小型風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)逆變畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告姓 名柴宗蓮專業(yè)電力系統(tǒng)分析 班級七班學(xué) 號11230801指導(dǎo)教師郭群題目類型題 目基于BOOST變換器的小型風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、選題背景及依據(jù)（簡述題目的技術(shù)背景和設(shè)計(jì)依據(jù)，說明選題目的、意義，列出主要參考文獻(xiàn)） 能源是人類賴以生存的動(dòng)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(jìn)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(shí)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(dá)的現(xiàn)代社會。隨著經(jīng)濟(jì)社會的進(jìn)步與發(fā)展，對于能源的

2、需求將會日趨嚴(yán)重，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(jī)越發(fā)嚴(yán)重。同時(shí)，化石燃料的過度使用給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)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(jìn)步與地球自然環(huán)境遭遇破壞之間的突出矛盾。進(jìn)入二十一世紀(jì)，能源物質(zhì)的缺乏正嚴(yán)重困擾著高速發(fā)展的中國，充足、優(yōu)質(zhì)的能源供應(yīng)是保證國民經(jīng)濟(jì)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(jì)的快速發(fā)展。為實(shí)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(jì)發(fā)展是當(dāng)前中國解決能源短缺的戰(zhàn)略發(fā)展方向。為實(shí)現(xiàn)該戰(zhàn)略目標(biāo)，切實(shí)解決能源短缺問題，我們只有依

3、靠科技手段，加快對風(fēng)能、太陽能等可再生清潔能源進(jìn)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(fēng)能進(jìn)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(fēng)能資源每年約53萬億千瓦時(shí),比 2020 年世界電力需求預(yù)測的兩倍還要多。而且從技術(shù)層面上講，關(guān)于空氣動(dòng)力學(xué)的理論不斷取得新進(jìn)展，一些新材料的研制成功，控制理論的日臻完善，機(jī)械電子技術(shù)的日趨成熟，都為風(fēng)能的開發(fā)和利用提供了理論和技術(shù)上的保障。風(fēng)能作為可再生、清潔環(huán)保的綠色能源，對其進(jìn)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(fēng)能利用形式是大中型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的方式。大型風(fēng)力發(fā)電

4、場并網(wǎng)對于電網(wǎng)的穩(wěn)定性的要求更高。因此，對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究和應(yīng)用越來越受到關(guān)注。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多采用直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)，通過直驅(qū)運(yùn)行的方式可以在較大風(fēng)速范圍內(nèi)高效運(yùn)行，由于直驅(qū)式發(fā)電機(jī)省去了變速裝置，發(fā)電效率有了較大提高，而且降低了運(yùn)行維護(hù)的成本，該方式代表了小型風(fēng)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(fēng)電系統(tǒng)存在的問題本文提出了小型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用模式，該系統(tǒng)可以將發(fā)電機(jī)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)將是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重要方向。小型風(fēng)力

5、發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)由于容量小、穩(wěn)定性高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于對風(fēng)速范圍沒有嚴(yán)格的要求，可以廣泛應(yīng)用于鄉(xiāng)村、城鎮(zhèn)甚至是人口密集的城區(qū)，將風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用范圍大幅擴(kuò)大。在沒有實(shí)現(xiàn)供電的草原、孤島等地區(qū)可以提供電力供應(yīng)，在城鎮(zhèn)或城區(qū)等人口密集地區(qū)風(fēng)速低，不適合大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用就可以彌補(bǔ)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(wù)社會。 :二、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)，其具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)部分：1、

6、主電路及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；2、控制電路、軟件框圖的設(shè)計(jì)、程序編寫。3、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)：逆變器的額定輸出功率：3KW連續(xù)過載能力：110%瞬時(shí)過載能力：120%1分鐘推薦風(fēng)機(jī)額定功率（KW）：小于2KW風(fēng)力機(jī)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓、頻率和功率都是不穩(wěn)定的，同時(shí)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(dá)到并

7、網(wǎng)逆變器直流側(cè)所需直流電壓，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(biāo)準(zhǔn)交流電源。本文主要工作如下：1、介紹了各種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢，并對各種風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)方法和并網(wǎng)變流器的控制策略進(jìn)行了深入分析。2、詳細(xì)地分析了逆變并網(wǎng)的原理以及主電路參數(shù)的計(jì)算和設(shè)計(jì)。3、介紹了并網(wǎng)逆變的控制策略，目標(biāo)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(jìn)行單相并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。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(jìn)行了深入研究，并對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

8、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展前景做了重點(diǎn)介紹。針對當(dāng)前小型風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，明確了小型風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方向。論文第二章主要講解了小型風(fēng)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(hù)裝置的研究，首先分析了該裝置對系統(tǒng)的重要性，進(jìn)行了軟件與硬件的設(shè)計(jì)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(biāo)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(jì)。論文第五章進(jìn)行了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，對并網(wǎng)逆變裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)研究，對各部分硬件參數(shù)的設(shè)計(jì)與選擇進(jìn)行

9、了分析研究，軟件設(shè)計(jì)部分介紹了控制流程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最后分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。文章最后在總結(jié)實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，對課題的后續(xù)研究進(jìn)行展望。 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：風(fēng)輪部分、發(fā)電機(jī)部分、調(diào)向裝置以及塔架組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪部分有葉片、輪轂構(gòu)成，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片通常有 3-6 片，使用的材料通常是質(zhì)量小、強(qiáng)度高的輕型材料如玻璃鋼、鋁合金等；小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)大多采用直驅(qū)式同步發(fā)電機(jī)；調(diào)向裝置一般采用尾舵進(jìn)行調(diào)向；塔架部分作為小型風(fēng)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

10、高要求。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理：風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)械裝置，發(fā)電機(jī)是將機(jī)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(jìn)行分析研究。風(fēng)能利用系數(shù)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的重要參數(shù)，用Cp 表示，其定義為風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率。Cp不是常量，而是隨著風(fēng)速等的變化而變化。與風(fēng)能利用系數(shù)密切相關(guān)的參數(shù)是葉尖速比，的表達(dá)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(gè)最佳值，使得Cp最大。設(shè)計(jì)與運(yùn)行風(fēng)力機(jī)的整體目標(biāo)是盡可能地追求Cp最大，從而使風(fēng)力機(jī)輸出的能量具有最大值。風(fēng)力機(jī)與每個(gè)固定風(fēng)速值的風(fēng)

11、速都對應(yīng)著一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，對應(yīng)其最大風(fēng)能利用系數(shù)。最大功率曲線就是將在各個(gè)風(fēng)速下的最大功率點(diǎn)連接起來得到的曲線。應(yīng)該通過適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ癸L(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最大功率曲線上從而能夠充分利用風(fēng)能。風(fēng)力機(jī)是風(fēng)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(fēng)力機(jī)的工作性能并確定適用于小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)。按照風(fēng)輪軸向的不同可以講風(fēng)力機(jī)分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)兩種。輪軸與地面垂直的風(fēng)力機(jī)稱為垂直軸風(fēng)力機(jī)，該風(fēng)力機(jī)的葉片通常為對稱結(jié)構(gòu)，因此可以接受任何方向的風(fēng)，從而適用于風(fēng)向不固定的場所。該風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大的缺點(diǎn)是啟動(dòng)力矩大，對風(fēng)速要求較為嚴(yán)格，因此在應(yīng)用中收到了

12、很大的限制。故，直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)不適用于小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。輪軸與地面相平行的風(fēng)力機(jī)稱為水平軸風(fēng)力機(jī)，水平軸風(fēng)力機(jī)是目前應(yīng)用最普及的一種風(fēng)力機(jī)。該風(fēng)力機(jī)的葉片通常為36片，葉片形同翼形。水平軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)力矩小，具有風(fēng)能利用效率高的特點(diǎn)，因此能夠充分利用低風(fēng)速段的風(fēng)能。對兩種風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行綜合比較分析，垂直軸風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音小，不需要調(diào)速裝置，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，風(fēng)輪葉片使用壽命長，但啟動(dòng)力矩大不能有效利用低風(fēng)速段的風(fēng)能；水平軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)力矩小，對風(fēng)速要求低，適用于各風(fēng)速段的場所，因此可以充分利用低風(fēng)速段的風(fēng)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(fēng)速段的風(fēng)能，本系統(tǒng)采用水平軸風(fēng)力機(jī)。

13、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)理論是 1926 年有德國科學(xué)家貝茲提出的，根據(jù)貝茲氣動(dòng)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(dòng)力學(xué)知識可知，風(fēng)力機(jī)只能從風(fēng)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(shí)間內(nèi)的流量質(zhì)量。葉輪單位時(shí)間內(nèi)吸收的風(fēng)能葉輪吸收的功率為：根據(jù)動(dòng)能定理基本公式： 單位時(shí)間內(nèi)氣流的功率為： 在葉輪前后，單位時(shí)間內(nèi)氣流的動(dòng)能改變量為：r此即為氣流穿越葉輪時(shí)，被葉輪吸收的功率，因此：整理得：即穿越葉輪的風(fēng)速為葉輪遠(yuǎn)前方與遠(yuǎn)后方風(fēng)速的均值。因此葉輪吸收的功率為：發(fā)電機(jī)是系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接決定風(fēng)了電轉(zhuǎn)換效率以及

14、電能的質(zhì)量等。永磁同步發(fā)電機(jī)、同步勵(lì)磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)等是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常用的發(fā)電機(jī)。永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分為永磁結(jié)構(gòu)，不需要額外提供勵(lì)磁電源，降低了制造成本，簡化了運(yùn)行維護(hù)，提高了發(fā)電效率。綜合考慮小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)以及永磁同步發(fā)電機(jī)的性能，本系統(tǒng)采用永磁同步發(fā)電機(jī)。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)。 三、畢業(yè)設(shè)計(jì)提交的成果 1、 開題報(bào)告（不少于3000字）； 2、設(shè)計(jì)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(jì)及硬件配置圖（1#圖），程序流

15、程圖（2#圖）； 4、中英文摘要（中文摘要約200字，35個(gè)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(jì)的主要文獻(xiàn)和技術(shù)資料1 二十一世紀(jì)呼喚綠色能源.世界環(huán)境，2004（4）:28312 金鑫.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)建模與仿真研究：博士學(xué)位論文，重慶；重慶大學(xué)，20073F.B.ELDRIDEG.Wind Machine.Nationl Science Foundation Research ，Washington，1975.4Y.L.Shefer Wind Powered Machines Leokanner Associates Redwood CityCalifor

16、nia，1974.5J.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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制技術(shù)的研究：碩士學(xué)位論文，華北電力大學(xué)，20089施琴.小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究：碩士學(xué)位論文，江蘇大學(xué)，201010中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員. 2011 年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)，2012.311卞松江，潘再平，賀益康. 風(fēng)力機(jī)特性的直流電機(jī)模擬.太陽能技術(shù).2003,24(3):36036412