电力电子课程设计报告--采用双PWM控制的风力发电并网变流器.docx

电力电子课程设计报告采用双PWM控制的风力发电并网变流器时间：2011年6月摘要随着全球能源危机和环境污染的日益严重，风能和太阳能作为当前最理想的绿色能源越来越受到各国的重视。但是由于风力发电的波动性和分散性，如果直接并入电网会对电网产生冲击，所以必须使风力发电的输出电压稳定在一定的电压和频率值之后才能并入电网，实现柔性并网。解决这一问题的核心就是风力发电并网变流器。在本次课程设计中，我们组设计了双PWM脉宽调制技术控制的并网变流器。本文针对风力发电并网变流器的原理，设计了对整流和逆变部分的PWM+PWM电路拓扑结构，分析了前级全桥整流电路和后级全桥逆变电路的工作原理，计算了主电路各无源器件和有源器件的参数并进行选型。对于有源器件设计了驱动电路使其能够正确工作。根据系统的总体控制方案，采用DSP作为主控制芯片，设计了基于TMS320F2812的双PWM控制变换器硬件控制系统。给出了控制框图及硬件资源的分配和常用的控制策略，设计了信号检测电路并分析了保护和散热原理。最后对设计的系统进行仿真。关键词：风力发电，双PWM变流器，硬件电路，元件选型，DSP芯片控制绪论课程设计要求风力发电并网变流器（AC-DC-AC，交-直-交双PWM控制）技术要求：输入电压：三相交流 相电压250V（波动10%）频率30Hz输出电压：三相交流 相电压220V，频率50Hz最大输出电流： 50A工作温度：0~50℃风力发电并网系统简介 在能源危机日益严重的今天，寻找绿色环保可持续的新能源来替代原有的化石燃料已成为人类的当务之急。风能作为一种取之不尽用之不竭的绿色能源，它的开发利用能够解决化石燃料燃烧所带来的诸多环境问题，是人类的理想替代能源。通过风力发电并网系统将风能转化为电能是一种非常有效的利用风能的手段。风力发电并网系统就是利用双馈式风力发电机将风能转换成三相交流电输出，经过三相全桥整流使之转换成直流电，经过稳压电容后再三相逆变，将直流电转换成负荷市电电网要求的三相交流电之后并入公共电网。双 PWM 变换器整体硬件构成如图 0.1 所示，整个系统由输入滤波电感、两块智能功率模块(IPM)、直流滤波电容三部分组成的主电路、以 F2812 为核心的控制电路、IPM 的驱动和保护电路、各相关检测电路、电源电路、通讯电路等部分组成。图0.1 双 PWM 变换器硬件整体框图课程设计流程本次课程设计所做主要工作如下：主电路选型：包含风力发电机转子侧的整流电路选型和后级电网侧的变换电路选型。主电路参数的计算：包括无源器件和有源器件的具体型号及设计参数，根据工作条件考虑各项电气参数。有源电路的驱动、保护原理设计：包括IGBT元件的驱动电路以及基于DSP芯片的控制、驱动和保护电路，是交-直-交系统能够符合设计要求并安全稳定工作。散热设计：简要计算开关管的功率损耗，考虑散热问题。仿真：利用PSPICE和Matlab/Simulink仿真软件分析电路的工作过程。主电路选型双馈风力发电机的双 PWM 变换器是一个交-直-交变流装置，是两个变流器通过中间直流环节的连接。常规设计中这两个变流器分别采用二极管整流器和晶闸管(或其他全控开关器件)有源逆变器，存在电流谐波比较大、动态响应慢、损耗大以及不能实现四象限运行等缺点。本文对两个变流环节均采用基于全控型器件的四象限运行的 PWM 变换器，不仅可以提高系统的动态响应，减少损耗和冲击，实现电能的双向传输，同时还能实现风力发电机网侧功率因数为 1，使电流波形控制为正弦。双 PWM 变换器主电路拓扑结构如图1.1 所示，为方便起见，将整个系统分成交流电网侧、网侧 PWM 变换器、直流侧、转子侧 PWM 变换器和双馈发电机。图1.1 双PWM变换器主电路拓扑结构图(1) 双 PWM 变换器在结构上、功能上都相对独立。网侧变换器的主要功能是实现对交流侧输入功率因数控制和控制直流环节电压稳定。转子侧变换器的主要功能是在转子侧实现对输出有功功率、无功功率的解耦控制，两个变换器通过相对独立的控制系统完成各自的功能。(2) 双 PWM 变换器的两个变换器均可实现能量的双向流动，两侧均可在整流/逆变状态间转换。当 DFIG 在亚同步运行状态下运行时，网侧变换器运行在整流状态，转子侧变换器运行在逆变状态，能量从电网流向 DFIG 转子；当 DFIG 在超同步状态下运行时，网侧变换器运行在逆变状态，机侧变换器运行在整流状态，能量从 DFIG 转子流向电网。(3) 双 PWM 型变换器具有较强的无功功率控制能力。由于 DFIG 是异步发电机，空载时转子需要吸收一部分无功功率进行励磁；而当定子输出感性无功功率时，转子需要吸收更多的无功功率。这就需要转子变换器具有产生一定无功功率的能力。整流电路选型图1.2 发电机侧PWM原理图由于采用了双PWM脉