毕业设计(论文)直驱式风力发电并网逆变电路设计(软件).doc
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1、摘 要风力发电因其环保性、经济性、灵活性等诸多优点,正受到日益广泛的关注,并在世界范围得以迅猛发展。并网逆变控制器是风电机组与公共电网的能量接口,其性能优劣直接影响机组输出特性及电网电能质量。本文针对小型并网逆变控制器,从其模型分析、检测控制以及软件实现等方面展开研究与设计,主要包括以下几方面的工作:首先,根据机组电压及功率等级,确定了并网逆变控制器功率电路的拓扑结构,并分析推导了其在三相坐标系下的静态数学模型、d-q旋转坐标系下的等效受控源模型及其动态小信号模型,为主电路参数选取和控制环节的补偿校正提供理论基础。其次,将瞬时无功功率理论引入检测与控制环节,将其与PID控制策略结合,实现并网逆
2、变控制器的电压、电流双环控制,并辅以仿真软件对控制环节的补偿校正参数进行计算优化,以保证在发电、馈电平衡的前提下,减小或避免风电机组对电网的负面影响。基于上述理论基础,计算确定了功率电路中藕合电感、直流母线电容等关键参量;根据系统的双环控制结构,以TMS320F2812型DSP为核心,设计了系统控制环节中信号采样、锁相跟踪、PI调节、SPWM形成等各功能模块。最后,采用仿真软件MATLAB/SIMULINK对并网逆变器功率电路及控制环节进行了仿真与分析;并在 CCS 的编译环境下,采用 C 语言进行编程。关键词:风力发电;并网逆变器;SPWM;双环PID控制ABSTRACT Wind powe
3、r is attracting more attention due to its performance of environmental protection, economy, and flexibility and so on, and is rapidly developing in the world. Grid-connected inverter is an energy interface between wind power generation system and power quality of the grid. In this paper, the model,
4、detection and control of low-voltage grid-connected inverter, and its realization of software, were investigated, the work mainly includes the following aspects:First of all, power circuit topology of grid-connected inverter was determined based on voltage and power grade of wind power generation sy
5、stem. Its static mathematic model in the three-phase coordinate, equivalent controlled resource model in d-q rotating coordinate and dynamic small-signal model were analyzed derived, which provided theoretical basis for parameter selection of the main circuit and compensation and correction of contr
6、ol section.Secondly, the instantaneous reactive power theory to the test and control link, with the combination, realize PID control strategy of grid inverter controller voltage, current 2-ring control, supplemented by simulation software to control links compensation correction parameter optimizati
7、on, to ensure that the calculated in power generation, feeder balance premise, reduce or avoid the wind generator for grid negative influence.Based on above foundation, calculate and determine the theory of the power circuit coupling inductor, key parameters dc bus capacitor; According to the system
8、s 2-ring control structure, take TMS320F2812 type DSP core, design the system control signal sampling, link of phase-locked tracking, PI adjustment, the function module formation of SPWM.Finally, using the simulation software MATLAB/SIMULINK for grid inverter power circuit and control links are simu
9、lated and analyzed; And in the compiler environment, CCS using C programming language.Keywords:Wind power; Grid-Connected Inverter; SPWM; Dual-Loop PID Control第一章 绪论1.1 风力发电的概况能源,是人类生存的基本要素,也是国民经济发展的主要物质基础。风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源,它和煤、石油、天然气等矿物燃料能源不同,它不会随着本身的转化和利用而减少,因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。风力发电作为一种绿色电力,受
10、到广泛的关注,随着技术的发展,风电必然成为重要的洁净能源。风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。系统建模和分析技术是风力发电机组优化设计分析技术的关键基础技术。1.2 国内外风力发电产业发展现状自20世纪70年代中期以来,世界主要发达国家和一些发展中国家都在重视风能的开发利用。近20年来,发达国家在风能的开发利用方面已取得了惊人的成就。2007年全球新增风电装机容量2000万KW,分布在全球70多个国家和地区,其中,排在前三位的是美国(520万KW)、西班牙(350万KW)、中国(330万KW) 1。能源和环境危机与国民经济可持续
11、发展之间的矛盾,促进了风力发电产业的迅猛发展,风电在我国能源结构中的地位日益受到重视。中国发展并网风力发电始于1990年,到2010年我国的风电装机将达到14001500万KW,到2020年有望实现1.21.5亿KW。1.3 课题研究现状风力发电包含两个能量转换过程:首先将风能转换为机械能,这一部分主要由风轮来实现;其次将机械能转换为电能,这部分转换任务由发电机及其控制系统来承担。两部分之间并不是相互独立的,而是息息相关的,每个转换过程采用的装置结构、运行方式都影响着另一转换过程的效率。因此要选用合适的风力发电机系统以保证风电能量转换的高效率、高可靠性以及良好的供电性能2。 风力发电系统有两种
12、运行方式:一是离网运行方式,它又包括两种:独立发电,即由一台小型风力发电机单独向用户提供电能,它用蓄电池蓄能,以保证无风时的用电;混合发电,即风力发电与其他发电方式(如柴油机发电、太阳能发电等)相结合,向一个单位或一个村庄或一个海岛供电;二是并网运行方式,即向大电网提供电能,常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机。DDPMSG (Direct-drive permanent magnet synchronous generator wind即直驱风力永磁同步发电机)通过变频器与电网相连,其频率和电网的频率彼此独立,不存在并网时产生冲击电流、冲击力矩以及并网后失步的问题,逆变器不仅可以调
13、节并网电压和频率,而且还可调节有功功率,保证系统的功率因数可调,是一种稳定的并网方式3。对于独立运行的逆变器,其拓扑以及控制策略的研究已经很多,并且目前已经有众多非常成熟的电路应用于产品中,而用作并网功能的,由于其特殊的功能要求,还是一个不成熟的领域。对于并网逆变器的研究国内起步较晚,与国外有着一定的差距,目前主要有以下几个研究方向:逆变器的拓扑结构研究;并网逆变器控制策略研究;逆变器输出侧滤波器结构设计;孤岛效应检测和保护的研究;工作模式的无缝切换技术的研究;同步锁相技术的实现等。其中,拓扑结构以及相应的控制策略是逆变装置的关键部分。1.4 本文主要研究内容本课题中采用直驱式风力发电系统,以
14、变速恒频方式运行,发出的电经整流装置变为直流24V,电容滤波,再经三相逆变器将直流电变为幅值、相位、频率与电网匹配的交流电后,并入电网。逆变器的控制器采用TMS320F2812型DSP 芯片,它一方面检测直流侧、逆变器及电网等的相关参数,一方面根据检测到的参数,利用设定的控制算法对逆变器功率开关器件的开通关断等进行控制。针对该系统,课题主要研究内容概括为:(1)根据机组电压及功率等级,确定了并网逆变控制器功率电路的拓扑结构,介绍了其工作原理,分析推导了其在三相坐标系下的静态数学模型、d-q旋转坐标系下的等效受控源模型及其动态小信号模型,为主电路参数选取和控制环节的补偿校正提供理论基础。(2)将
15、瞬时无功功率理论引入检测与控制环节,避免了传统同步坐标系下实现有功、无功的复杂计算;将其与PID控制策略结合,实现并网逆变器的电压、电流双环控制。对并网控制环节中电流内环和电压外环分别进行动态分析。(3)计算确定了功率电路中电感、直流母线电容等关键参量;根据系统的双环控制结构,以TMS320F2812型DSP为核心,设计了系统控制环节中信号采样、锁相跟踪、PI调节、SPWM形成等各功能模块。(4)然后利用 Matlab/simulink 建立风力发电逆变装置动态仿真模型,验证模型和控制策略的可行性。针对逆变器并网控制要求,提出合适的逆变器的并网控制策略,并对其进行详细的讨论和仿真分析;(5)根
16、据仿真的结果对系统逆变部分进行软件设计。第二章 风力发电并网逆变电路的需求分析2.1 直驱式风力发电系统简介风力发电要经过两次能量转换,首先需要风轮机将风能转换成机械能,再由发电机及其控制系统将机械能转换成电能。永磁发电机变速恒频风力发电系统所采用的发电机为永磁式发电机,转子为永磁式结构,无需外部提供励磁电源,提高了效率。其变速恒频控制在定子电路实现的,把永磁发电机的变频交流电通过变频器转变为电网同频的交流电。采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合,省去齿轮箱,即为直接驱动式结构,这样可大大减小系统运行噪声,提高可靠性。随着电力电子技术和永磁材料的发展,在直驱永磁风力发电系统中,占成本比
17、例相对较高的开关器件和永磁体,在性能不断提高的同时,成本也正在不断下降,使得直驱永磁风力发电系统众多变速恒频风力发电系统中脱颖而出,具有很好的发展前景5,6。在我国直驱式风力发电机多用于中小型风力发电系统(30kW以下)中,发电机采用低速永磁同步发电机,电能变换装置主要用于蓄电池的储能控制。由于风能密度的问题,该系统的发电机同样工作在低转速下,并且输出的电能不稳定,须采用电能变换装置来提高输出电能质量。目前在国内对直驱风力发电系统的研究有价值的成果不多,尤其是对电能变换装置的研究。虽然国内已经研制出用于直驱风力发电系统的小型电能变换装置,但是这些装置还存在着功能比较单一,对供电电源的选择性较强
18、,未实现全数字化控制,可靠性不高等缺点。因而,逆变器的控制策略是我们研究的重点。将现代电力电子技术、先进控制技术与风力发电相结合,在直驱风力发电系统的电能变换装置方面进行深入的研究,以提高直驱风力发电系统电能变换装置的性能与质量,实现装置的全数字化控制增强其功能,进一步拓展风力发电市场。永磁同步发电机与电励磁同步发电机的主要区别在于永磁电机磁路中有永磁体存在,导致磁路结构有所不同。永磁体主要有以下两个作用:一是作为发电机的励磁源,二是构成较大磁阻的磁路段。2.2 并网系统总体设计所谓逆变是将直流电转换为交流电,与整流正好相反为整流的逆向过程,因此称之为“逆变”。具体实现是通过功率半导体开关器件
19、的开通和关断作用,把直流电能变换成交流电能7,8。并网逆变器采用先进的SPWM 调制技术,具有完善的保护功能,可以灵活调节系统的有功和无功功率,减小开关损耗,提高效率,使并网功率最大化。并网系统总体方案如图2.1所示。本文主要围绕风电机组并网逆变器展开研究,由于风力发电系统需要与电网并网发电,因此要求系统输出的交流电流必须与电网电压同频同相。同时风力发电系统存在着风速变化或风速较低的时候,风力发电系统输出的电能电压幅值变化较大且频率变化,不符合电网并网标准条件,所以不能将风力发电机与电网直接相连并入电网,因此在风力发电机的输出端设计一个电力电子界面-并网逆变器作为风力发电机与电网之间的接口。该
20、并网逆变器实现了风力发电系统的并网运行和低风速时风能的利用问题。图2.1 风力发电并网系统总体方案系统主要包括以下模块:三相整流模块、逆变电路模块、直流电压电流采样模块、并网电流采样模块、电网电压电流采样模块、辅助电源模块、微处理器 DSP 主控单元模块。由图所知有3个采样程序:直流母线的电压采样,网侧的电流采样,电网电压电流采样。1)直流母线电压采样电路:检测整流后电压是否满足并网条件;系统正常运行时,为系统提供各种正确参数或指标;当系统发生故障时,输送至主控器进行故障定位及自诊断并进行相应处置,即利用继电器开关控制 IGBT 驱动电路,同时使 DSP 封锁SPWM引脚输出脉冲信号。2)并网
21、电流采样电路:过流、输入欠压、过压及断电保护。从主电路的电流互感器的次级线圈得到交流采样信号,若高于设定值时保护电路启动。3)电网电压反馈信号采样电路:采样获得电网频率、相位信号,送至 DSP 的捕获引脚,通过软件锁相程序使输出SPWM脉冲信号相位及频率与电网电压同步;将电压幅值信号模数转换调理后,由相应控制算法调节SPWM脉冲信号占空比,进而改变输出电压大小。在逆变器的控制策略上提出三种方案:电压型逆变器分别采用SVPWM、SPWM控制策略和三电平逆变器采用SPWM方法。重点分析它们输出电压和电流的谐波。第三章 并网逆变系统控制策略研究3.1 逆变器分类和控制技术的发展早期的逆变器是通过改变
22、功率电路的设计来改善输出电压波形质量,其输出为阶梯波,如通过对输出变压器的特殊设计来提高输出电压波形的正弦度;脉宽调制技术(PWM)问世后,逆变器广泛采用此调制技术控制功率变换器件的导通与关断,既能降低谐波,又提高了快速性,还改善了功率因数。以往电力电子整流逆变控制技术采用PID模拟控制,其主要缺点是温漂大、调整不方便。随着控制技术的发展,采用模拟电路和PWM技术相结合的闭环控制方法,使逆变器输出电压质量得到进一步提高。高速微处理器的问世,特别是具有高速运算、处理和控制能力的 DSP(Digital Signal Processor)的出现,使逆变器控制技术的全数字化成为现实,许多先进的现代控
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