开机分析方案风力发电机转子电路控制器设计.docx
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开机分析方案风力发电机转子电路控制器设计
2009届毕业设计开题报告
题目风力发电机转子电路控制器设计
专业电气工程及其自动化
姓名孔翔
班级05电
学号05020218
指导教师张建生
起止日期3月25日~6月9日
2009年4月8日
毕业设计开题报告
<含课题的来源及现状、设计要求、工作内容、设计方案、技术路线、预期目标、时间安排及参考文献等内容。
字数为2000左右。
)
一、课题来源及现状
1、风力发电机的现状
能源是国民经济发展和人民生活所必须的重要物质基础,对社会、经济发展和物质文化生活水平极为重要。
过去建立在煤炭、石油、天然气等不可再生能源基础上的能源体系推动了人类社会发展的同时,也给人类社会带来了严重的后果,譬如资源日益枯竭,环境不断恶化,由能源争夺引起的国与国之间、地区之间的政治经济纠纷,甚至冲突和战争。
因此,人类必须寻求一种清洁、安全、可靠的可持续能源系统。
这样,可再生的、储量丰富的、无污染和无公害的各种可再生的新能源就逐渐成为正在趋于枯竭的、非再生的、有污染和有公害的不可再生能源的替代品。
论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视,还是从为世界20多亿无电、缺能人口和特殊用途解决现实的能源供应问题出发,发展新能源与可再生能源将有重大战略意义。
我国是一个风力资源非常丰富的国家,全国约有2/3的地带为多风带。
风能总储量为32.26亿kw,实际可开发的风能储量为2.53亿kw。
主要分布在东南沿海及附近岛屿、新疆、内蒙古和甘肃走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区,每年风速在3耐s以上的时间近4000小时左右,一些地区年平均风速可达7耐s以上,具有很大的开发利用价值。
到2004年底中国累计安装风电机组达1292台,装机容量76.4万kw。
共有43个风电场,分布在14个省(市、区>。
与2003年累计装机56.7万kw相比,2004年累计装机增长率为34.7%。
中国目前风电装机容量虽少于上述国家,但近几年来风电发展迅速,预计到2007年新增风电装机容量累计达470万kw以上。
随着我国经济的快速增长,对电力供应的要求也日益加剧。
目前我国的电力供应形势仍然十分严峻,在2003、2004年我国出现了大面积的“拉闸限电”的情况。
而且我国的电力能源结构中75%是燃煤发电,排放污染也十分严重。
现在我国正在进行西部大开发,由于西部地区的分散性,要解决那里的用电问题,就必须开发像风力发电这样的分散供电系统,而我国2008年奥运会提出了“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的口号,这必将对新能源的发展起到很大的鼓舞作用。
而大力发展风电,既可以有效的减少二氧化碳等温室气体的排放,又可以缓解我国电力供应紧张的局面。
因此我国的风电产业发展迎来了一个前所未有的大好机遇。
2、课题来源
我国是风能资源较丰富的国家,有悠久的开发利用风能的历史。
尤其是近几十年内,在国家的鼓励和支持下,在部门的规划和领导下,在地方的组织和落实下,风力发电取得了可喜的进步。
在“六五”和“七五”期间的科技攻关工程中,在产业化发展中,在国家“863”计划中,都将风力机的研制放在其中。
国家制定了风力发电的规划和优惠政策,为大规模开发利用我国丰富的风力资源打下了良好的基础。
但是无论从发电能力的需求还是从环境保护的压力来分析,我国风能开发利用任重而道远。
从上世纪50年代开始风力发电的研究和实验到90年代风力发电开始由实验阶段步入商业化发展阶段并形成了“大、中、小”一起上的局面,我国的风力发电在借鉴外国先进风电技术的同时走出了自主创新的新路子。
进入90年代以后,我国在大型(并网型>风力发电机组的国产化方面取得了有效的进展。
经过20多年的科技攻关,在国家有关部门和地方政府的支持下,我国风能利用技术有了很大的提高,积累了不少成功的经验。
由上海蓝天公司主持研制的300kw风发电机组,1998年初在南澳风电场投入并网运行,目前运行情况良好。
在600kw风力机研制方面,由国家科研部立项,新疆风能公司、浙江省机电设计研究院等单位主持的大型风力机国产化工程也迈出了坚实的一步。
目前我国已基本掌握了200~6O0kW大型并网风力发电机组的制造技术,主要零部件如风轮叶片、变速箱、发电机、控制系统及偏航系统等己实现了国内批量生产,新疆金风科技有限责任公司生产的6O0kW风力发电机组国产化率为96%,投入运行效果很好,目前正开发MW级风力发电机组。
二、设计要求与目标
1、掌握双馈电机调速的基本原理;
2、掌握转子侧PWM变换器上午性能及其对DFIG的运行控制方法;
3、掌握风力发电机的空载并网控制;
4、完成转子侧控制系统的软件设计;
5、进行运行实验研究并调试
三、设计方案和技术路线
本文研究对象是双馈型绕线异步发电机的交流励磁变速恒频风力发电系统。
主要研究完整的交流励磁变速恒频风力发电的基础理论和关键技术,重点研究异步发电机变速恒频的运行机理,变速恒频的空载并网技术,交流励磁发电机的矢量变换控制。
双馈电机调速的基本原理
变速恒频是双馈型交流励磁绕线式异步发电机的一个重要优点。
由于实际中发电机的定、转子都参与了励磁,故可实现“双馈”。
根据双馈电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理,可以得出DFIG风力发电机运行时电机转速与定、转子绕组电流频率关系的数学表达式:
nl==n士n2(2-1>
f1=p*n/60士f2(2-2>
式中,f1一定子电流频率,由于定子与电网相连,所以f1与电网频率相同。
n1--定子旋转磁场的同步转速。
p--电机的极对数。
n--风力发电机的转速。
n2--为转子旋转磁势相对于转子的转速。
f2--转子电流频率。
由式(2一1>知,当风力发电机转速。
发生变化时,若调节转子电流频率几相应
变化,可使f1保持恒定不变,即与电网频率保持一致,实现风力发电机的变速恒频控制。
当n 定子发出电能给电网,式(2一l>和(2一2>取正号。 当n>nl时,风力发电机处于超同步速运行,此时定子和转子同时发出电能给电网,式(2一l>和(2一2>取负号。 当n=n1时,f2=0,变流器向转子提供直流励磁,此时发电机作为同步电机运行. 图2一1风力发电机变速恒频的运行原理 如图2一2是双馈调速电机的等效电路,其中s为转差率。 定子接电网所以定子磁场是恒定的。 气隙磁场的励磁电流可以从定转子两方面获取,由于定子磁场和气隙磁场励磁回路的串联关系,又因为存在定子磁场恒定这个约束,所以说定子磁场的励磁电流可以从定转子两方面提供,这样通过控制转子侧的励磁电流就可以控制电机定子侧从电网吸收的无功功率,起调节功率因数的作用。 双馈电机的转子绕组中总是作用着两个频率都是f1s的电源。 一个是转子感应电势Er,另一个是转子绕组的外加电压Ur,Er是一个受控电压源,受双馈电机的转差率和定子侧电流的约束。 调节转子侧附加电压Ur的幅值和相位,就可以控制双馈调速感应电机转子侧的有功功率和无功功率。 不论转差率为正为负总能够调节使得转子侧的有功功率为正或者为负。 所以,不论在亚同步转速或者超同步转速都可以控制电机为制动力矩或者电动力矩,从而控制发电机可以在任何转速下都能工作在发电状态。 也可以调节循环于电网和定子之间的无功功率. 图2一2双馈电机等效电路 双馈风力发电机并网控制 图2—3风力发电机空载并网控制图 空载并网方式是指并网前发电机空载,调节发电机的定子空载电压实现并网的方法。 交流发电机并网条件是发电机输出电压和电网电压在幅值、频率及相位上完全相同。 因而并网之前应对发电机的输出电压进行调节,当满足并网条件时进行并网操作。 并网前发电机空载,取电网电压(频率、相位、幅值>作为控制信息提供给控制系统,据此调节发电机的励磁,按并网条件控制发电机定子空载电压。 变速恒频风力发电机空载并网控制的实质是根据电网的信息来调节发电机的励磁,使发电机输出电压符合并网的要求。 图4一1中,在检测三相电网电压Usa、Us,后,根据检测到的电压值计算出电网电压空间矢量的幅值U1和相角0u。 0u经角度变换后得出定子磁链的相角0s。 根据 式(4一13>计算出发电机的参考定子磁链,再计算出转子M轴电流参考分量Irm*。 通过PI调节器可实现转子电流Irm的闭环控制。 Irm*与Irm的误差经过PI调节后直接得到转子M轴电压参考分量Urm,Irt为零,所以由补偿量Lr*Ws*Irm得到转子T轴电压参考分量Urt*.Urm*,Urt*经过坐标变换后得到坐标系中的分量值Urx、Ury,由此进行SVPWM调制,产生发电机侧变换器的脉冲驱动信号作为发电机的转子励磁,实现对发电机的空载并网控制. 转子侧控制系统的软件设计 DSP数字控制器 由于该系统要处理的数据量大、实时性和精度要求也高,因此选用美国德州仪 器公司的数字信号处理器(DsP>TMS320F2812作为系统的主控芯片。 TMS320F2812数字信号处理器是Tl公司最新推出的32位定点DSP控制,是目前控制领域最先进的处理器之一。 其频率高达150MHz,大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。 TMS320F2812芯片基于C/C++高效32位TMS320C28xDSP内核,并提供浮点数学函数库,从而可以在定点处理器上方便地实现浮点运算。 在高精度伺服系统、可变频电源、UPS电源等领域广泛应用,同时是电机等数控产品升级的最佳选择。 TMS320F2812是150MIPS的定点DSP核心,它内部集成了存储器、PWM发生器、刀D转换器、串/并行通讯口等外围设备的数字化电机控制芯片. SVPWM原理 在交流调速中,随着高开关频率的功率器件(如IGBT、MosFET等>的出现,脉宽调制(PWM>技术取代了老式相控技术,在电机控制领域占据了主导地位。 在众多的PWM技术中,电压空间矢量PWM(也成为磁链跟踪PWM>调制具有比较显著的优点: 电流谐波少,转矩脉动小,噪音低。 还有一个不太显著的优点是: 相对于常规SPWM(SinePWM>,直流电压利用率能提高约15%。 从原理上来说,SvPWM把电动机和PWM逆变器看为一体,最终实现的是让电动机获得幅值恒定的圆形磁场。 当三相对称正弦电压供电时,交流电动机内产生圆形磁场,而SVPWM以此圆形磁场为理想基准,用逆变器不同的开关模式所产生的有效矢量来逼近圆形,即用多边形来逼近圆形。 但是从纯数学角度推导,可以把对磁场的描述通过其与电压的近似关系来得到整个推导过程脚。 转子侧变换器的控制程序框图 双馈发电机转子侧控制器的软件采用模块化设计,整个软件体系由主程序和各 种中断服务程序组成,主程序和中断服务程序又由子程序组成,它们之间的结构关 系如图5-9所示。 软件体系采用四个优先等级,最高优先级为保护中断,其次是定时器中断、串行通讯中断,最低级是主程序,其中定时器中断实现DFIG实时控制任务,是软件体系的核心。 串行通讯中断用来处理DSP与主机通讯之间的通信,主程序执行最低级的功能(如程序状态显示>,可以被所有使能的中断打断。 图5-11是实现变频调速的流程图。 主程序完成的任务是DSP寄存器初始化, Tl的下溢中断完成的任务是SVPWM的调制,接收中断完成的任务是把给定值通 过PC机发送给DSP。 图5-12是DSP寄存器初始化以及定时器Tl中断服务程序的流程图。 定时器 T1中断服务程序执行对转子侧变换器的定子磁链定向矢量控制,实现双馈发电机的 变速恒频发电运行控制,其中Ua,Ub。 从三相电网获得,是三相电压的瞬时值。 四、工作内容与时间安排 (1>[第1~2周]了解课内容和要求,查阅资料; (2>[第3周]编写开题报告; (3>[第4周]双馈电机的理论分析; (4>[第5~6周]风力发电机的空载并网控制; (5>[第7~8周]转子侧PWM变换器及其对DFIG的运行控制; (6>[第9~10周]转子侧控制系统的软件设计; (7>[第11周]系统调试; (8>[第12周]翻译相关英文资料; (9>[第13~14周]撰写毕业设计论文,准备答辩; 五、参考文献 [1]王长贵、崔容强、周草,新能源发电技术,北京,中国电力出版社,2003 [2]宫靖远、贺德馨、孙如林等,风电场工程技术手册,北京,机械工业出版社, 2005 [3]马洪飞、徐殿国、苗立杰,几种变速恒频风力发电系统控制方案的对比分析, 电工技术杂志,2000年第10期 [4l刘其辉,变速恒频风力发电系统运行与控制研究,〔博士学位论文〕,浙江,浙 江大学2005.1 [5]李南,变速恒频风力发电系统中矢量控制系统的研究与应用,[硕士学位论文], 沈阳,沈阳工业大学,2006.2 [6]卞松江,变速恒频风力发电关键技术研究,〔博士学位论文〕浙江大学,浙江, 2003.6 [7]秦小平、王克成,感应电动机的双馈调速和串级调速四〕北京: 机械工业出版社, 1990 [8]吴俊玲,大型风电场并网技术的若干问题研究,〔硕士学位论文〕,北京,清 大学,2004.6 [9]柯昌信,智能控制在大型风力发电机电控系统中的应用,〔硕士学位论文〕,新 疆,新疆大学,2003.6 [10]赵栋利,许洪华,赵斌等,变速恒频风力发电机并网电压控制研究,太阳能学 报,2004年第5期 指导教师意见<对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计结果的预测): 指导教师: 年月日 系部意见: 系主任: 年月日
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