基于BOOST变换器的小型风力机并网逆变控制系统的设计本科毕业设计.docx

基于BOOST变换器的小型风力机并网逆变控制系统的设计本科毕业设计.docx

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基于BOOST变换器的小型风力机并网逆变控制系统的设计本科毕业设计

毕业设计

题目小型风力机并网逆变控制系统的设计

第页

摘要

由于传统能源的枯竭和人们对环境的重视，电力系统正面临着巨大变革，分布式发电将成为未来电力系统的发展方向。

其中，风力发电以其独特的优点，被公认为是技术含量高、最有发展前途的技术之一。

但是风力发电系统存在着初期投资大、成本较高等缺点，因而探索高性能、低造价的风力发电装置成为目前国内外研究的重点。

其中逆变器已成为影响风力机并网发电系统经济可靠运行的主要因素，研究其结构与控制方法对于提高系统发电效率、降低成本具有及其重要的意义。

风能作为一种清洁的可再生能源，其在新能源领域的应用中受到广泛地关注，同时风力发电并网技术也成为了当前国内外主要研究的热点。

风力发电并网运行的关键是并网逆变装置的设计，其性能决定了风能的利用效率和控制系统的稳定性。

本文以小型风力发电机并网逆变控制系统为研究对象，对并网逆变控制系统的电路拓扑结构、控制方法、参数选取等方面进行了深入的分析和研究。

所谓并网发电系统是将风力机产生的可再生能源不经过蓄电池储能，直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，从而可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，降低系统成本。

并网发电系统是21世纪最具吸引力的能源利用技术，目前我国风力发电应用系统的商品化程度比较低，与国外先进水平的差距正在扩大。

因此我们必须发展自己的风力发电技术。

风能作为可再生、清洁环保的绿色能源，对其进行开发利用已经越来越多的引起了人们的重视。

目前，常用的风能利用形式是大中型风力发电并网运行的方式。

大型风力发电场并网对于电网的稳定性的要求更高。

因此，对小型风力发电系统的研究和应用越来越受到关注。

小型风力发电系统多采用直驱式永磁同步发电机，通过直驱运行的方式可以在较大风速范围内高效运行，由于直驱式发电机省去了变速装置，发电效率有了较大提高，而且降低了运行维护的成本，该方式代表了小型风力发电系统的新的发展方向。

本文首先讨论了几种风力机并网逆变器常用的拓扑结构，经过分析选用了三相桥式不可控整流+BOOST变换器升压+单相全桥逆变的主电路拓扑结构。

首先风力发电机发出的变压变频交流电经三相不可控整流得到较低的直流电压，再经过BOOST升压环节使不可控整流后直流电压升高，最后通过逆变并网控制环节得到可实时跟踪电网电压的稳定交流电。

同时详细分析了BOOST升压电路和单相全桥逆变电路工作原理。

逆变部分的控制策略采用电流闭环控制，使输出电流实时跟踪电网电压。

使其能够达到并网的效果。

其次，根据系统设计要求，对3kW风力发电并网逆变器的主电路参数做了主要计算；并且设计了基于单片机PIC16F886的控制电路，并给出了硬件电路图及控制系统的软件流程图。

关键字：

风力发电；BOOST变换器；并网逆变器

Abstract

Windenergyasacleansourceofrenewableenergy,whichreceivedextensiveattentionintheapplicationofnewenergyandgrid-connectedwindpowertechnologyhasalsobecomeamajorresearchfocus.Windpowergriddesigngrid-connectedinverteristhekeydevice,whichdeterminestheefficiencyofwindenergyandthestabilitycontrolsystem.Grid-connectedinverterbasedonsmallwindgeneratorsforthestudyofthecontrolsystem,grid-connectedinvertertopologystructureandcontrolmethodofthecontrol,parameters,andotheraspectsofthein-depthanalysisandresearch.

Thispaperfirstdiscussesseveralwindturbinescommonlyusedingrid-connectedinvertertopologyanalysisusinguncontrolledrectifying+BOOSTbooster+single-phasefull-bridgeinvertermaincircuittopology.Firstwindgeneratorthree-phasevariablevoltagevariablefrequencyACissuedbyuncontrollablelowerDCvoltagerectifier,thenBOOSTlinkstouncontrollablerectifiedDCvoltageincreases,finally,grid-connectedInvertercontrollinkscangetreal-timetrackingofpowersystemvoltagestabilityalternatingcurrent.AnddetailedanalysisoftheBOOSTpressurecircuitandsingle-phasefull-bridgeInvertercircuitworksThecontrolstrategyforinverterclosed-loopcurrentcontrol,sotheoutputvoltagetocapturecurrent,Toenableittoachievetheeffectofincorporation.

Secondly,accordingtothedesignrequirementsof3kWwindgrid-connectedinvertermaincircuitparameterswerecalculatedandPIC16F886designsbasedonsinglechipmicrocomputercontrolcircuits,controlsystemsandthedesignofhardwarecircuitandsoftwareflowchart.

Keywords:

windpower;boostconverter;grid-connectedinverters

1绪论

1.1课题背景及意义

能源作为人类社会发展的动力来源，尤其是近百年以来，人类对能源消耗量呈倍数增加，已经超过了过去几千年以来的消耗总量。

因此能源及其它资源的占有已成为当今世界各国间的经济竞争。

然而现有的能源：

比如煤，石油，天然气等储量都很有限，肯定不能支撑得了人类长期消耗能量高的发展形式。

所以能源危机已然成为人类生存发展所迫切需要解决的关键性问题。

然而同时伴随着能源的过度消耗以及温室气体和其它有害气体的任意排放，对人类的生存环境造成了严重的污染，这些问题收到了全世界的密切关注。

比如2009年12月份在哥本哈根召开的全球气候会议，其中就减少碳排放量为核心做了重要研讨，出与各个国家经济利益问题的考虑，虽然会议没有达成有效的讨论成果，但它的召开已表明制约社会经济发展的重要因素环境主要为污染问题。

在能源危机和环境污染的双重压力下，各国相继出台了一系列政策来推动新能源科技产业的高效快速的发展，争相开发利用绿色能源技术。

“绿色能源”，“绿色经济”，“低碳经济”已成为当今社会和经济发展的方向和目标。

在许多的绿色能源中，风能成为各国竞相开发利用的对象由于其自身的有利优势。

作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源—风能，其在地球上的蕴藏量相当可观，十分丰富。

为实现人类社会与自然环境的可持续发展，基于有限的自然资源，环保、可持续的社会经济发展是当前中国解决能源短缺的战略发展方向。

为实现该战略目标，切实解决能源短缺问题，我们只有依靠科技手段，加快对风能、太阳能等可再生清洁能源进行开发和利用，才能从根本上解决能源问题。

对作为可再生、清洁环保的绿色能源——风能进行开发利用已经成为能源发展的新方向。

每年来自外层空间的辐射能从技术上可以转换成风能资源每年约53万亿千瓦时,比2020年世界电力需求预测的两倍还要多。

而且从技术层面上讲，关于空气动力学的理论不断取得新进展，一些新材料的研制成功，控制理论的日臻完善，机械电子技术的日趋成熟，都为风能的开发和利用提供了理论和技术上的保障。

目前，风能的主要利用形式是大中型风力发电并网运行的方式。

而适合中大型风力发电场建设及运行的场所大多是自然环境条件恶劣的边远地区、海岛甚至是海上，对于风力发电机组的可靠性和稳定性有极为严格的要求。

而且，这些地区风力资源丰富，但对于电力负荷的需求量通常较低，这就需要远距离输电，将这些地区通过风力产生的电能输送到电力负荷需求高的地区。

大型风力发电场并网对于电网的安全运行将会产生冲击，影响电网的安全稳定运行，恶劣天气条件下需要对风电场进行保护，需要脱离电网并停止生产，这也将对于电网的稳定性提出更高的要求。

风电可谓是各种绿色能源中的运行成本最小的，与光伏发电相比较，光伏发电运行成本则是风力发电的三倍。

因此，风电具有相当广阔的应用前景。

无论从人类将来的能源危机，还是现在的生态环境问题来看，对风力发电事业积极发展都具有重要意义。

2006年我国颁布并实施了<<可再生能源法>>，以法规的形式将可再生能源的利用和发展作为优先发展的对象，并在政策上对风力发电电产业给予鼓励及相应的补贴。

在国家在法规，政策的正确引导下中国的风电产业蓬勃发展，风力发电事业迅速崛起。

中国2009年新增风电装机容量全球第一，达1375万千瓦，占全球新增总量的三分之一多。

2010年预计新增装机容量达到1100万千瓦。

由于风电这个新市场存在庞大的发展空间，风力发电及其相关产业技术的研究热潮已在全国球掀起。

在许多绿色能源中，风能作为世界上利用最多的能源之一，有其独特的优越性，主要表现在以下方面：

 1、风能作为一种清洁的自然能源，不存在燃煤、燃油等的燃烧物造成环境污染的问题，不会引起温室效应，不存在威胁人类的核电放射性废料。

 2、风力发电场具有建设周期短，装机规模灵活等特点。

建设规模一般的风力发电场，只需半年至一年的时间，就可以从基础建设、安装到投产，然而火电、油电、核电则约需要3-10年的时间。

 3、风力发电的经济性日益提高。

由于风力发电技术不断成熟，故而风电成本呈下

降趋势，这为风电的大规模应用提供了有利条件。

 4、风力发电在各种新能源发电技术中最为成熟，商品化机组单机容量达4.5MW，故障率己降至5%之内，可谓是一种安全、可靠的能源利用形式。

，兆瓦级风力发电机将在不久的将来占据主导地位。

5、风力发电机安装分散，占地面积少，其监控系统与塔架是合为一体的，再加上箱式变压器，故而其建筑面积约为风电场总面积的1%，剩余的其他广大土地仍可供农、林、牧使用。

与大型的风力发电场相比较，小风电系统由小型风力发电机组成，尤其是户用型风力发电系统，其作为风能利用开发的一种形式，很早就得到了的推广。

现在我国小型风力发电机组已积累了相当丰富的经验在其研究、制造方面，日趋成熟技术，形成了我国的系列型谱，而且有部分出口。

小型风力发电机组成的风力发电系统