○○A基礎理論●B應用研究○C調查報告○D其他本科生畢業論小型風力發電機并網逆變器設計二級學院：信息科學與技術學院專業：電氣工程及其自動化完成日期：2015年5月24日目目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 21.1風力發電概述 21.1.1國外風力發電的概況 21.1.2國內風力發電現狀與前景 31.2論文的主要結構組成 42小型風力發電單相并網逆變器主電路的設計 42.1小型風力發電裝置結構 42.2單相并網系統總體設計方案 42.3主電路的拓撲結構 52.3.1整流環節的選擇 52.3.2升壓環節拓撲結構的選擇 52.3.3逆變環節拓撲結構的選擇 62.4直流升壓電路的設計 62.4.1boost升壓電路基本原理 72.4.2升壓電路的設計 72.5單相全橋SPWM逆變電路的設計 92.5.1逆變電路的基本工作原理 92.5.2SPWM控制方法 102.5.3逆變電路功率器件的選擇 112.5.4逆變輸出濾波電路的設計 113小型風電單相并網逆變器的仿真 113.1SPWM發生器的仿真模型 113.2Boost升壓電路仿真模型 133.3單相全橋SPWM逆變電路仿真模型 143.3.1開環逆變電路仿真模型 144總結 15參考文獻 17致謝小型風力發電機并網逆變器設計摘要：本文主要研究小型單相并網風力發電系統中的電力變換部分。首先選擇了總體拓撲結構，分析了前級整流電路、Boost升壓電路和電壓型單相全橋逆變電路的工作原理，同時對各電路參數的選擇作了理論推導和計算。接著對控制策略進行了分析。最后利用MATLAB/Simulink搭建了系統仿真模型，對系統各部分作了仿真分析。關鍵詞：單相并網；逆變器；風力發電；Boost電路Thedesignofinverterandgrid-connectedsmallwindsimulationAbstract:Thetitlestudysmallsingle-phasepowerconversionpartofgridwindpowergenerationsystem.Firstchoosetheoveralltopology,thefront-endrectifiercircuitisanalyzed,andtheBoostboostercircuitandvoltagetypesinglephasefullbridgeinvertercircuitprincipleofwork,atthesametime,theselectionofcircuitparametersforthetheoreticalderivationandcalculation.Thenthecontrolstrategyareanalyzed.FinallybyusingMATLAB/Simulinktobuildthesystemsimulationmodel,thevariouspartsforthesystemsimulationanalysis.Keywords:powergridsingle-phaseaccess;inverter;Windpower;theBoostcircuit1緒論1.1風力發電概述1.1.1國外風力發電的概況風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視,其在地球上蘊量巨大。全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW,比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍[1]。風很早就被人們利用主要是通過風車來抽水、磨面等,而現在,人們感興趣的是如何利用風能來發電。風力發電機組技術的發展經歷了從多種結構形式逐步向少數幾種過渡的過程。20世紀80年代初期,市場上有上風向式和下風向式；風輪主軸有水平的和垂直的；風輪葉片數有三個﹑兩個﹑甚至一個的；葉片材料有木頭的和玻璃鋼的。到現在只剩下以水平軸﹑上風向﹑三葉片的機組為主,其中又有定槳距和變槳距風輪,定轉速和變轉速發電機,有齒輪箱和無齒輪箱等幾種。以歐美等發達國家為代表，全球風電呈現出規模化的發展態勢[2]。歐洲風電裝機在2014年實現了小幅增長，新增裝機容量達到12820MW,比2012年的歷史最高裝機紀錄稍遜。德國5279MW新增裝機容量超越了其之前的裝機紀錄,穩居歐洲首位；英國表現不俗,以1736MW裝機容量位居歐洲第二；瑞典裝機容量首次超過1000MW，達到1050MW；法國位列歐洲第四，裝機容量達到1042MW。非洲最大的風電場摩洛哥Tarfaya風電場（300MW）并網并投入運營,南非風電起步穩健，2014年實現了560MW的新增裝機容量,使得非洲總裝機容量達到934MW。巴西以2472MW新增裝機容量繼續引領拉丁美洲。拉丁美洲總裝機3749MW。其中智利506MW,烏拉圭405MW。美國風電在2013年的低谷后開始回暖,年新增裝機達到4854MW。加拿大1871MW的裝機容量創歷史紀錄,墨西哥522MW的裝機成績也表現不俗。澳大利亞由于過去一年政府政策的變化對可再生能源影響巨大，然而，567MW的裝機容量依然表現不凡。為促進風力發電的發展，世界各國政府特別是歐美國家出臺了許多優惠政策，主要包括有:投資補貼、低利率貸款、規定新能源必須在電源中占有一定比例、從電費中征收附加基金用于發展風電、減排C02獎勵等。歐洲的德國、丹麥、荷蘭等采用政府財政扶持、直接補貼的措施發展本國的風力發電事業；美國通過金融支持，由聯邦和州政府提供信貸資助來扶持風力發電事業；印度通過鼓勵外來投資和加強對外合作交流來發展風力發電事業；日本采取的措施則是優先采購風電。多種多樣的優惠政策促進了各國風力發電的快速發展[3]。1.1.2國內風力發電現狀與前景中國的風能資源十分豐富。根據全國900多個氣象站的觀測資料進行估計[4]，中國陸地風能資源總儲量約32.26億KW,其中可開發的風能儲量為2.53億KW，而海上的風能儲量有7.5億KW,總計為10億KW。據有關部門預測,我國可利用風能資源約為16億千瓦。在我國,約20%的國土上具有比較豐富的風能資源，其主要分布在東南沿海及其附近島嶼,以及西北、華北和東北地區,特別是新疆和內蒙古的風能資源極為豐富。目前,我國風能利用發展很快,無論是發展規模還是發展水平都比以前有很大提高。風能作為一種無污染、可再生且運行成本低廉的新能源,在我國有著巨大的發展潛力和廣闊的市場前景。近兩年風電行業繼續保持較快發展勢頭,據國家可再生能源信息管理中心的信息,2014年我國新裝風電并網容量1981萬千瓦,新增裝機容量創歷史新高,累計并網容量9637萬千瓦；新增風電核準容量3600萬千瓦,同比增加600萬千瓦；風電單機功率顯著提升,2兆瓦機型市場占有率增長9個百分點。風能已成為僅次于煤電、水電外的第三大發電能源。目前,我國已經成為全球風力發電規模最大、增長最快的市場。在能源結構調整和發展清潔能源的迫切需求[5],及風電鼓勵性政策的引導下,2014年中國風電行業迎來了新的發展機遇。整個產業的發展回歸理性健康的道路,增長方式也將繼續發生變革。風電設備行業的市場秩序得到規范，技術門檻也在不斷提高,市場需求逐漸從原來的重規模到重效率、從重速度到重質量、從重裝機到重度電成本過渡。2015年,這種行業變革將繼續推進,并且促進中國風電行業走向新的發展階段。我國風力發電行業發展前景廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發展，同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩步提升。在“十二五”期間，我國風力發電新增裝機速度仍將繼續保持較快增長,風電場建設、并網發電、風電設備制造等領域已成為投資熱點,市場前景很好。預計到2020年，將在新疆﹑甘肅﹑內蒙古﹑河北﹑東北以及江蘇沿海等地建立6個千萬千瓦風電基地，在河北﹑內蒙古﹑遼寧等地建立若干百萬千瓦風電基地。1.2論文的主要結構組成第一章主要論述了世界風電發展的概況及其我們中國近幾年風力發電的情況與對風力發電前景的預測。第二章介紹了紹小型風力發電系統并網逆變器主電路的拓撲結構和各部分元器件參數的選擇以及單相并網的控制方法。第三章主要介紹搭建小型風電單相并網逆變器的MATLAB仿真模型。2小型風力發電單相并網逆變器主電路的設計2.1小型風力發電裝置結構小型風力發電系統由風電系統、整流系統、逆變系統構成，如圖1所示。交流負載逆變系統整流系統風電系統交流負載逆變系統整流系統風電系統隔離變壓器直流負載隔離變壓器直流負載電網電網圖1小型風力發電系統框圖小型風力發電系統是利用小型風力發電機組將風能轉換成電能,如圖1所示，小型風力發電輸出的不穩定的交流電經過整流系統變為低壓的直流電，再通過逆變系統轉化為交流電[6]。實現并網，需要在逆變系統和電網之間加上隔離變壓器。整流、逆變環節是整個小型風力發電系統的重要組成部分,也是技術的關鍵所在。逆變系統通過逆變電路提供交流電供交流負載使用也可以并入電網。本文主要研究小型風力發電裝置當中的整流、逆變部分。2.2單相并網系統總體設計方案小型風力發電系統中的單相并網逆變器,將由風力發電機產生的三相交流電經過整流環節后,變成低壓直流電,然后通過boost電路進行升壓變為直流高壓，升壓后的直流通過單相并網逆變器后變成與電網電壓同頻率和同相位的交流電并入電網。小型風力發電中并網逆變電路的直流電壓是由前級整流電路提供的，一般為48V左右[7]，因而需要經過升壓后才可逆變為220V/50HZ的工頻交流電。所以必須采用升壓電路，實現升壓作用后再連接逆變電路。如圖2所示，單相并網主電路由流電路、升壓電路、逆變電路和隔離變壓器四部分組成。工作原理為：前級先將風力發電機經整流輸出的48V直流電經過boost升壓到達310V左右的直流高壓,再以單相全橋結構逆變成220V/50HZ可并入電網的交流電。圖2主電路設計原理圖2.3主電路的拓撲結構2.3.1整流環節的選擇三相不可控整流電路如圖3所示。其作用是將風力發電機輸出的三相交流電轉化為直流電供后級的電路使用。圖3三相不可控整流電路2.3.2升壓環節拓撲結構的選擇直流升壓有很多種方法,有直接DC-DC變換器,電氣隔離型DC-DC變換器。直接DC-DC變換器中包含Boost升壓電路,buck-boost升降壓電路等。帶電氣隔離的升壓電路多為DC-AC-DC變換電路,其結構復雜,體積較大。帶電氣隔離的升壓電路多為DC-AC-DC變換電路,其結構復雜,體積較大。直接變換電路中boost升壓電路結構簡單、用到的器件很少可以實現簡單的直流升壓boost電路拓撲結構如圖4所示。圖4簡單Boost電路2.3.3逆變環節拓撲結構的選擇逆變電路根據直流側是電壓源還是電流源分為電壓型逆變和電流型逆變，按相數分為單相、三相逆變電路。本文研究的是小型風力發電系統,所以選擇單相逆變。對于單相逆變電路,單相半橋式逆變電路在輸入端只能產生兩種電平,因此采用脈寬調制的方式在輸入端生成的是雙極性的調制波[8],其逆變橋輸出電壓的幅值Uab只有直流母線電壓的一半，欲得到和全橋相同的輸出功率，高壓開關管必須流過兩倍的電流，而且它必需有兩個輸入電容,一般只宜獲得中等功率的輸出。全橋逆變電路中四個開關管VT1-VT4組成了兩個橋臂,每個開關元件都并聯反向二極管為電感電流續流提供通路,與半橋電路相比控制相對復雜，但靈活度更大，電壓源VDC上并聯大電容以吸收無功電流,減小電壓紋波。采用全橋逆變電路,輸出電壓、電流的幅值為半橋逆變電路輸出幅值的兩倍[9]。克服了半橋逆變電路直流側串聯電容的電壓均衡問題。所以DC-AC變換級選擇單相全橋逆變電路。其電路圖如圖5所示。圖5單相全橋逆變電路2.4直流升壓電路的設計2.4.1boost升壓電路基本原理假設L和C值很大,V處于通態時,電源E向電感L充電，電流I1恒定,電容C向負載R供電,輸出電壓Uo恒定。V處于斷態時,電源E和電感L同時向電容C充電,并向負載提供能量[10]。當電路工作處于穩態時,一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即：(1)(2)將升壓比的倒數記作β,即，則β和導通占空比α有如下關系：(3)式2可以表示成：(4)輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住[11]。如果忽略電路中的損耗,則由電源提供的能量僅由負載消耗，即：(5)輸出電流的平均值Io為：(6)(7)2.4.2升壓電路的設計本文設計的升壓電路要求將直流電壓由48V升高到310V左右。己知被升電壓和所要求達到的電壓,就可得到其開關器件IGBT的開關觸發脈沖的占空比α。由式7可以得到:(8)代入參數得：(9)由于需要引入負反饋的閉環控制，所以開關器件的觸發脈沖占空比肯定不能固定為某一常數[12]，而是需要不斷的微調變化,下面是關于可調的脈沖發生器的設計,這是在matlab中建模完成的。輸出電流平均值：(10)直流輸入電壓為48V,直流輸出電壓值為310V,總功率為1kW,系統效率0.9，直流輸出電流IO=3A。開關管的工作頻率fs=20kHz,則其周期T=50us。本文設計的BOOST升壓電路要工作在電感電流連續狀態,因此要求升壓電感值要足夠大，使流過電感上的電流基本保持不變[13]。設電感電流平均值為IL,電流臨界連續的峰值電流為IM,直流輸入電壓為Uin直流輸出電流為IO,直流輸出電壓UO,電源轉換效率為。根據功率守恒可得：(11)當電感電流處于臨界連續狀態時,平均電流IL為電感峰值電流IM的一半,其值為：(12)由式(11)和（12）可得電感連續時的電感值：(13)實際取L=100uH。升壓電路達到穩定工作狀態時,其輸出的電壓為恒定值U0,此時輸出的電流為I0。因為當功率管關斷時,輸出的全部電流都是由電容C提供的,所以電容C上的電流等于輸出電流IO,且在這段時間內電容C上的電壓變化量就是直流輸出電壓的紋波電壓值Uo，由此得到如下的關系式：(14)由上式可得到濾波電容：(15)輸出電壓的紋波系數：(16)輸出電壓的紋波系數取為2%，由式(15)和(16)得：(17)輸出電容取470uF,耐壓值為450V直流升壓電路中開關所能承受的最高電壓為310V,最大電流為32.29A,所以選用600V/59A的MOSFET管。輸出二極管需要承受最大反向電壓310V,流過二極管的最大電流為3A,選用平均電流30A、峰值200A、耐壓600V快恢復二極管MUR3060PT[15]。2.5單相全橋SPWM逆變電路的設計2.5.1逆變電路的基本工作原理以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理如圖6。S1-S4是橋式電路的4個臂,由電力電子器件及輔助電路組成。(a)(b)圖6逆變電路及其波形逆變電路工作過程：S1、S4閉合，S2、S3斷時,負載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時,負載電壓Uo為負。這樣就把直流電變成了交流電,改變兩組開關的切換頻率,即可改變輸出交流電的頻率。當負載為電阻時,負載電流io和U0的波形相同,相位也相同。阻感負載時,Io相位滯后于U0,波形也不同。圖6給出的就是阻感負載時電壓電流波形[14]。2.5.2SPWM控制方法圖7SPWM逆變電路圖8單極性SPWM控制方式SPWM控制的控制電路如圖7所示。調制信號Ur為正弦波,載波Uc在Ur的正半周為正極性的三角波,在Ur的負半周為負極性的三角波，在Ur和UC的交點時刻控制IGBT的通斷。在Ur正半周,V1保持通,V2保持斷。當Ur>Uc時使V4通,V3斷,Uo=Ud。當Ur〈Uc時使V4斷,V3通，Uo=0。同理可適用于Ur的負半周。以上控制方式稱為單極性PWM控制方式。在Ur的半個周期內,三角波載波有正有負,所得PWM波也有正有負,其幅值只有±Ud兩種電平。同樣在調制信號Ur和載波信號Lie的交點時刻控制器件的通斷。ur正負半周,對各開關器件的控制規律相同。當Ur>Uc時,給V1和V4導通信號,給V2和V3關斷信號。如Io>0,V1和V4通，如Io<0，VD1和VD4通，Lio=Ud。當UKuc時，給V2和V3導通信號,給VI和V4關斷信號。如Io<0，V2和V3通，如Io>0，D2和VD3通，Uo=-Uc。SPWM控制技術在逆變電路中應用的最為廣泛,對逆變電路的影響也最為深刻。目前中小型的逆變電路幾乎都采用了SPWM技術,可以說SPWM控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用,才確定了它在電力電子技術中的重要地位。所以本文中采用了單相全橋SPWM逆變電路[14]。2.5.3逆變電路功率器件的選擇逆變電路額定輸出為：電壓U=220V,功率P=1KW,考慮逆變環節的效率η=90%，實際應用中IC的取值需留有2倍的安全過載裕量。則流過功率器件IGBT的額定電流IC可按下式計算:(17)因為直流側的輸入電壓U=310V以及尖峰電壓的影響,所以應留有一定裕量,可以選擇600V的IGBT功率管。功率二極管是照通態平均電流來選取的,最后選取平均電流30A、峰值200A、反向恢復時間60ns、耐壓600V的快恢復二極管MUR3060PT。2.5.4逆變輸出濾波電路的設計在逆變電源的輸出端加入低通濾波器可以濾掉其中的高頻分量,r型濾波器具有低通濾波、結構簡單、應用廣泛與濾波器元件少等優點,本電源輸出濾波器采用此結構。輸出濾波器中L和C參數與SPWM的頻率緊相關[15]。頻率越高,就可以減小濾波器的體積,但同時也會增加開關損耗,從而影響逆變器的輸出效率。所以應根據系統的截至頻率fc以及負載RL來設計濾波器。逆變電源輸出參數為：輸出功率P=1KW,輸出電壓U=220V,頻率為50Hz。3小型風電單相并網逆變器的仿真3.1SPWM發生器的仿真模型由于本文逆變電路為SPWM逆變電路,所以要先設計一個SPWM發生器,由于逆變電路開關器件IGBT的開關頻率一般在5k-40k之間以及matlab仿真的精度和步長范圍,將設計電路的頻率設為10k。對于單相全橋逆變來說,共有四個開關器件,兩兩成組,共兩對橋臂,所以需要四個SPWM脈沖作為開關器件的觸發脈沖[16]。(1)模型搭建。根據直流升壓變流器原理電路建立變流器的仿真模型,在Simulink中搭建電路模型model,如圖9所示。(2)設置元件參數。(3)設置仿真參數,取仿真時間50ms,步長取le-5,仿真算法采用ode23tb。圖9SPWM發生器仿真模型圖9中只是用一個定幅定頻的正弦波信號作為模型代替了原本是變化的正弦波信號進行建模,實際中調制正弦波是由給定信號與反饋信號之差提供,進過HD調節器的控制進入相應端口。另外,由于matlab中沒有三角波發生器,所以三角波載波信號需由自己搭建。下面是三角波發生器的搭建。利用matlab中提供的據齒波和方波作為元件,其他元件有Simulink提供,加入定值電壓,可以改變SPWM脈沖的調制方式。圖10仿真輸出波形圖10進行簡要分析,由方波發生器作為門控信號,當方波為高電平時,選通上方的信號輸出,鋸齒波呈上升趨勢,當方波為低電平時,選通下方信號輸出,鋸齒波呈下降趨勢,這樣,在方波的一個周期內,就能形成一個等腰三角形波,且幅值為IV。在三角波model中,加入上圖中的定值C1,C2后,就由雙極性調制波變為單極性調制,雙極性調制電路得到的波形要比單極性的理想。3.2Boost升壓電路仿真模型升壓變流器主電路的設計除要選擇開關器件和二極管外,還需要確定電感L的參數,電感參數的計算是復雜的,但是采用仿真卻很方便。仿真的模型線路如圖11所示。在模型中開關器件采用了IGBT,IGBT的驅動信號由脈沖發生器Pulse產生,設定脈沖發生器的脈沖周期和脈沖寬度可以調節脈沖占空比。模型中連接了多個示波器,用于觀察線路中各部分電壓和電流波形,并且通過傅里葉分析來檢測輸出電壓的直流分量和諧波。仿真設計步驟如下:(1)模型搭建。根據直流升壓變流器原理電路建立變流器的仿真模型,在Sitmilink中搭建電路模型model,如圖11所示。(2)設置元件參數,取脈沖發生器脈沖周期為0.1ms,脈沖寬度為84%,初選直流電源U=48V,L=le-4H,C=le-4F。(3)設置仿真參數,取仿真時間50ms,仿真算法采用ode23tb。圖11boost直流升壓電路當負載電阻為1?的仿真結果分析可以得到超調量：（19）上升時間為t=0.025s調節時間為ts=0.15s。圖12輸出電壓Ur3.3單相全橋SPWM逆變電路仿真模型3.3.1開環逆變電路仿真模型仿真設計步驟如下：(1)模型搭建。在Simulink中搭建電路模型model,如圖13所示。(2)設置元件參數。初選直流電源U=310V,L=60e-3H,C=4e-6F,負載R=30?PWM脈沖發生器采用自制SPWM脈沖發生器。(3)設置仿真參數,取仿真時間0.08s,即四個調制波周期,仿真算法采用ode23tb。圖13逆變電路仿真模型圖14逆變輸出波形圖4總結本文所設計的逆變電源系統在實際應用中是可行的。從實驗結果來看,閉環控制時系統工作穩定,并且系統的輸出電壓波形平滑,失真率較低,具有較好的正弦度,帶載能力較強。逆變電源系統可以獲得穩定的電壓輸出,基本達到了設計目的,適合風力發電系統中對逆變器性能的要求。全文根據對小型風力發電并網逆變器的性能要求,提出了逆變器控制電路的設計方案。小型風力發電系統單相并網逆變器的性能要求,介紹了系統主電路的拓撲結構和各部分元器件參數的選擇。包括前級直流升壓電路的設計和后級單相全橋逆變電路的設計以及單相并網逆變器的控制方法。介紹了相關部分電路,主要包括:采樣電路、過流保護電路和驅動電路等。在MATLAB里邊搭建boost升壓電路的仿真模型和單相全橋逆變電路的仿真模型時,進行開環和閉環的仿真比