1、风力发电电能变换装置的毕业设计1毕 业 设 计 论 文题 目 风力发电电能变换装置的研究 （院）系 电 气 与 信 息 工 程 系 风力发电电能变换装置的毕业设计2湖 南 工 程 学 院毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书设计（论文）题目： 风力发电电能变换装置的研究 姓名 系别 电气与信息工程系专业 电气工程及其自动化 班级 0004学号 0001120531指导老师 浣喜明 教研室主任 一、基本任务及要求：在规定时间内，完成以下工作： 1整体方案的确定； 2主电路设计、元器件选择；软件设计； 3装置工艺设计：画出布置图和电气接线图； 4装置调试与实验：写出调试和实验报告。 5提交设计
2、说明书和图纸。 二、进度安排及完成时间：（1）第二周至第四周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告； （2）第五周至第六周：毕业实习； （3）第六周至第七周：总体方案的确定； （4）第八周至十二周：主电路设计与元器件的选择；软件设计； （5）第十三周至第十四周：装置工艺设计； （6）第十五周至第十六周：装置调试与实验； （7）第十七周至第十九周：撰写设计说明书 （8）第二十周：毕业设计答辩 风力发电电能变换装置的毕业设计3目 录摘要1概述1第 1 章风力发电的电能变换装置及其工作原理 11.1 风力发电的特点和风力发电机的系统11.2 风力发电的电能变换装置的组成21.3 风力发电的电能变换装置的
3、工作原理4第 2 章整流电路52.1 单相可控整流电路52.2 三相可控整流电路72.3 三相不可控整流电路92.4 直流滤波电路 11第 3 章蓄电池组 143.1 蓄电池的种类和特性 143.2 铅酸蓄电池的基本概念 143.3 免维护铅酸蓄电池的特性 173.4 铅酸蓄电池的工作原理 18第 4 章充电电路 194.1 充放电装置的设计要求 194.2 充放电控制过程分析 20第 5 章斩波电路 225.1 Cuk变换器工作原理225.2 有变压隔离器的 Cuk变换器 255.3 DC/DC变换器主回路的线路结构275.4 DC/DC的驱动电路28第 6 章逆变电路 296.1 换流方式
4、 296.2 电压型逆变电路 306.3 电流型逆变电路 346.4 PWM控制技术在逆变电路中的应用36 第 7 章静态开关 38风力发电电能变换装置的毕业设计47.1单继电器做静态开关 387.2 电子式静态开关 39第 8 章控制检测保护电路 428.1单相正弦脉宽调制(SPWM)电路 428.2三相正弦脉宽调制(SPWM)电路 458.3 保护电路 46第 9 章结束语 48致谢参考文献风力发电电能变换装置的毕业设计5摘要风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁、可再生的新型能源，而且无污染，因此当今世界各国都把开发风力发电作为现代科技的新兴产业。本文主要研究风力发电的电能变换及其装置，介绍
5、和比较各电力电子电路的特性，选择风力发电电能变换装置适合的电路，使风能通过整流，充电电路，蓄电池组的储能，逆变器电路和斩波电路再通过静态开关的切换和控制电路的控制检测保护电路的控制监测使其能够输出恒久稳定的电压，从而利用风力发电电能变换装置达到风力发电的要求和目标。关键词：风力发电 电能变换 整流 逆变 静态开关Abstract Wind power is a kind of regeneration new energy sources which supply is inexhaustible and inexhaustible. Because of no pollution, all
6、of the countries take the development of wind power electricity as modern science and technology of new rising estate in modern time. The Electric power transformation and its devices of the main research in this text wind power, introduction with the characteristic of each electric power electronic
7、s electric circuit, choose the electric circuit that wind power electric power transformation equip in keeping with, make wind energy passed to commutate, refresh the electric circuit, storage battery a control for keeping can, changing machine electric circuit with an electric circuit again passing
8、 the switch of static state cutting over with controlling electric circuit examination protection the control of the electric circuit monitors to make its can output the endurable and stable electric voltage, from but make use of the wind power electric power transformation equip to attain the reque
9、st of the wind power with target.Keywords: The Wind Power Electric, Power Transformation Commutates, Rectification, Inversion, Static State Switching 风力发电电能变换装置的毕业设计6第 1 章 风力发电的电能变换装置及其工作原理1.1 风力发电的特点和风力发电机的系统1.1.1 风力发电的特点由于风能的特殊性，与常规的水火电系统相比风电系统具有很大的差别，主要表现在三个方面：(1)风能的随机性风速随着大气的气温、气压、湿度、干度、太阳及月亮的活动
10、和风电场地形地貌等因素的不同而不同，是随机和不可控的，这样作用在风力机叶片上的风能也就是随机的和不可控制的。(2) 风力机转动惯量大风能密度分布相对比较低，为了尽可能捕获较多的风能，风力机转动的叶片直径必须做的很大，典型的商业化中大型风力发电机组转动叶片直径大概在 20m60m 之间。显然，巨大的转子叶片的直径，必然使得风力机具有较大的转动惯量。(3) 风力机与发电机之间的柔性连接为了有效的转换风能，风力机转子由于受到风能转换效率（理论极限值是 0.59）的限制，叶尖速率比不 可能很大，风力机的转子转动的速度不会很高，与发电机转动的速度相差比较大，发电机与风力机之间不能直接相连，必须通过一定变
11、比的升速齿轮箱进行传动。这样发电机与风力机之间的刚性度大大降低。换句话说，风力机和发电机两大系统之间是柔性连接的。(4) 异步发电机目前，大规模的风力发电机系统一般采用异步发电机直接并网的运行方式。通常机端配备有补偿电容器组，以提供异步发电机在启动和运行时所需要的激磁无功。异步发电机的频率由大系统来决定，风能的变化将引起异步发电机转差的变化，相应地其注入电网的有功和吸收的无功也要随着风速的变化而变化，这将导致系统，特别是风电场附近电网母线电压的波动，严重时还可能引起电压闪变。随着电力电子的发展，新型的风力发电机可以选用变速恒频交流励磁双馈发电机，则无须配备补偿电容器组。这种交流励磁双馈发电机不
12、仅能发有功功率，而且还能发无功功率，且能方便地调节有功功率，使得风力发电系统具有良好的性能1.1.2 风力发电机的系统风力发电电能变换装置的毕业设计7目前风力发电机技术越来越得到风力发电工作者的注意，因此都考虑采用交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统。变速恒频风力发电机采用采用双馈型发电机，它与饶县型感应电机相似，其定子接入电网，转子绕组由频率、相位、幅值都可调节的电源供给三相低频交流励磁电流(如图 1.1所示)。低频励磁电流在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度 wS与转子机械转速 wr相加等于定子磁场的同步转速w1，即 w1=wr+wS，从而发电机定子感应出共频电压。当风速变化引
13、起发电机转速 wr变化时，改变转子绕组电流的频率和旋转磁场的转速 ws，可是定子旋转磁场 w1保持恒定，达到变速恒定的目的。图 1.1 交流励磁双馈风力发电机原理图由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，因此图 1.1中所示的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。另外发电机运行时，既可超同步速运行，也可亚同步速运行，变速运行的范围比较宽。这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器容量外，还可实现有功、无功功率的灵活
14、控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷。1.2 风力发电的电能变换装置的组成风力发电的电能变换装置主要由输入整流电路、蓄电池组、充电电路、斩波电路、逆变器电路、静态开关和控制检测保护电路七个部分组成。1.2.1 输入整流电路整流电路主要是将交流电变为直流电，在风力发电的电能变换装置中，蓄电池组、逆变器及其控制电路均需要直流电，因此，整流电路的主要作用就是将交流电变为直流电为其提供稳定的直流电，保持电压稳定的输出以及抑制电网的干扰信号。1.2.2 蓄电池组蓄电池组是风力发电电能变换装置的心脏，没有蓄电池组的装置只能称作交流稳压稳频电源。目前在不间断供电中，广泛
15、使用蓄电池作为储存电能的装置。当风力发风力发电电能变换装置的毕业设计8电正常时，蓄电池由直流电源对其充电，将电能转换成化学能而储存起来；当风力发电供应中断时，装置用储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作，此时蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给系统使用，因此蓄电池是一种可逆电源。目前在中小型风力发电电能变换装置中广泛使用的是所谓的免维护的密封式铅酸蓄电池，它的价格较贵，一般占 UPS 总生产成本的 1/42/5。在返修的 UPS 中，由于蓄电池的故障而引起的风力发电电能变换装置不能正常工作的比例占 1/3。由此可见，正确的使用并维护好蓄电池组，对延长蓄电池使用寿命极大，如果正确使用，蓄电
16、池的寿命一般可达到 35 年。1.2.3 充电电路风力发电电能变换装置中充电电路将蓄电池放电后损失的能量重新补充，一般充电电路是独立于逆变器而工作的，也就是说即使不用逆变器，只要将电源接通，充电电路就可以工作。在充电过程中，充电器的控制电路检测整流充电过程，一般在充电阶段是恒流充电过程，随着电池电压的上升，当蓄电池的电压达到浮充电压以后，充电器工作在恒压阶段，直到电池被充满。因此，充电电路的反馈回路一般有两个，一个作为电流反馈，另一个是电压反馈。主电路一般采用开关型电路，其类型一般有降压电路和升压电路两种。这些电路称为基本充电电路。为了减少充电时间，各种快速充电电路在风力发电电能变换装置中也得
17、到了应用。1.2.4 斩波电路风力发电电能变换装置中的斩波器即 DC/DC，就是利用晶闸管或自关断器件来实现通断控制，将直流电源电压加到负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值。它具有效率高、体积小、重量轻、成本底等优点，现在广泛地用于 USP 和风力发电电能变换装置的直流直流变换器和功率因数校正电路中，对整流电压或蓄电池电压进行升、降压和稳压。1.2.5 逆变器电路风力发电电能变换装置逆变器的功能是将风力发电整流所得的直流电压或蓄电池电压逆变成频率稳定、电压稳定、波形失真小的交流电压。目前在风力发电电能变换装置的逆变器中，逆变原理普遍采用脉宽调制技术（SPWM 技术）及波形叠加技术，
18、该波形经过 LC 低通滤波器滤波得到标准正弦波。1.2.6 静态开关静态开关是风力发电电能变换装置的保护设备和供电转换器件，它一方面保护装置和负载，另一方面作为风力发电和蓄电池供电的转换器件。由于静态开关转换时间很短，因此在转换过程中不会出现间断。在风力发电电能变换装置一般采用一对反向并联的快速可控硅作为静态开关。1.2.7 控制检测保护电路风力发电电能变换装置的毕业设计9控制检测保护电路主要由保护、监测和报警电路组成。控制电路是风力发电电能变换装置的神经中枢，其输出电压精度高低、波形失真大小以及长期工作可靠性的高低均与控制电路密切相关。为了使装置可靠工作，应具有较为完善的保护电路，一般的风力
19、发电电能变换装置都具有电池电压过低自动保护、逆变器输出过载或短路自动保护电路、逆变器过压输出自动保护电路、输入电压过高自动保护电路等保护电路。监测和报警电路则是为了随时的掌握和了解装置的工作状态和运行情况。1.3 风力发电的电能变换装置的工作原理风力发电电能变换装置原理: 当风力发电正常时，输出电压经过整流滤波电路，一路经过斩波器给逆变器提供电压，逆变器输出变压器和输出滤波电路将 SPWM 波形变换成隔离的纯正弦波，另一路送入充电器给蓄电池补充能量。这种工作状态时，静态开关切换到逆变器。风电经整流滤波器、逆变器及静态开关给负载供电，并且由逆变器来完成稳压和频率跟踪的功能。 当风力发电不足或输出
20、故障或输出过载时，工作在后备状态，静态开关仍然切换到逆变器端，由蓄电池经逆变器将蓄电池的直流电压转换成交流电压通过静态开关输出到负载。 在风力发电正常，逆变器出现故障或输出过载时，装置工作在旁路状态，静态开关切换到市电直接给负载供电。如果静态开关的转换是由逆变器故障引起，装置会发出报警信号；如果是由过载引起，当过载消失以后，静态开关重新切换回逆变器端。控制、监测、显示、告警及保护电路提供逆变、充电、静态开关转换所需的控制信号，并显示其各工作状态，当出现过电压、过电流、短路、过热时及时报警，同时提供相应的保护。比如当负载发生短路是，保护电路会很快将逆变器关断，使其免受损坏，短路消失后逆变器会重新
21、自动启动，恢复风力发电。由此可见，无论风力是否正常，其输出总是由逆变器提供，所以在风力不正常的时候，其输出不会有任何间断。其原理框图如图 1.2 所示。(主线路图见附录)整流电路 DC/DC蓄电池组充电电路逆变电路静态开关控制检测保护电路输入输出控制电路风力发电电能变换装置的毕业设计10图 1.2 风力发电电能变换装置框图第 2 章 整流电路整流电路是电力电子电路中出现的最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。整流电路主要的分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器
22、二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。2.1 单相可控整流电路单相可控整流电路的交流侧接单相电源，它包括半波可控整流、全波可控整流、桥式全控整流和桥式半控整流。2.1.1 单相半波可控整流单相半波整流电路，是电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，支流输出电压 Ud 为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在正半周内出现，所以叫半波整流。如图所示 2.1。图 2.1 单相半波可控整流电路及波形半波整流在负载 R上的直流电压 U的数值，为半波电压在整个周期的平均电压值，即： 22 2 1 1cossin() (1+cos)0.45 dUtdU 半波整流中，流过整流元件的平均电流 Id与流过阻感负载的直流电流 Ir相等，即：()2 2sin()sin()RtLdietZZT Ru2 u2 udVTu1 iduVT2 x
