小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制逆變器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(已修改)
2026-06-29 21:02 本頁(yè)面
【正文】 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制逆變器的設(shè)計(jì)引言隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求越來(lái)越多。而地球不可再生能源，如石油、煤炭等，隨著過(guò)量開(kāi)發(fā)利用也日趨短缺，并造成了較為嚴(yán)重的污染。為此，研究和開(kāi)發(fā)潔凈可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能等)已提到議事日程。可以預(yù)計(jì)：可再生能源大規(guī)模應(yīng)用將是21世紀(jì)人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志。然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先必須完成可再生能源由補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡，即使可再生能源由邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)的獨(dú)立供電向有電地區(qū)的常規(guī)并網(wǎng)用電方向發(fā)展，這將大大提高可再生能源的利用率。可見(jiàn)，能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題困擾世界的同時(shí)也給諸多科技領(lǐng)域施加了動(dòng)力并提供了廣闊的市場(chǎng)。其中電氣工程專業(yè)首當(dāng)其沖。電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和微電子技術(shù)等相結(jié)合進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源向電能的最佳轉(zhuǎn)換和最優(yōu)控制，以取得可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 在眾多的可再生能源中，風(fēng)能以其巨大的優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿κ艿饺藗兊那嗖A。風(fēng)力發(fā)電具有建設(shè)周期短、裝機(jī)規(guī)模靈活、不消耗燃料、不污染環(huán)境、不淹沒(méi)土地等優(yōu)點(diǎn)，被世界各國(guó)優(yōu)先采用。目前在多種可再生能源中對(duì)風(fēng)能的利用在技術(shù)上最成熟，已具有同燃油、燃煤、核電等發(fā)電技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)力機(jī)的單機(jī)容量越來(lái)越大，制造成本不斷降低，商業(yè)化機(jī)組已有10余年良好運(yùn)行的記錄對(duì)風(fēng)力機(jī)的設(shè)備配套技術(shù)也日益完善，商業(yè)性風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)均己形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模和經(jīng)濟(jì)效益。第一章 逆變器的基本概念及原理風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由葉輪、發(fā)電機(jī)及齒輪箱(在直驅(qū)系統(tǒng)中已省去齒輪箱)、整流器、直流環(huán)節(jié)、逆變器等組成成。系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖所示.風(fēng)機(jī)蓄電池整流逆變交流輸出圖11 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖中，葉輪的作用是捕捉風(fēng)能，并將之轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；發(fā)電機(jī)則將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；整流器將發(fā)電機(jī)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電；逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位的交流電，然后通過(guò)變壓器饋人電網(wǎng)。通常，我們把交流電能變換成直流電能的過(guò)程稱之為整流，把完成整流功能的電路稱之為整流電路，把實(shí)現(xiàn)整流過(guò)程的裝置稱之為整流設(shè)備或整流器。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的整流器是將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交變電流整理成直流電流，然后經(jīng)過(guò)濾波。整流器的類型有很多，按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種；按照電路結(jié)構(gòu)可以分為橋式電路和零式電路；按照交流輸入的相數(shù)可以分為單相電路和多相電路；按照變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或者雙向可以分為單拍和雙拍電路。由于本論文的重點(diǎn)是逆變部分，這里不做贅述。 與整流相對(duì)應(yīng)的，把將直流電能變換成交流電能的過(guò)程稱為逆變，把完成逆變功能的電路稱之為逆變電路，把實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程的裝置稱為逆變器。 逆變器基本上分為單相和三相兩大類，單相逆變器適用于小、中功率，三相逆變器適用于中、大功率。根據(jù)輸入電壓的特點(diǎn)可以將逆變器分為電壓型逆變器、電流型逆變器以及諧振環(huán)形逆變器。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以將逆變器分為半橋式、全橋式、推挽式和其他一些形式. 逆變電路的基本工作原理 單相橋式逆變電路為例：.—1 逆變電路及其波形舉例S1～S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。SS4閉合，SS3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正S1；SS4斷開(kāi)，SS3閉合時(shí)，uo為負(fù)，把直流電變成了交流電。改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io滯后于uo，波形也不同。t1前：SS4通，uo和io均為正。t1時(shí)刻斷開(kāi)SS4，合上SS3，uo變負(fù)，但io不能立刻反向。io從電源負(fù)極流出，經(jīng)S負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時(shí)刻降為零，之后io才反向并增大換流——電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也稱換相。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。開(kāi)通：適當(dāng)?shù)拈T(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可使其開(kāi)通。關(guān)斷：全控型器件可通過(guò)門(mén)極關(guān)斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷，一般在晶閘管電流過(guò)零后施加一定時(shí)間反壓，才能關(guān)斷。（1）器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流（Device Commutation）。（2）電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流（Line Commutation）。可控整流電路、交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交交變頻電路，不需器件具有門(mén)極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件。（3）負(fù)載換流由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流（Load Commutation）。負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。 負(fù)載換流電路及其工作波形基本的負(fù)載換流逆變電路：采用晶閘管，負(fù)載：電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。電容為改善負(fù)載功率因數(shù)使其略呈容性而接入，直流側(cè)串入大電感Ld， id基本沒(méi)有脈動(dòng)。工作過(guò)程：4個(gè)臂的切換僅使電流路徑改變，負(fù)載電流基本呈矩形波。負(fù)載工作在對(duì)基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對(duì)基波阻抗很大，對(duì)諧波阻抗很小，uo波形接近正弦。t1前：VTVT4通，VTVT3斷，uo、io均為正，VTVT3電壓即為uot1時(shí)：觸發(fā)VTVT3使其開(kāi)通，uo加到VTVT1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從VTVT4換到VTVT2。t1必須在uo過(guò)零前并留有足夠裕量，才能使換流順利完成。（4）強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）。通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱為電容換流。直接耦合式強(qiáng)迫換流——由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓。VT通態(tài)時(shí)，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷。 直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖電感耦合式強(qiáng)迫換流——通過(guò)換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。兩種電感耦合式強(qiáng)迫換流：。 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流（直接耦合式強(qiáng)迫換流）。先使晶閘管電流減為零，然后通過(guò)反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流（電感耦合式強(qiáng)迫換流）。電壓型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：(1) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同(3) 阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管．1半橋逆變電路 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形工作原理：V1和V2柵極信號(hào)各半周正偏、半周反偏，互補(bǔ)。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2，io波形隨負(fù)載而異，感性負(fù)載時(shí)，V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量，VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，VDVD2稱為反饋二極管，還使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少缺點(diǎn)：交流電壓幅值Ud/2，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡，用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合。 單相半橋電壓型逆變電路兩個(gè)半橋電路的組合。1和4一對(duì)，2和3另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，交替各導(dǎo)通180176。半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。，幅值增加一倍，單相逆變電路中應(yīng)用最多。交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流
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