风力发电逆变电源的毕业设计.doc
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毕业论文
题目:
风力发电逆变装置的设计
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院(系):
专业:
电气工程及其自动化
指导教师:
1绪论
1.1风力发电的特点和发展概况
1.1.1风力发电的特点
随着世界经济的不断发展,世界各国对能源的需求越来越大。
常规能源以煤、石油、天然气为主,不仅资源有限,而且造成了严重的环境污染。
因此,能源问题己成为当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题,所以可再生能源成为了人们关注的焦点,风能正是这样一种无污染的可再生能源,其在地球上的资源量是相当丰富的,可开发利用量也很可观,因此对它的开发利用己受到世界各国的高度重视。
但是同时风能作为一种自然资源,风速、风向都是不稳定的,风能蕴含量丰富地区多较为偏僻,这就要求风力发电机组适应高温高寒高湿盐雾大风沙等恶劣环境,并且机组多无人值守,这些因素对风力发电机组电气控制系统的可靠性和环境适应性都提出了十分严格的要求。
单机电气控制系统技术主要包括中心控制技术、偏航控制技术、软并网技术和无功补偿技术等,这就要求系统具有很高的可靠性能。
可以说风力发电是机遇和挑战并存的能源技术。
1.1.2风力发电的发展概况
(1)国外发展现状:
风力发电在欧洲发展最快,德国的风电发展处于领先地位,在近期德国制定的风电发展长远规划中指出,到2025年风电要实现占电力总容量的25%,到2050年实现占总用量的50%的目标。
另外,丹麦的风能发电已经可以满足18%的用电需求,法国也在制定风能发电的长远发展规划。
同时亚洲的风电也保持较快的发展势头。
其中印度政府积极推动风能发展,积极鼓励大型企业进行投资发展风电,并保持实施优惠政策激励风能制造基地,目前印度已经成为世界第5大风电生产国。
据欧洲风能协会和绿色和平组织签署了“关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图”报告,2020年全球风力发电装机将达到12.31亿千瓦,是2002年世界风电装机容量的38.4倍,年安装量达1.5亿千瓦,风力发电量将占全球发电总量的12%。
(2)国内发展现状:
我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一,全国可开发利用的风能约2.5亿千瓦。
有沿海(山东、浙江、福建、广东)和东北至西北(包括内蒙古、新疆、甘肃)两大风带,风的质量很好,为开发风力发电提供了基础环境和条件,因此我国也在大力提倡风力发电。
我国从70年代开始进行并网风力发电的尝试。
早期,山东,新疆等地引入国外风力发电机组开始我国风电场的运行试验与示范。
1997年在国家有关优惠政策和国家计委“成风计划”的推动下,年总装机容量跃至10.88万千瓦。
总的来说我国风能并网发电已经走过了30年历程,但是跟国外相比,我国装机容量仍然偏低,并且从设备制造水平来说还未走出“试验”阶段,但是同时也看出我国风电潜力巨大。
随着风电技术的日趋完善,已经形成一种富有活力的新兴产业,并向产业化、设备大型化、设备实用化、取能高度化、成本低廉化和开发多元化等方向发展。
1.2风力发电的原理
因为风力发电没有燃料问题,也不会产生辐射或空气污染即其无污染性,风力发电正在世界上形成一股热潮。
风力发电的原理比较简单,类似于水利发电,风力发电就是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。
依据目前的风车技术,大约是每秒三公尺的微风速度(微风的程度),便可以开始发电。
风机发出的电因为质量不高难以直接应用,所以要实现利用就必须要将发出的电能进行变换,满足并网要求,这样就需要我们设计一个可靠的整流逆变系统和控制系统来对其进行变换和控制,使其满足条件。
以下是风力发电的系统原理图。
图1-1风力发电系统原理图
1.3逆变电源的现状
1.3.1现代逆变技术的分类
逆变电源是光伏发电系统中的重要组成部分,逆变电源的性质决定了光伏发电系统输出电能的质量。
随着逆变电源的类型的增多和控制技术的不断发展,使得光伏发电系统可以应用到与国民生产和日常生活相关的各个领域。
现代的逆变技术种类很多,可以按照不同的形式进行分类,主要有如下几种:
(1)按照逆变器输出交流的频率,可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。
工频变换逆变电源使采用工频变压器实现输入输出之间的电气隔离。
这种逆变器结构简单、工作可靠,但这种逆变器体积大,笨重、噪声大,效率方面也有待提高。
随着对电源性能要求的日益提高,传统的工频变换逆变电源逐渐难以适应轻量化、高功率密度、高可靠性的要求。
高频变换是采用高频变换技术,它的优点是体积小、重量轻、噪音小、效率高。
日前的光伏发电系统多采用高频变换方式,在国内外的中小交流光伏系统中得到了普遍应用。
(2)按逆变器输出的相数,可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。
(3)按逆变器的主电路形式,可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。
(4)按照逆变器主开关器件的类型,可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应管逆变器、IGBT逆变器等。
(5)按照输出的稳定参量,可分为电压型逆变器和电流型逆变器。
(6)按控制方式,可分为移项控制方式和PWM控制方式。
移项控制的原理是,全桥变换电路每一个桥臂的两个开关互补导通,两个桥臂的开关导通之间相差一个相位,通过调节此移相角的大小,来调节输出电压脉冲的宽度,达到调节输出电压的目的。
利用单极性移相控制技术,控制高频脉冲环节逆变器,
根据软开关的工作原理,控制各管的导通时刻与导通时间,使之工作在零电压开关与关断模式,可以大大降低器件的开关损耗以及电磁干扰噪声。
PWM控制采用脉宽调制控制方式,它的优点是控制灵活,实现简单。
可以根据具体的实现要求,产生相应的控制波形。
对于谐波抑制、死区控制、调节输出电压等多种方面都十分有利。
近年来,结合DSP或单片机技术,通过编程算法可以满足各种控制策略的要求,大大提高了PWM控制在逆变电源控制方面的应用效率[3,4]。
1.3.2逆变电源波形控制技术
光伏逆变器的性能很大程度上决定了整个光伏发电系统的性能和效率,随着光伏发电系统的应用越来越广,人们对光伏逆变器输出电压的质量要求也越来越高,不仅要求逆变器的输出电压稳定以及工作可靠,而且要求其输出电压正弦度高,动态响应速度快。
所以光伏逆变器的控制技术也得到了不断的发展。
(1)开环控制
开环控制是根据面积等效的原理,用正弦信号波和三角载波进行比较获得SPWM波,从而决定功率器件的开关时刻。
随着单片机等数字器件的发展,逆变器的开环控制逐渐采用了数字方法,从而出现了几种新型的SPWM调制技术,如载波调制PWM、谐波注入PWM以及最优PWM等。
新型的PWM调制方法虽然可以在一定程度上改善光伏逆变器的输出电压质量,减少波形畸变,但开环控制不可避免的具有很大的局限性:
a.输出波形质量差,总谐波畸变率高。
b.系统动态响应速度慢。
(2)模拟闭环控制
闭环控制的引入克服了开环控制的局限性,提高了系统的输出电能质量。
PI控制以形式简单、参数易于设计、理论成熟为特点,成为当前应用最为广泛的控制方法。
空载的逆变器模型近似于一阶振荡环节,积分器的作用会增加相位滞后;为了保证系统的稳定,控制器的比例P必须加以限制,控制系统的动态性能一般,系统对于非线性负载扰动的抑制效果不好。
由控制理论可知,对于正弦指令信号,PI控制不能实现无静差跟随,输出电压的稳态精度必然受到影响,实际应用中往往增加电压均值反馈外环,将PI控制与闭环控制策略相结合,来保证稳态精度。
具体实现方式包括电压瞬时值反馈控制和电压电流双闭环反馈控制。
采用电压瞬时值反馈或者电压瞬时值内环、电压有效值外环的控制策略。
它的优点是只使用了一个电压传感器,缺点是系统动态响应特性不好,同时为了保证系统的稳定性,电压瞬时值环不能做的太快,从而导致了跟踪特性不是很好,波形质量欠佳。
改善动态响应的方法之一就是采用电流反馈控制策略。
将电压环与电流环配合使用达到调节输出电压和补偿电流特性的目的。
由于电流内环对系统特性的改造,系统稳定性得到加强。
双闭环控制同时具备优良的动、静态特性,是一种理想的波形控制方案。
但它也存在不足,如果存在非线性负载扰动,为消除干扰,电流内环需要很快的速度,所以只能采用模拟电路实现,数字电路难以达到:
如果内部电流环采用滞环比较形式,由于滞环比较的非线性特性,对于系统的稳定性有一定影响;为了更好的抑制负载的扰动,滞环的宽度越窄越好,但这会使开关频率急剧升高。
因此,这种形式的控制器对于非线性扰动的抑制能力有一定限制。
1.4课题的意义及内容
随着工业和科学技术的发展,包括市电电源在内的所有原始电能质量可能满足不了用户的要求,而现代逆变技术作为电力电子技术中的一个重要组成部分,在提高电能质量方面有着重要的作用。
能源开发,资源利用与环境保护相互协调是21世纪世界经济发展的基础。
节省能源与开发新能源,提高燃料的利用率与减少燃料燃烧产生的污染已成为必须解决的重要课题。
风能作为一种清洁的可再生能源,其蕴量巨大,分布面广,越来越受到世界各国的重视。
风力发电机因风量不稳定,必须经过整流和逆变把它变成稳定的工频交流电才能大量应用。
此外,在直流电源领域,UPS,变频器等中逆变器也都有着广泛的应用前景。
另外,通过对此课题的研究设计,可以进一步的加深对逆变器的认识,将大学四年所学知识融汇,深化,接近工程实际,提高自己分析解决问题的能力,对于以后的走上工作岗位是一个很好的准备。
本次设计的主要工作是研究逆变电源的原理,根据设计要求选择适于风力发电的逆变电源的逆变方式,然后设计其主电路和驱动电路的参数以使其能跟随输入电源进行调整以满足市电电网的要求。
2风能电源逆变装置方案选择
2.1总体方案
该设计主要包括两大类电路,一是主电路,另一个是,检测保护电路。
主电路主要包括:
SPWM波产生电路,驱动电路,DC/DC电路,逆变电路等;检测保护电路主要包括:
欠电压保护电路、过电压保护电路、过电流保护电路等。
其总体框图如图2-1所示:
SPWM波产生电路
驱动电路
逆变电路
DC/DC电路
变压电路
整流
检测电路
欠电压保护电压
故障报警电路
过电压保护电压
过电流保护电压
图3-1总体框图
2.2单元电路的简单介绍
SPWM波的产生:
主要采用EG8010;
(1)驱动电路:
主要采用逆变电源芯片IR2110;
(2)DC/DC电路:
主要采用模块集成电路;
(3)逆变电路:
主要采用全桥逆变电路;
(4)整流滤波电路:
主要采用半波整流及LC滤波;
(5)欠电压保护:
采用比较器LM358;
(6)过电压保护:
采用比较器LM358;
(7)故障报警电路:
采用三级管及发光二极管等。
3PWM波形工作原理
3.1PWM波形的基本原理
在采样控制理论中有一个重要的结论:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。
冲量即指窄脉冲的面积。
这里所说的效果基本相同,指环节的输出响应波形基本相同。
如把各输出波形用傅式变换分析,则其低频段特性非常接近,仅在高频段略有差异。
例如图3-1所示的三个窄脉冲形状不同,图3-1a为矩形脉冲,图3-1b为三角形脉冲,图3-1c为正弦半波脉冲,但它们的面积(即冲量)都等于1,那么,当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时,其输出响应基本相同。
脉冲越窄,其输出的差异越小。
当窄脉冲变为图2-1d的单位脉冲函数δ(t)时,环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。
a)矩形脉冲b)三角波脉冲c)正弦波脉冲d)单位脉冲函数
图3-1冲量相同的脉冲
上述结论是PWM控制的重要理论基础。
下面分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦
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