基于BOOST變換器的小型風力機并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)設(shè)計開題報告

1、蘭州理工大學技術(shù)工程學院畢業(yè)設(shè)計開題報告姓 名柴宗蓮專業(yè)電力系統(tǒng)分析 班級七班學 號指導教師郭群題目類型題 目基于BOOST變換器的小型風力機并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)設(shè)計一、選題背景及依據(jù)（簡述題目的技術(shù)背景和設(shè)計依據(jù)，說明選題目的、意義，列出主要參考文獻） 能源是人類賴以生存的動力來源。從人類文明發(fā)展史上可以看出，我們一直依賴自然界，從中掘取、探尋適合人類生存與發(fā)展所必需的能源物質(zhì)，而能源的利用方式也客觀的見證了人類發(fā)展與進步的軌跡。人類開始利用化石燃料的歷史可以追溯到原始社會時期，人類利用化石燃料作為主要能源的狀況卻一直持續(xù)到科技發(fā)達的現(xiàn)代社會。隨著經(jīng)濟社會的進步與發(fā)展，對于能源的需求將會日趨嚴重

2、，煤、石油和天然氣等一次能源的過度消耗使得化石燃料的儲量越來越少，能源危機越發(fā)嚴重。同時，化石燃料的過度使用給生態(tài)環(huán)境造成了嚴重影響，破壞了生態(tài)平衡，威脅了自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。人類能源工作者正面臨著人類文明發(fā)展進步與地球自然環(huán)境遭遇破壞之間的突出矛盾。進入二十一世紀，能源物質(zhì)的缺乏正嚴重困擾著高速發(fā)展的中國，充足、優(yōu)質(zhì)的能源供應是保證國民經(jīng)濟健康發(fā)展的重要保障，能源短缺在很大程度上制約著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展。為實現(xiàn)人類社會與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，基于有限的自然資源，環(huán)保、可持續(xù)的社會經(jīng)濟發(fā)展是當前中國解決能源短缺的戰(zhàn)略發(fā)展方向。為實現(xiàn)該戰(zhàn)略目標，切實解決能源短缺問題，我們只有依靠科技手段，加快

3、對風能、太陽能等可再生清潔能源進行開發(fā)和利用，才能從根本上解決能源問題。對作為可再生、清潔環(huán)保的綠色能源風能進行開發(fā)利用已經(jīng)成為能源發(fā)展的新方向。每年來自外層空間的輻射能從技術(shù)上可以轉(zhuǎn)換成風能資源每年約53萬億千瓦時,比 2020 年世界電力需求預測的兩倍還要多。而且從技術(shù)層面上講，關(guān)于空氣動力學的理論不斷取得新進展，一些新材料的研制成功，控制理論的日臻完善，機械電子技術(shù)的日趨成熟，都為風能的開發(fā)和利用提供了理論和技術(shù)上的保障。風能作為可再生、清潔環(huán)保的綠色能源，對其進行開發(fā)利用已經(jīng)越來越多的引起了人們的重視。目前，常用的風能利用形式是大中型風力發(fā)電并網(wǎng)運行的方式。大型風力發(fā)電場并網(wǎng)對于電網(wǎng)的

4、穩(wěn)定性的要求更高。因此，對小型風力發(fā)電系統(tǒng)的研究和應用越來越受到關(guān)注。小型風力發(fā)電系統(tǒng)多采用直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機，通過直驅(qū)運行的方式可以在較大風速范圍內(nèi)高效運行，由于直驅(qū)式發(fā)電機省去了變速裝置，發(fā)電效率有了較大提高，而且降低了運行維護的成本，該方式代表了小型風力發(fā)電系統(tǒng)的新的發(fā)展方向。 針對傳統(tǒng)小型離網(wǎng)風電系統(tǒng)存在的問題本文提出了小型風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的應用模式，該系統(tǒng)可以將發(fā)電機輸出的電能直接并入電網(wǎng)，降低了系統(tǒng)建設(shè)的成本，提高了系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的效率，而且還可以利用小型風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為公共電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，改善了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。因此小型風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)將是風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重要方向。小型風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)由于

5、容量小、穩(wěn)定性高、應用范圍廣等特點得到了廣泛應用。小型風力發(fā)電機組由于對風速范圍沒有嚴格的要求，可以廣泛應用于鄉(xiāng)村、城鎮(zhèn)甚至是人口密集的城區(qū)，將風力發(fā)電的應用范圍大幅擴大。在沒有實現(xiàn)供電的草原、孤島等地區(qū)可以提供電力供應，在城鎮(zhèn)或城區(qū)等人口密集地區(qū)風速低，不適合大型風力發(fā)電機組的運行，小型風力發(fā)電機組的應用就可以彌補這一空白，無論是用于路燈照明、道路監(jiān)控等基礎(chǔ)設(shè)施，還是用于并網(wǎng)發(fā)電，都能將這一部分能源加以利用服務社會。 :二、主要設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計思想、解決的關(guān)鍵問題、擬采用的技術(shù)方案及工作流程本文主要研究關(guān)于風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的設(shè)計，其具體的設(shè)計內(nèi)容主要包括以下幾個部分：1、主電路及驅(qū)動電路

6、的設(shè)計；2、控制電路、軟件框圖的設(shè)計、程序編寫。3、設(shè)計實現(xiàn)的主要功能和技術(shù)指標：逆變器的額定輸出功率：3KW連續(xù)過載能力：110%瞬時過載能力：120%1分鐘推薦風機額定功率（KW）：小于2KW風力機輸出交流電壓范圍：40110V逆變器直流電壓工作范圍：230350V電網(wǎng)電壓范圍：180260V單相允許電網(wǎng)頻率范圍：3751.5Hz本文主要是針對小型直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)進行研究，包括不可控整流、Boost升壓部分和單相并網(wǎng)逆變部分。風力發(fā)電機輸出的電壓、頻率和功率都是不穩(wěn)定的，同時經(jīng)過不可控整流后將其電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，再經(jīng)Boost升壓電路將整流部分電壓升壓、穩(wěn)壓，從而達到并網(wǎng)逆變器直流側(cè)所

7、需直流電壓，再經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流通過濾波電路濾波，然后送入電網(wǎng)。而并網(wǎng)逆變部分采用SPWM控制技術(shù)，與三角波比較的控制方式，向電網(wǎng)回饋符合電網(wǎng)要求的標準交流電源。本文主要工作如下：1、介紹了各種風力發(fā)電技術(shù)的特點及發(fā)展趨勢，并對各種風力發(fā)電并網(wǎng)方法和并網(wǎng)變流器的控制策略進行了深入分析。2、詳細地分析了逆變并網(wǎng)的原理以及主電路參數(shù)的計算和設(shè)計。3、介紹了并網(wǎng)逆變的控制策略，目標是得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的回饋電流。4、采用 PIC16F886為核心控制芯片進行單相并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。論文第一章為緒論，該部分主要對本課題的研究背景及意義進行了深入研究，并對小型風力發(fā)電系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

8、以及發(fā)展前景做了重點介紹。針對當前小型風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，明確了小型風力發(fā)電的發(fā)展方向。論文第二章主要講解了小型風力發(fā)電系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，并介紹了各部分的工作原理。并著重闡述了并網(wǎng)逆變裝置的并網(wǎng)控制策略等核心問題。論文第三章為卸荷控制保護裝置的研究，首先分析了該裝置對系統(tǒng)的重要性，進行了軟件與硬件的設(shè)計，并對實驗結(jié)果進行了分析與研究。論文第四章為系統(tǒng)控制策略的研究，主要包括控制目標的分析，并網(wǎng)控制策略的比較與研究，指令電流的產(chǎn)生以及PI 控制器的設(shè)計。論文第五章進行了系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，對并網(wǎng)逆變裝置的設(shè)計與實現(xiàn)進行了相關(guān)研究，對各部分硬件參數(shù)的設(shè)計與選擇進行了分析研究，軟件

9、設(shè)計部分介紹了控制流程的設(shè)計與實現(xiàn)，最后分析了實驗結(jié)果，并對實驗結(jié)果進行總結(jié)得出實驗結(jié)論。文章最后在總結(jié)實驗取得的結(jié)果進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，對課題的后續(xù)研究進行展望。 小型風力發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：風輪部分、發(fā)電機部分、調(diào)向裝置以及塔架組成。風力發(fā)電機的風輪部分有葉片、輪轂構(gòu)成，小型風力發(fā)電機的葉片通常有 3-6 片，使用的材料通常是質(zhì)量小、強度高的輕型材料如玻璃鋼、鋁合金等；小型風力發(fā)電機為提高能量轉(zhuǎn)換效率一般不采用調(diào)速裝置，因此沒有齒輪箱，發(fā)電機大多采用直驅(qū)式同步發(fā)電機；調(diào)向裝置一般采用尾舵進行調(diào)向；塔架部分作為小型風力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，安全性方面對可靠性、穩(wěn)定性有較高要求。 風力發(fā)

10、電機的工作原理：風力發(fā)電機包括風力機與發(fā)電機，風力機是一種將風能轉(zhuǎn)化為機械能的機械裝置，發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，下面分別對這兩部分進行分析研究。風能利用系數(shù)是風力發(fā)電系統(tǒng)研究的重要參數(shù)，用Cp 表示，其定義為風力機將風能轉(zhuǎn)化為機械能的效率。Cp不是常量，而是隨著風速等的變化而變化。與風能利用系數(shù)密切相關(guān)的參數(shù)是葉尖速比，的表達式為： l = 其中，w為葉輪的角頻率，R 為葉輪半徑。Cp與的關(guān)系如圖 2所示。在變化的過程中，存在一個最佳值，使得Cp最大。設(shè)計與運行風力機的整體目標是盡可能地追求Cp最大，從而使風力機輸出的能量具有最大值。風力機與每個固定風速值的風速都對應著一個最

11、大功率輸出點，對應其最大風能利用系數(shù)。最大功率曲線就是將在各個風速下的最大功率點連接起來得到的曲線。應該通過適當?shù)目刂品椒ㄊ癸L力機運行在最大功率曲線上從而能夠充分利用風能。風力機是風力發(fā)電系統(tǒng)的能量輸入環(huán)節(jié)，其工作效率的高低將直接決定系統(tǒng)的工作性能，該部分將主要分析風力機的工作性能并確定適用于小型風力發(fā)電系統(tǒng)的風力機。按照風輪軸向的不同可以講風力機分為水平軸風力機和垂直軸風力機兩種。輪軸與地面垂直的風力機稱為垂直軸風力機，該風力機的葉片通常為對稱結(jié)構(gòu)，因此可以接受任何方向的風，從而適用于風向不固定的場所。該風力發(fā)電機最大的缺點是啟動力矩大，對風速要求較為嚴格，因此在應用中收到了很大的限制。故，

12、直軸風力發(fā)電機不適用于小型風力發(fā)電系統(tǒng)。輪軸與地面相平行的風力機稱為水平軸風力機，水平軸風力機是目前應用最普及的一種風力機。該風力機的葉片通常為36片，葉片形同翼形。水平軸風力機啟動力矩小，具有風能利用效率高的特點，因此能夠充分利用低風速段的風能。對兩種風力機的特點進行綜合比較分析，垂直軸風力機運行時產(chǎn)生的噪音小，不需要調(diào)速裝置，機械結(jié)構(gòu)簡單，風輪葉片使用壽命長，但啟動力矩大不能有效利用低風速段的風能；水平軸風力機啟動力矩小，對風速要求低，適用于各風速段的場所，因此可以充分利用低風速段的風能。為了滿足本系統(tǒng)提高能量轉(zhuǎn)換效率的目的，充分利用低風速段的風能，本系統(tǒng)采用水平軸風力機。風力機氣動理論是

13、 1926 年有德國科學家貝茲提出的，根據(jù)貝茲氣動理論的假設(shè)：理想的葉輪；均勻的氣流；氣流始終在葉輪軸線上。由空氣動力學知識可知，風力機只能從風能中獲取部分能量，由氣流沖量原理可知，葉輪受到的軸向推力為：F =m(V1-V2) m=pSV，為單位時間內(nèi)的流量質(zhì)量。葉輪單位時間內(nèi)吸收的風能葉輪吸收的功率為：根據(jù)動能定理基本公式： 單位時間內(nèi)氣流的功率為： 在葉輪前后，單位時間內(nèi)氣流的動能改變量為：r此即為氣流穿越葉輪時，被葉輪吸收的功率，因此：整理得：即穿越葉輪的風速為葉輪遠前方與遠后方風速的均值。因此葉輪吸收的功率為：發(fā)電機是系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接決定風了電轉(zhuǎn)換效率以及電能的質(zhì)量等。永

14、磁同步發(fā)電機、同步勵磁感應發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機等是風力發(fā)電系統(tǒng)中常用的發(fā)電機。永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子部分為永磁結(jié)構(gòu)，不需要額外提供勵磁電源，降低了制造成本，簡化了運行維護，提高了發(fā)電效率。綜合考慮小型風力發(fā)電系統(tǒng)的特點以及永磁同步發(fā)電機的性能，本系統(tǒng)采用永磁同步發(fā)電機。直驅(qū)式風力發(fā)電機省去了變速裝置，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，減少了系統(tǒng)噪音，系統(tǒng)的可靠性得到了提高。因此本系統(tǒng)采用直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機。 三、畢業(yè)設(shè)計提交的成果 1、 開題報告（不少于3000字）； 2、設(shè)計說明書（不少于80也，約30000字左右）； 3、系統(tǒng)原理圖（1#圖），總體方案設(shè)計及硬件配置圖（1#圖），程序流程圖（2#圖）；

15、 4、中英文摘要（中文摘要約200字，35個關(guān)鍵詞） 5、論文簡介 6、外文資料翻譯（約5000漢子）四、畢業(yè)設(shè)計的主要文獻和技術(shù)資料1 二十一世紀呼喚綠色能源.世界環(huán)境，2004（4）:28312 金鑫.風力發(fā)電機組系統(tǒng)建模與仿真研究：博士學位論文，重慶；重慶大學，20073F.B.ELDRIDEG.Wind Machine.Nationl Science Foundation Research ，Washington，1975.4Y.L.Shefer Wind Powered Machines Leokanner Associates Redwood CityCalifornia，1974

16、.5J.Park&D.Schind Wind Power for Farms，Homes，and small IndustryNielsen Engeneering and reseach，Inc Moun tain View.AC，1987.6Ralls K J.The Growth of Power Electronics in Electronic PowerTransmission System.Power Eng.Journal，1995（2）.7王長貴，王淳等編.小型新能源和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)與管理.北京：中國電力出版社，20048江曉林.小型風力發(fā)電系統(tǒng)及其控制技術(shù)的研究：碩士學位論文，華北電力大學，20089施琴.小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)的研究：碩士學位論文，江蘇大學，201010中國可再生能源學會風能專業(yè)委員. 2011 年中國風電裝機容量統(tǒng)計，2012.311卞松江，潘再平，賀益康. 風力機特性的直流電機模擬.太陽能技術(shù).2003,24(3):36036412