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风力发电网侧逆变器电气工程控制策略研究

论文编号:lw201802222105425395 所属栏目:电气工程论文 发布日期:2018年02月25日 论文作者:www.51lunwen.com
摘要:本文是电气工程论文,电气工程简称EE,是现代科技领域中的核心学科和关键学科。例如正是电子技术的巨大进步才推动了以计算机网络为基础的信息时代的到来,并将改变人类的生活工作模式等等。(以上内容来自百度百科)今天无忧论文网为大家推荐一篇电气工程论文,供大家参考。

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景
随着我国经济的迅猛发展,人类对能源的需求增加,可利用的石油、煤炭等一次能源越来越少,并且发电过程中煤炭的燃烧、石油产生的废物和废气都严重污染了人类生存的环境,对人类的健康和生活构成了很大的威胁, 能源危机和环境污染成为全人类头等课题。为了避免能源危机、保护环境,人们开始使用可再生能源。风力发电比燃煤发电具有无可比拟的优势,现有的火电厂虽可安装脱硫脱氮等装置,但二氧化碳的排放却难以控制。由于风能发电无需燃料,不需占用耕地,运行成本低,而且是一种可开发的旅游景观。风力发电已成为我国可持续发展战略,风力发电并网技术已经成为当今研究的热点和难点。风力发电对于缓解当前能源紧张的局势,为传统的发电方式寻找替代能源以及可持续发展都是有益的尝试[1-2]。目前,风力发电装置可分为三种基本运行方式[3-4]:用一台风力机给小范围用户提供电力的方式称为独立运行方式,这种方式在无风时用蓄电池储能以保证用电;第二种是风能和其他方式联合发电方式,向较大范围供电;第三种是建立风电场方式,在风力状况好的地区安装数十台甚至更多的风机,将电能并入电网,这是最重要的一种方式,也是风力发电的趋势。这种 使用可再生能源的分布式中小发电系统,既可以用于电能应急备份的情况,还将在偏远地区发电、补充电网系统等方面得到飞速发展和广泛应用。当风力发电机组与电网并网运行时,必须保持电网频率与风电机组输出的频率一致。实现并网恒频的方法有两种:第一种是恒速恒频方式, 即发电机转速在风速不断变化时,基本保持不变,能够得到频率恒定的电能;另一种称为变速恒频方式,即发电过程中,若风速变化,发电机的转速也随之变化。在这种方式中,必须在发电机和电网之间增加交直交并网变流器,才能得到恒频的电能[5]。随着控制理论应用于电力电子技术,电力电子器件的发展和计算机技术应用,也促进了自动控制技术的进步。为了使风能高质量地并入电网,并逐步以替代能源角色取代辅助能源角色,对“绿色”高性能的并网变流器的要求越来越迫切,实现可再生能源并网变流器的国产化将是我国并网变流器发展的必然趋势。国内并网变流器技术的产业化还有许多问题需要深入研究,例如,并网变流器动稳态模型、控制方法、保护技术、设计技术和最大功率点控制技术、损耗和散热技术等等都需要深入研究。由于变流器中的电流谐波,对电网将造成非常严重的污染,抑制谐波也是变流器研究中的一个重要目标,而关于谐波的危害在相关文献有详细的论述[6-8]。
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1.2 风力发电的现状和趋势
目前,大部分风电场采用水平轴风机,垂直轴风机很少有采用。风力发电机组的单机容量越来越大,国外厂商陆续研制并投运了大功率的风电机组,MW 级风电机组在国外已经商业化运行如 NEG MICON 公司 2.0MW 机组、Nordex 2.5MW 风电机组机、GE 3.6MW 风力发电机、VESTAS 4.5MW、REPOWER 5MW 等。而我国风电机组国产化水平很低,尤其是大功率风电机组与国外还有很大的差距,MW 级风电机组在我国刚刚开始起步。我国的风电并网技术从 20 世纪 80 年代开始发展,目前定速型风机的装机容量大多是兆瓦级以下的。虽然国内相关专业制造企业能够生产叶片、发动机等关键部件,但是电气控制部分仍是薄弱环节,约有 70%依赖进口。“十五”期间,科技部再次投入资金支持兆瓦级风力发电机组研制,研究状况处于实验阶段研究。目前,新装机的风电机组多属于技术层面的变速恒频风力发电系统[1]。双馈电机风力发电并网系统结构如图 1-1 所示。双馈发电机的结构和绕线转子异步发电机相似。系统的结构是定子直接连到电网,风力机通过齿轮箱连接到转子,转子上装有滑环,转子通过并网变流器连接到电网。低频转子电流的旋转磁场与转子机械转速之和构成同步转速,转子旋转在定子中感应工频电流。当机械转速变化时,可通过调整转子电流的频率,使定子旋转磁场保持同步转速旋转,实现变速恒频。另外,可以通过转子电流的幅值和相位调节来实现有功功率和无功功率的独立调节。与传统的将变流器连接定子的系统相比,容量降低了,为系统的额定容量的 1/3。这种并网系统变换器容量小,价格低廉,可实现有功功率、无功功率和功率因数的控制。但必须使用双绕组以及滑环,成本较高,控制电路较复杂,调速范围较小,一般只能在额定转速 70%~130%内调节。
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第 2 章 并网逆变器的主电路拓扑结构

随着功率 MOSFET 和 IGBT 器件问世,传统处理电力电子技术问题的低频方法,转向了用高频脉宽调制技术处理电力电子问题,并网逆变器的拓扑结构也随着器件的发展而在变化。本章将对并网逆变器的拓扑结构和工作原理进行简要说明和分析。

2.1 并网逆变器系统结构
机组输出的交流电通过整流电路后,将直流量送到并网逆变器作输入,逆变器输出交流与三相交流电网连接。实现并网逆变器系统,需要交直流电压、电流检测电路,依照不同开关器件类型选择的驱动电路,对主电路中开关器件的过流过压保护和防止整个系统崩溃的保护电路,对开关器件提供开通关断、综合反馈信号实时控制的主控电路,滤除交流分量和无用谐波分量的滤波器,信号灯等电路。并网变流器系统结构图,如图 2-1 所示。
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2.2 并网逆变器的拓扑结构
并网逆变器应用广泛,类型很多,从不同角度通常将逆变器分为如下类型[12,18]:1. 根据输入直流电源的性质分为电压型逆变和电流型逆变。电压型逆变(VSI)输入端并接大电容,对输入侧的直流电压进行逆变;电流型逆变(CSI)输入端串联大电感,对输入直流电流进行逆变。2.按照换流的方式可以分为 4 种:利用器件自身关断性能换流的器件换流型;当负载电流超前电压条件下,由负载提供的电流换流的负载换流型;设置附加换流装置的强迫换流型,亦称电容换流型;由电网提供换流的电网换流型。3. 逆变器主电路结构有半桥、全桥逆变器、二电平、三电平逆变器和多电平逆变器。根据开关器件控制的特点,分为半控型和全控型两种。选择图 2-4 拓扑结构的理由有两点:第一是考虑电流型 PWM 逆变器直流侧必须接入较大的电感,保证电流基本恒定,并且 LC 滤波接在交流侧易引起电流波形畸变,还存在振荡等问题。第二是考虑电压型 PWM 逆变器是两电平拓扑,简单可靠且容易实现。在图 2-4 中,滤波器使用 LCL 滤波器(2L设计为工频隔离变压器的副边漏感),通过一个 320:380 的工频隔离变压器连接到电网。
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第 3 章 并网逆变器控制策略的研究.............. 11
3.1 并网逆变器的坐标变换原理.......... 11
3.2 并网逆变器的数学模型....... 13
3.3 并网逆变器的双环控制器设计...... 15
3.3.1 逆变器电流内环控制器设计 ............. 16
3.3.2 并网逆变器的电压外环控制器设计 ............ 19
3.4 并网逆变器调制方式的选择.......... 20
3.5 并网逆变器锁相技术........... 24
3.6 本章小结......... 25
第 4 章 并网逆变器控制系统硬件设计..........27
4.1 并网逆变器主要性能指标.............. 27
4.2 主电路设计..... 27
4.3 控制电路设计............ 31
4.4 本章小结......... 40
第 5 章 并网逆变器控制系统的软件设计........41
5.1 CCS 软件开发环境简介 ...... 41
5.2 并网逆变器控制系统主程序设计............. 41
5.3 并网逆变器中断服务程序设计...... 41
5.4 并网逆变器时序设计........... 44
5.5 并网逆变器子程序设计....... 45
5.6 本章小结......... 47

第 5 章 并网逆变器控制系统的软件设计

5.1 CCS 软件开发环境简介
CCS 是 TI 公司专门为 DSP 软件工程师设计的编译、仿真、下载开发软件。CCS软件和其他应用软件类似,同样由菜单栏、工具栏、工程窗口、程序窗口等组成。同时 CCS 还有以下特点[40]:(1)通过 GEL 菜单和 View 菜单中 Watch Window 选项可实时查看寄存器和变量值;(2)可以在 View 菜单的 Graph 窗口中观察数组中的数据;(3)CCS 具有代码提示功能,这将大大缩短研发 DSP 产品所需要的时间。使用 CCS 开发应用程序,只需在开发环境中,编辑软件程序保存在指定的工程文件中,通过编译成功后,即可评估算法性能好坏,十分方便。如图 5-3 所示为捕获中断服务程序流程图。只要逆变器发生任何故障,DSP 的捕获引脚 CAP6 的外部电平都会由高电平变为低电平,因此该捕获引脚设置为下降沿响应。一旦发生故障,会立即触发捕获中断响应进入捕获中断服务程序。然后会将脉冲进行封锁并断开主接触器和软启接触器使逆变器的主电路不再有回路,最后读取故障类型并将其返回。
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结论

本论文对风力发电并网逆变器中的网侧逆变器进行了系统的硬件、软件设计和部分实验研究。建立了网侧逆变器的数学模型、并进行了系统仿真验证。结果证明设计理论和策略是有效的,具体总结如下:
(1)广泛了解风力发电技术的现状和趋势,通