小型分布式风电单相并网逆变电路设计、仿真与实现

论文摘要

风力发电目前已经成为可再生能源利用领域的研究热点,如何将风能转化为能并网的电能是人们研究的重点。本文主要以小型单相并网风力发电系统当中的逆变部分为研究对象,对系统拓扑结构、控制策略进行了详细的分析和研究,在此基础上设计了基于单片机C8051F410的1kW单相并网风力发电逆变器。本文设计的系统包括两部分,即前级升压和后级逆变并网部分。首先将小型风力发电机发出的变压变频交流电经过三相不可控整流得到低压直流电,再经过Boost升压环节使直流电压升高为直流高压,最后通过逆变并网控制环节得到可实时跟踪电网电压的稳定交流电。本文首先分析了Boost升压电路和电压型单相全桥逆变电路的工作原理,同时对升压、逆变部分电路参数的选择作了理论推导和计算。逆变并网部分采用电流跟踪型的控制方式,通过软件锁相环技术采集电网电流以得到与电网电压同步的正弦波标值,与给定幅值相乘得到参考电流,该信号与逆变器输出电流的采样值进行比较,通过数字式PI控制策略,消除市电扰动对并网电流的影响,以提高系统的性能。同时,利用MATLAB/Simulink搭建了系统仿真模型,对系统各部分作了仿真分析,结果表明系统是可行的。此外,为提高系统控制的实时性,采用新华龙公司生产的单片机C8051F410为核心控制单元完成采集、控制算法实现、实时SPWM波形生成等任务。根据系统总体设计要求,开发了小型单相并网风力发电样机,并进行了实验研究。结果表明,系统运行稳定可靠,达到了预期的设计目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题的背景及意义
• 1.2 小型分布式风力发电装置结构
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 小型分布式风电单相并网逆变器主电路的设计
• 2.1 单相并网系统总体设计方案
• 2.2 电路拓扑结构的选择
• 2.2.1 整流环节的简介
• 2.2.2 升压环节拓扑结构的选择
• 2.2.3 逆变环节拓扑结构的选择
• 2.3 直流升压电路的设计
• 2.3.1 boost升压电路基本原理
• 2.3.2 升压电路的设计
• 2.4 单相全桥SPWM逆变电路的设计
• 2.4.1 逆变电路的基本工作原理
• 2.4.2 SPWM控制方法
• 2.4.3 逆变电路功率器件的选择
• 2.4.4 逆变输出滤波电路的设计
• 2.5 单相并网逆变器的控制方法
• 2.6 主电路元器件的选择与制作
• 2.7 本章小结
• 第三章 小型分布式风电单相并网正弦波逆变器的仿真
• 3.1 SPWM发生器的仿真模型
• 3.2 Boost升压电路仿真模型
• 3.2.1 开环boost升压电路仿真模型
• 3.2.2 闭环boost升压电路仿真模型
• 3.3 单相全桥SPWM逆变电路仿真模型
• 3.3.1 开环逆变电路仿真模型
• 3.3.2 闭环逆变电路仿真模型
• 3.4 小型分布式风电单相正弦波逆变器主电路仿真模型
• 3.5 小型分布式风电单相正弦波逆变器并网仿真模型
• 3.6 本章小结
• 第四章 控制电路的设计
• 4.1 控制电路
• 4.2 直流电压采样电路
• 4.3 交流电压采样电路
• 4.4 交流电流采样电路
• 4.5 过流保护电路
• 4.6 过零检测电路
• 4.7 驱动电路
• 4.8 控制电路制作实物
• 4.9 本章小结
• 第五章 控制算法与软件设计
• 5.1 控制算法
• 5.1.1 PID算法原理
• 5.2 软件设计
• 5.2.1 主程序流程图
• 5.2.2 中断子程序
• 5.2.3 SPWM波的生成
• 5.2.4 软件锁相环
• 5.2.5 孤岛保护
• 5.3 本章小结
• 第六章 工作总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 读研期间参加的科研项目