基于DSP的风力发电并网逆变器的设计研究.docx
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基于DSP的风力发电并网逆变器的设计研究
第一章绪论
1.1风力发电的历史
1.2全球的能源危机和环境问题
1.3风力发电的基本原理及其并网运行特点
1.4我国风能发电的现状
1.5国内并网发电逆变器的发展现状及其趋势
1.6风力发电并网逆变器的技术
1.7课题研究的意义
1.8本课题的研究内容
第二章
2.1风能的计算
2.2电源的总体设计方案
2.3并网逆变器功率电路设计
2.4控制系统设计
2.5电源硬件系统抗干扰设计
2.6本章小结
第三章风力发电并网逆变器控制策略与系统仿真
3.1并网逆变器的工作原理
3.2并网逆变器的数学模型
3.3三相并网逆变器控制策略
3.4空间矢量调制算法
3.5三相并网逆变器的系统仿真
3.6本章小结
摘要
随着能源问题的越来越突出，不可再生资源越来越少，寻找可再生资源已经迫在眉睫.风能作为一种清洁可再生资源，发展迅速，受到了世界各国的重视。
风能发电并网技术成为了重要的研究方向。
本文首先对风力发电进行了概述，介绍我国和世界各国风力发展状况以及技术发展趋势。
当今风力发展技术，大功率直趋化和双馈是两个发展方向。
【关键词】：
风能并网逆变器风力发电
本章小结
第四章并网逆变器软件系统设计5
4.1软件系统结构与功能
4.2主程序设计
4.3A/D采样程序设计
4.4PI调节器的实现
4.5PWM程序设计
4.6LCD显示程序设计
4.7定时器中断服务程序
4.8故障保护中断程序
4.9软件设计抗干扰措施
4.10本章小结
本章小结
第五章=并网逆变器实验结果与分析
本章小结
结论
1研究成果与意义
2进一步研究设想
参考文献
第一章
1.1风力发电机的发展史
风力机的起源
风力机最早出现在三千年前,当时主要用于碾米和提水。
第一台水平轴式风力机出现在十二世纪。
风力机的起源
⏹在农场用来给牲畜和居民提水的风力机。
用来给无电地区农牧民供电的小型风力发电机。
一、风能的先驱CharlesF.Brush
CharlesF.Brush（1849-1929）是美国电力工业的奠基人之一。
他发明了一种效率非常高的直流发电机应用于公共电网，发明了第一个商业化电弧光灯，找到了一种高效的制造铅酸蓄电池的方法。
他自己的公司BrushElectric位于俄亥俄州Cleveland市。
1889年他卖掉了公司，1892年与爱迪生通用电气公司合并取名通用电气公司（GE）。
位于俄亥俄州Cleveland市庞大的BRUSH风车
1887-1888年冬，Brush安装了一台被现代人认为是第一台自动运行的且用于发电的风力机。
它是个宠然大物——叶轮直径是17米，有144个由雪松木制成的叶片。
风力机运行了约20年，用来给他家地窑里的蓄电池充电。
这台发电机仅为12千瓦。
这是因为低转速风机效率不可能太高。
丹麦人PoullaCour随后发现了快速转动、叶片数少的风力机，在发电时比低转速的风力机效率高得多。
二、风能的先驱——PoullaCour
PoullaCour（1846-1908）是一名气象学家同时也是现代风力发电机的先驱。
PoullaCour是现代空气动力学的鼻祖，他建了一个属于他自己的风洞来实验风力发电机。
图中是PoullaCour和他的妻子。
PoullaCour致力于能源储存的研究，将风力机发出的电力用于电解来生产氢气，供他学校的瓦斯灯使用。
这个计划的唯一缺点是，由于氢气中含有少量氧气致使氢气爆炸，他不得不数次更换几个学校的的窗户。
1904年的培训班
laCour每年在AskovFolk高中给风电工人做几次培训。
这个图片是1904年培训班毕业照。
laCour的风力机
1897年，他发明的两台实验风力机，安装在丹麦AskovFolk高中。
此外，laCour于1905年创立了风电工人协会，它成立一年后，就拥有了356个会员。
风电期刊
世界上第一个风力发电期刊《JournalofWindElectricity》也是由PoullaCour创立的。
1918年，丹麦约有120个地方公用事业拥有风力发电机，通常的单机容量是20-35kW，总装机约3MW。
这些风电容量当时占丹麦电力消耗量的3%。
丹麦对风力发电的兴趣在随后的若干年逐渐减退，直到二次世界大战期间出现供电危机为止。
三、风能的先驱——1940-1950
F.L.Smidth风机
在二次世界大战期间，丹麦工程公司F.L.Smidth（现在是水泥机械制造商）安装了一批两叶片和三叶片的风机。
丹麦风机制造商已经生产出了两叶片的风机，尽管所谓的“丹麦概念”是三叶片的风机。
所有这些风机（与它们的前辈一样）发的是直流电。
这些三叶片F.L.Smidth风机于1942年安装在Bobo岛，它们看起来很象“丹麦”风机。
这些风机是风-柴系统中的一部分，给小岛供电。
1951年，这些直流发电机被35kW的交流异步发电机取代，如此一来，第二台生产交流电的风机问世了。
四、Gedser风力发电机
JohannesJuul和theVesterEgesborg风力机
JohannesJuul工程师是PoulLaCour在1904年开办的“风电工”培训班中的一名学生。
1950年，JohannesJuul在丹麦的VesterEgesborg成为了世界上开发第一台交流风力发电机的先驱。
JohannesJuul风力发电机
创新的200KWGedser风力发电机在1956-57年由JohannesJuul为SEAS电力公司建成，风机安装在丹麦南部的Gedser海岸。
三叶片，上风向，带有电动机械偏航和异步发电机的风力发电机是现代风力发电机的设计先驱。
这台风力机是失速调节型风力机，JohannesJuul发明了紧急气动叶尖刹车，在风机过速时通过离心力的作用释放。
基本上，现代失速型风力发电机上使用着相同的系统。
这台风力发电机，在随后的很多年中一直是世界上最大的。
它在无需维护的情况下，运行了11年。
风力机的机舱和叶轮现在在丹麦Bjerringbro电力博物馆中展出。
Nibe风力机
在1973年第一次石油危机后，几个国家起对风能的兴趣重新点燃。
在丹麦，电力公司立即把目标放在的制造大型风力发电机上，德国、瑞典、英国和美国也紧跟其后。
1979年，他们安装了两台630KW风力发电机，一台是桨矩控制的，另一台是失速控制的。
1.2我国的能源危机与环境问题
大气污染 1．污染现状 据世界银行研究报告表明，我国一些主要城市大气污染物浓度远远超过国际标准，在世界主要城市中名列前茅，位于世界污染最为严重的城市之列 2．污染来源 能源使用。
随着我国经济的快速增长以及人民生活水平的提高，能源需求量不断上升。
机动车尾气。
此外，汽车排放的铅也是城市大气中重要的污染物。
3．污染危害 由于我国严重的大气污染，致使我国的呼吸道疾病发病率很高。
城市空气污染所带来的其它人体健康损失也很大。
分析显示，由于空气污染而导致医院呼吸道疾病门诊率升高34600例；严重的空气污染还导致每年680万人次的急救病例；每年由于空气污染超标致病所造成的工作损失达450万人次。
4我国的可再生能源有着得天独厚的优势，是重要的战略替代能源，对增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境具有重要的作用。
积极开发和利用核能、太阳能、风能、电能、生物质能、地热能以及海洋能等可再生能源，是实现我国经济社会可持续发展能源战略的必然选择。
5我国的能源危机与环境危机凸显中国面临严重的能源短缺危机我国是一个能源生产大国和消费大国，拥有丰富的化石能源资源。
2006年，煤炭保有资源量为10345亿吨，探明剩余可采储量约占全世界的13%，列世界第三位。
但是中国的人均能源资源拥有量较低，煤炭和水力资源人均拥有量仅相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源拥有量仅为世界平均水平的1/15左右。
能源资源赋存不均衡，开发难度较大，已探明石油、天然气等优质能源储量严重不足。
再加上能源利用技术落后，利用低下，在经济高速增长的条件下，我国能源的消耗速度比其他国家更快，能源枯竭的威胁可能来得更早、更严重。
因而，日益增长的对外能源需求造成的能源压力迫使我们不得不寻找解决能源危机的突围之路。
不合理的能源结构引发严重的环境危机我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家，一次性能源生产和消费65%左右为煤炭，大量使用煤炭，使66%的中国城市大气中颗粒物含量以及22%的城市空气二氧化硫含量超过国家空气质量二级标准。
长期以来这种以煤炭为主的能源结构和单一的能源消费模式带来了严重的环境污染。
伴随着经济的快速发展和能源需求量的持续增长，化石燃料燃烧所产生的温室气体排放给环境造成了越来越沉重的压力。
面对当前化石能源消耗带来的严重环境危机，调整能源结构已迫在眉睫。
2发展利用可再生能源是解决中国能源危机的有效途径可再生能源是可以永续利用的能源，如水能（小水电）、风能、太阳能、生物质能和海洋能等，不存在资源枯竭问题。
目前，世界各国都力推可再生能源，中国更应该把握住发展可再生能源的时代走向，争取在可再生能源开发利用上走在世界前列，缓解日益加重的能源危机与环境压力
1.3风力发电的基本原理及其并网运行特点
风力发电的基本原理：
风力发电能量转换过程是：
风能→机械能→电能。
当风速小于切入风速Vcut-in（一般为3m/s），有功功率为零；当风速大于切入风速，风电机组投入运行，有功功率随着风速增大而增加；当风速达到额定风速Vr，有功功率达到最大值；当风速超过额定风速，风机通过变桨距保持有功功率恒定为最大值；当风速超过切出风速Vcu-out（一般为25m/s，最新的5MW风机可达30m/s），风机将停机。
风电并网运行的主要特点：
1.输入风能的变化有随性机；风力发电以自然风为原动力，自然风不可控，并且同能很难大量存储，因此，风电机组有功功率规律性左，难以预测。
2.大多风电场距电力主系统和负荷中心较远，所以一般风电场与薄弱的地方的电力系统相联；风能资源丰富地区一般距离负荷中心较远，大规模的风力发电无法就地消纳，需要通过输电网远距离输送到负荷中心。
3.风电场单机容量小、数量多。
风能的能量密度低。
4.含异步发电机的风力发电机组运行时向电网帝有功功率、吸无功功率；固定转速风电机组－异步发电机吸收无功功率，无功功率不可控；而变速风电机组－双馈异地电机和直驱风电机组－永磁同步机无功功率可控，目前国内风是机组一般按照恒功率因数控制（功率因数通常为1.0）。
摘自：
胡兴军—《风力发电并网对电网系统的影响分析》
1..4我国风能发电的现状
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。
其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦。
中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。
随着世界经济的发展，风能市场也迅速发展起来。
2009年全球风力发电新增31%，共增加37500兆瓦新装机容量，全球总装机容量达到157900兆瓦的新高峰。
风能的持续增长，主要来源于世界主要市场积极的国家能源政策，以及许多国家政府将可再生能源作为其经济复苏计划有限考虑的一部分。
“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。
2006年，中国风电累计装机容量已经达到2600兆瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。
2007年以来，中国风电产业规模延续暴发式增长态势。
2008年中国新增风电装机容量达到7190兆瓦，新增装机容量增长率达到108%，累计装机容量跃过13000兆瓦大关。
内蒙古、新疆、辽宁、山东、广东等地风能资源丰富，风电产业发展较快。
2009年以来，为有力拉动内需，保持经济社会平稳较快发展，政府加大了对交通、能源领域的固定资产投资力度，支持和鼓励可再生能源发展。
作为节能环保的新能源，风电产业赢得历史性发展机遇，在金融危机肆虐的不利环境中逆市上扬，发展势头迅猛，截至2009年底，全国累计风电装机容量达到25800兆瓦。
中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，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。
随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。
因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。
风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。
15国内并网发电逆变器的发展现状及其趋势
风力发电技术的发展趋势变现在：
风力发电机组的单机内容继续增大，兆瓦级机组比小型机组有更好的经济效益，风力发电机组桨叶增长，具有更大的捕捉封的能力，塔架高度上升，在50米高度捕捉的风能要比30米高处多20%。
风力发电机组控制技术采用变速电机，在平均风速6.7米/秒,比恒速风机多捕获15%的风能。
2004年，业界关注的焦点在于5兆瓦风电技术，并且目前商业化的风力机叶轮直径超过100米。
变桨变速设计成为主流，同事直接驱动发电机技术的创新变得十分引人注目，最近的一个趋势是海上数兆瓦级的风机出现。
风力发电系统中，风力发电机产生的虽然是三相交流电，但因为风能资源非常不稳定，输出的电能也非常不稳定，电压和电流经常变化，在独立运行系统中采取的措施就是把风力发电机输出的交流电变成直流电，通过直流电对储电池进行充电或者提供给直流负载，或者通过逆变器像交流负载供电。
为了满足输出电压和频率稳定的逆变器的基本指标，调剂方式各种新颖的调制技术不断涌现，控制上各种适合不同要求的逆变器的控制方案被提了出来，实现手段上，随着单片机，数字信号处理技术的成熟和普遍，加速了逆变器的发展进程。
1.8本课题的研究内容
风力发电作为新能源供电系统，其输出的波形质量是供电品质的重要要求。
本人主要内容是对风力发电机输出电压特性设计了三相并网逆变器做了深入的研究分析，
本稳具体工作和研究内容如下：
1.根据风力发电机输出电压特点和电源参数，设计了并网逆变器主电路拓扑，主电路参数选取和主要元件选型；设计了电源控制电路，包括CPU选择，检测和保护电路等。
2.对并网逆变器的控制进入深入的研究，分析其在同步旋转坐标系下的数学模型
3.3设计以DSP为控制核心的电源控制系统，对系统进行软件设计。
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