将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电或电压恒定的直流电或三相交流电； 高效率地实现上述两种能量转换，以降低每度电的成本； 稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。 通过利用风力机将风能转化为机械能的装置为风力发 电系统，进而通过风力发电机将机械能转换为电能，再经由控制器对蓄电池进行充电，最后经过逆变器对负载供电。 现有的两类风力发电机组为，一、恒速恒频发电机组，二、变速恒频发电机组。 当风力发电机并网运行时，要求其发出电能的频率与电网的频率保持一致。 在风力发电中恒速恒频发电是指，通过控制发电机转速恒定不变，从而得到频率恒定的电能；变速恒频则是指速随风速的变化而变化的发电机的转子，要得到恒频电能则需通过其他方法来实现。 恒速恒频风力发电系统在目前实际运用较多。 但它存在一个弊端，即当风速跃升时，通过风力机叶片传给主轴的是巨大的风能，这样就会引起齿轮箱和发电机等部件的疲劳损坏，故而需要加大安全系数，这样做的同时导致了成本的增加。 变速恒频风力发电系统则能够允许风力发电机以不同的转速旋转根据风速的变化。 其减少了机械应力同恒速恒频相比较，风力机的转动惯量可以吸收风能。 并且由于风力发电的风速范围扩大，使风能利用率提高，转速可以在大范围内变化，通过控制可以实现对最佳叶尖速比的跟踪，可以使风力发电机在可发电风速下获得最佳的功率输出。 恒速 /恒频风力发电系统 10 普通的同步发电机和鼠笼型感应发电机在恒速 /恒频发电系统中较常采用，电机极对数和频率所决定的同步转速常运行于前者，后者则以稍高于同步速的转速运行。 在正常运行时这种风电机组的发电机处于超同步状态，转差率 s 为负，电机工作于发电机状态，其转差率的可变范围相当小 (s5%)，所以发电机转速基本不变而当风速变化时，这就是其称之为恒速 /恒频风力发电机组的原因。 恒速 /恒频风电机组由于其特点所采用的电力电子变换装置很少。 其定桨距失速调节的风力机具有的优点是结构简单，整机造价比较 低，较好的安全系数及较高的可靠性，成为在市场上占有较大的份额的风力机。 恒速 /恒频风力发电系统中，直接驱动同步发电机或鼠笼式异步电机采用较多作为并网运行的发电机，电网的频率与定子磁场旋转频率是相等的在并网之后，并且异步电机的转差一般在 3%～ 5%，故而转子本身的转速在很小的范围内变化，故称之为恒速 /恒频风力发电系统。 变速 /恒频风力发电系统 变速 /恒频风力发电系统具备的技术特色则是发电机和变流技术，由于其需要变速运行，所以会导致复杂电气控制系统，整机造价高。 相比与恒速 /恒频发电系统，变速 /恒频发电系统的成本投资可减少 10%～ 20%在机械制造部分，但是电气部分的投资有较大增加，然而在大、中型风力发电机组中电气部分的成本所占比例不大。 近年来，随着日趋成熟的大规模电力电子技术，发电设备的主要选择方向之一则是变速 /恒频风力发电系统。 变速 /恒频风力发电系统也存在有两种类型，一种是直接驱动同步发电机的风力机，而另一种则是双馈型异步发电机。 其中风力机直接驱动同步发电机构成的变速 /恒频风力发电系统包括永磁同步发电机系统和电励磁同步发电机系统。 异步发电机系统则主要是绕线转子异步发电机系统。 通过利用永久磁铁来 取代转子励磁磁场的发电机称为永磁同步发电机，其结构具有简单、牢固等特点。 永磁同步发电机变速 /恒频风力发电系统是通过控制一套整流逆变装置，将发电机输出的变频变压交流电转换为满足电网要求的恒频 /恒压交流电。 风力发电机的并网方式 目前有很多种方案可以实现变速恒频风力发电。 比如交－直－交风力发电系统、绕线转子双馈发电机系统等。 下面则是对这两种系统的简单介绍。 交－直－交风力发电系统 原理：发电机发出的频率变化的交流电必须先通过整流器转变成直流电，然后再通过逆变器转变为交流电输入电网而其频率是恒定的。 在交 －直－交变换的风力发电 11 系统中，三种类型的发电机可以采用： 1）绕线转子同步发电机， 2）笼型感应发电机，3）永磁同步发电机。 这种系统在并网时的优点则是没有电流冲击，且无功是可调节的。 这种类型中最有优势的一种则是永磁同步发电机系统，其可以做到风力机与发电机的直接耦合，从而省去变速箱，由此可以使其可靠性提高，系统噪声减小，维护成本降低。 交 直 交 风力发电系统中的直驱式风力发电系统是现在使用比较热门的一种。 其结构则是把风机与永磁同步电机直接相连接，不需要加升速齿轮箱，这样大大的减少了发电成本。 通过整流，逆变后实 现并网，相对具有结构简单，控制容易的特点，在小型风电并网系统中很是适用。 绕线转子双馈发电机系统 原理：其发电机采用了绕线转子感应发电机，定子与电网或者负载直接连接。 发电机的转矩控制则通过在转子侧施加交流励磁来定。 当转速发生变化时，控制转子电流的频率，达到频率的恒定。 在转子和电网之间存在双向的能量流动，所以需要变流器为背靠背的四象限变流器。 转子侧逆变器控制发电机，定子侧逆变器控制和电网的能量交换，转子侧只处理转差能量。 当绕线转子双馈发电机系统在风力发电中采用是，其实现恒频发电可以通过调节励磁电流的频率 在不同转速下来实现，这样就满足了负载和并网的要求。 还可以通过独立调节发电机的有功和无功，使电力系统的静态和动态性能提高。 由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了柔性连接，可以根据电网电压，电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确调节发电机输出电压，使其能满足要求。 其结构图如下： 图 双馈式风力发电机结构图 12 本文设计为小型风力机发电系统，故选择交－直－交风力发电系统中的直驱式风力发电系统，其结构图如下： 图 直驱式永磁同步风力发电系统 直驱式风力发电系统的风力机与发电机转子直接耦合，所以存在随风速的变化而变化的发电机的输出端电压、频率。 通过调节机组电压的幅值、频率、相位、相序与电网保持一致来实现风力机组的并网。 在该风力发电系统中，采用风力机直接驱动永磁同步交流电机产生电能。 使用直接驱动技术，在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，因而减少了维修周期，降低由于齿轮箱造成的噪声污染，在低风速时具有更高的效率。 该系统中的低速交流发电机的转子极数远多于普通交流同步发电机的极数，因此这种电机的转子外圆及定子内径尺寸大大增加，而其轴向长度则相对很短，呈圆盘形状，为了简化系统的控制结构，减小发电机的体积和质量，采用永磁电机是具有较大的优势。 直驱式永磁同步风力发电系统结构示意图如图 所示。 风电系统将发电机发出的全部 交流电经整流 /逆变装置转换后并入电网，因此需要采用大功率的电力电子器件。 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件，既具有工作速度快，驱动功率小的优点，又兼有大功率晶体管的电流能力大，导通压降低的优点。 直流环节并有一大电容，可维持母线电压恒定。 该风力发电系统具有以下优点： 1）永磁同步发电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、可靠性高的特点。 该系统中的永磁同步发电机是低速电机，它能与风力机很好的匹配，风力机可以和永磁发电机直接耦合，省去了其它风 力发电系统中的增速箱，使机组结构大大简化，减少发电机的维护工作并且降低噪声； 2）该方案在一定程度上提高系统运行可靠性；可以独立设计逆变器部分。 其缺点就是需要两个全功率电力变换器，但比起升速系统所采用的升速齿轮箱结构，该系统的应用，应该还是以后风电领域的一个趋势。 13 并网逆变器 本课题旨在设计一个小型分布式风力发电系统中的并网逆变器，将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。 小型分布式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，显然，并不能直接逆变为 220V／ 50Hz 的工频交流电，因而需要经过升压后才可。 所以必须采用升压电路，实现升压作用后再连接逆变电路。