小型风力发电系统控制逆变器的设计毕业论文.doc

小型风力发电系统控制逆变器的设计引言随着全球经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越多。而地球不可再生能源，如石油、煤炭等，随着过量开发利用也日趋短缺，并造成了较为严重的污染。为此，研究和开发洁净可再生能源(如太阳能、风能等)已提到议事日程。可以预计：可再生能源大规模应用将是21世纪人类社会发展进步的一个重要标志。然而，要实现这一目标，首先必须完成可再生能源由补充能源向替代能源过渡，即使可再生能源由边远无电地区的独立供电向有电地区的常规并网用电方向发展，这将大大提高可再生能源的利用率。可见，能源危机和环境保护问题困扰世界的同时也给诸多科技领域施加了动力并提供了广阔的市场。其中电气工程专业首当其冲。电力电子技术、自动控制技术和微电子技术等相结合进行技术创新，可以实现对可再生能源向电能的最佳转换和最优控制，以取得可观的经济和社会效益。 在众多的可再生能源中，风能以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的青睐。风力发电具有建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、不污染环境、不淹没土地等优点，被世界各国优先采用。目前在多种可再生能源中对风能的利用在技术上最成熟，已具有同燃油、燃煤、核电等发电技术相竞争的技术经济性。风力机的单机容量越来越大，制造成本不断降低，商业化机组已有10余年良好运行的记录对风力机的设备配套技术也日益完善，商业性风力发电场均己形成了相当的规模和经济效益。第一章 逆变器的基本概念及原理1.1风力发电系统的结构与工作原理风力发电系统一般由叶轮、发电机及齿轮箱(在直驱系统中已省去齿轮箱)、整流器、直流环节、逆变器等组成成。系统的典型结构如图所示.风机蓄电池整流逆变交流输出图1-1 风力发电系统的典型结构图中，叶轮的作用是捕捉风能，并将之转化为机械能；发电机则将机械能转化为电能；整流器将发电机的交流电转化为直流电；逆变器将直流电转化为与电网电压同频率、同相位的交流电，然后通过变压器馈人电网。1.2整流器的概念及原理通常，我们把交流电能变换成直流电能的过程称之为整流，把完成整流功能的电路称之为整流电路，把实现整流过程的装置称之为整流设备或整流器。风力发电系统中的整流器是将发电机产生的交变电流整理成直流电流，然后经过滤波，提供给逆变器和者蓄电池.整流器利用二极管的单向导通特性。整流器的类型有很多，按组成的器件可分为不可控、半控和全控三种；按照电路结构可以分为桥式电路和零式电路；按照交流输入的相数可以分为单相电路和多相电路；按照变压器二次侧电流的方向是单向或者双向可以分为单拍和双拍电路。由于本论文的重点是逆变部分，这里不做赘述。1.3逆变器的概念及原理1.3.1逆变器的概念 与整流相对应的，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称之为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变器。 逆变器基本上分为单相和三相两大类，单相逆变器适用于小、中功率，三相逆变器适用于中、大功率。根据输入电压的特点可以将逆变器分为电压型逆变器、电流型逆变器以及谐振环形逆变器;根据电路结构特点可以将逆变器分为半桥式、全桥式、推挽式和其他一些形式1.3.2. 逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路为例：图1.3.2.1 逆变电路及其波形举例S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同。t1前：S1、S4通，uo和io均为正。t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大1.3.3逆变电路的换流概念及方式分类换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。开通：适当的门极驱动信号就可使其开通。关断：全控型器件可通过门极关断。半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断，一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。（1）器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流（Device Commutation）。（2）电网换流由电网提供换流电压称为电网换流（Line Commutation）。可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。（3）负载换流由负载提供换流电压称为负载换流（Load Commutation）。负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。图1.3.3-1 负载换流电路及其工作波形基本的负载换流逆变电路：采用晶闸管，负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感Ld， id基本没有脉动。工作过程：4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波。负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦。t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uot1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。（4）强迫换流设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（Forced Commutation）。通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。直接耦合式强迫换流由换流电路内电容提供换流电压。VT通态时，先给电容C充电。合上S就可使晶闸管被施加反压而关断。图1.3.3-2 直接耦合式强迫换流原理图电感耦合式强迫换流通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流。两种电感耦合式强迫换流：图1.3.3-3中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。图1.3.3-3晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断。图1.3.3-3 电感耦合式强迫换流原理图给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（直接耦合式强迫换流）。先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（电感耦合式强迫换流）。1.3.4电压型逆变电路电压型逆变电路有以下主要特点：(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同(3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管1.3.4.1单相桥式逆变器的原理1.3.4.11半桥逆变电路图1.3.4.1-1 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形工作原理：V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，图1.3.4.1-1b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。优点：简单，使用器件少缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW以下的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。1.3.4.1.2全桥逆变电路图1.3.4.1.2 单相半桥电压型逆变电路两个半桥电路的组合。1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180。uo波形同图图1.3.4.1-1。半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和图图1.3.4.1-1中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多。1.3.4.1.3带中心抽头变压器的逆变电路交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道，Ud和负载相同，变压器匝比为1:1:1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同图1.3.4.1.3-1带中心抽头变压器的逆变电路与全桥电路的比较，比全桥电路少用一半开关器件，器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍。必须有一个变压器。1.3.4.2三相桥式逆变器的原理三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。应用最广的是三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成。180导电方式：每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。图1.3.5-1三相电压型桥式逆变电路1.3.5反馈技术的应用在逆变过程中，产生的交流电压往往会产生波形不稳定、电压过高或者过低等情况，这样的电压如果直接供给家用电器使用电压，就会造成电器的损坏。因此需要在逆变电路中加上一段反馈电路。图1.3.5-1反馈原理图在日常使用中，我们对自动控制系统要求：快速性、稳定性、准确性。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理，它可以要求保持为某一恒定值也可以要求按照某个给定规律运行；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。通常，我们把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，称为负反馈；反馈之称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也被称为闭环控制。在工程时间中，为了实现对被控对象的反馈控制，系统中必须具有人的眼睛、大脑和手臂等功能的设备，以便用来对被控量进行连续地测量、反馈和比较，并按偏差进行控制。这些设备依其功能分别被称为测量元件、比较元件和执行元件，并统称为控制装置。在反馈控制系统中，由各种结构不同的元部件组成。从完成“自动控制”这一职能来看，一个系统必然包含被控装置和控制装置两大部分，而控制装置是由具有一定只能的各种基本元件组成的。在不同的系统中，结构完全不同的元部件却可以具有相同的功能，因此，将组成系统的元部件按照职能分为以下几种：测量元件：其职能是检测被控制的物理量给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量比较元件：其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参具量进行比较并求出它们之间的偏差放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其发生变化校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。第三章 逆变器主要部分的设计31 逆变电路图逆变电路包括逆变部分，控制部分，反馈部分，5v电源部分，和保护部分。原理，由CD4069构成的方波发生器，通过电压放大，驱动电力场效应管的通与断，产生交变的电流。交变电流通过变压器放大，产生220v输出电压。3.1.1方波的产生图3,1,1-1方波产生电路 这里采用CD4069构成方波信号发生器。电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的震荡频率不稳。电路的震荡是通过电容C1充放电完成的。其振荡频率为f=1/2.2RC。图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2x103x2.2x106=62.6Hz，最小频率为fmin=1/2.2x4.3x103x2.2x106=48.0Hz。由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的发相器，输入端接地避免影响其它电路。3.1.2场效应管驱动电路图3.1.2-1场效应管驱动电路由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为05V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至012V。如图3.1.2-1所示。单片机在电路中主要的作用是控制电路，控制点就是主电路中的JC1,JC2两个点。单片机在电路中还起到恢复作用，即在电路逆变出现故障后，手动恢复单片机工作状态。32 器件的选择与关系运算321功率开关的选择MOSFET的选择可以从器件的电压等级和电流等级两个方面加以考虑。假定逆变器最高直流输入电压为 U imax，则采用全桥逆变电路时每个开关器件所承受的最高电压即为 U imaxN1/N2 N1:N2 。考虑电压尖峰影响，实际开关器件所承受的最高电压要比这个高得多，其大小与吸收电路吸收电压尖峰的能力有关。在这里由于逆变器最高直流输入电压为52.8V,所以我们选用耐压等级为100V的MOSFET。此外，考虑电流纹波以及反并联二极管反向恢复尖峰电流等因素的影响，选MOSFET的电流定额为150A。322输出滤波电感 Lf、滤波电容 Cf 的选取根据输出滤波器的参数设计准则，取 Lf = 1mH， C f= 20F。Cf 选用三个 6.8F/250V 的 CBB 电容并联。323输出滤波电感 Lf 的设计取 Lf = 1mH。滤波电容电流的有效值为 ICf = o C f Uo = 2 502010-5220=1.38A (4-1)110%负载时,负载电流有效值为Iomax=Pomax/Uo=5A (4-2)容性负载时电感电流最大，因此电感电流有效值为Ilf=6.4A (4-3)其中， L = cos -110.75。考虑到滤波电感电流的脉动量，滤波电感的电流峰值为I Lf max = (1 + 10%) ILf= (1 + 10%)6=9.339A (4-4)Lf 选用 Mn-Zn R2KBD 型铁氧体材料铁心 PM6249，其磁路截面积 SC=4.9(cm2)，窗口面积 Q=3.26(cm2)，饱和磁感应强度 BS=5100GS，选用 Bm=3500Gs，滤波电感匝数为54.5，取整数55匝。Cf 选用三个6.8F/250V的CBB 电容并联。324变压器的设计为了确保输出电压 uo的波形质量，防止 uo的顶部出现平顶失真，应满足UiN2 /N1 2Uo=311V （4-5）本文取UiN2/N1=380V，有N2/N1=8.92 （4-6）选用d=80mm的硅钢铁心，截面积为df=8080/2= 32cm，窗口面积为Sc。Sc =(e-d)/2c =0.5d1.5d =48cm2。因为硅钢片是由钢片叠加而成，所以实际铁心截面积为320.9=28.8cm2。N1=40.5 N2=369.76所以取变压器原边绕组为 N1 = 41匝，副边绕组 N2 = 369匝由式（4-3）可知： ILf=6AI1 = ILfN2/N1+ILm =1.05 ILfN2/N1 = 49.32A （4-7）式中 ILm = 0.05 I LfN2 /N1为变压器激磁电流。取导线电流密度 j=3A/mm2，有S1=16.4mm2;S2=2mm2原边采用 d = 4.6mm的高强度漆包线单层绕制，副边采用 d = 1.6mm的高强度漆包线单层绕制。窗口利用系数Km=0.28,可以绕制得到。325逆变器安装时需要注意的问题先不接功率管，测量A、B两点的对地电压，调整R1、R2，使AB两个电的电压相同，这样才能输出的方波对称，静态电流也最小。安装时要注意BG6和BG7的焊接，必须用接地良好的电烙铁或切断电源后再焊接。大电流要用直径2.5mm以上的粗导线连接，并且连线尽量短，电瓶电压12、容量12AH以上。功率管要加适当的散热片。晶体管的选择：考虑到安全因素，要具有一定的安全系素。经验资料如下： 直流电源电压：晶体管集射极耐压BVCEO68V2030V 1214V6080V 2428V80100V 计算晶体管集电极电流：ICM（A）=输出功率P（W） 输入电压V（V） 效率。式中输入电压即电源电压。效率与选择的电路有关，一般在百分之6080之间。铁芯截面积：S（平方厘米）=k变压器额定功率的平方根，k的选择见下表 P(VA)5-1010-5050-100100-500500-1000k2-1.751.75-1.51.5-1.351.35-1.251.25-1变压器铁芯的选择：业余制作对变压器铁心要求并不严格。不过硅钢片最好选用薄而质地脆的，或者采用铁氧体磁心。漆包线用高强度的，绕线需用绕线机紧密平绕。安插硅钢片时要严格平整。初级绕组两端电压与铁心截面积和工作频率等参数的关系可以用公式表示如下：V=4.4410-8SKFBN 。式中 S - 铁心截面积（平方厘米）；K - 硅钢片间隙系数（0.90.95）；F - 逆变器工作频率（赫兹）；B - 饱和磁通密度（T）；N - 线圈的匝数（圈）；V - 初级绕组的电压（伏特）。 K的数值与硅钢片的厚度及片与片之间的间隙有关，铁心层迭越紧，K值越高。一般K取0.9即可。逆变器的工作频率，主要由所选择的铁心决定。采用硅钢片铁心，逆变器工作频率低于2KHZ。采用不同的铁氧体磁心，工作频率在2KHZ40KHZ之间。如果工作频率超出了磁心的固有频率，则高频损耗十分严重。饱和磁通密度B，对不同规格的硅钢片，其值不同，一般在0.51.4T之间。硅钢片薄而质地脆，则磁性好，B可取大些；硅钢片厚而质地软，则磁性差，B可取小些。铁氧体磁心的B取0.20.5T左右。初级绕组双线并绕，绕制变压器时，人们习惯于使用每伏匝数，这可用下式表达：每伏匝数 N =2500/SKFB；式中K为硅钢片间隙系数（0.90.95）；线 径 D(mm)=0.715I的平方根23。把定时器的计数模式设置成连续增/减计数模式来模拟方形波。根据载波频率确定定时器T1的周期寄存器的值。33 系统反馈电路设计 逆变系统生成的电压经过与比较元器件的对比，将信号传输到控制元器件，需要一个反馈电路。反馈电路要求反映灵敏、动作性能可靠。图 3.3 反馈电路线路图 反馈电路的主要任务是把逆变电路产生信号与标准信号进行比较然后经过主控制电路的判断，如果需要改动输入电路就需要将信号返回到输入信号中，对其进行改动，使之逐步趋向稳定和安全输入。100K的电阻在电路中起分压作用，反馈产生的反馈电压可以安全的接到单片机中去。可以说反馈电路的主要作用就是对输出信号的比较。为了改善控制系统的性能除了采用串联校正方式外，反馈校正也是广泛采用的一种校正方式。系统采用反馈校正后，除了可以得到与串联校正相同的校正效果外，还可以获得某些改善系统功能的特殊功能。反馈系统的基本原理是：用反馈校正装置保卫待校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路（内回路，或称为副回路），在局部反馈回路的开环幅值大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于反馈校正电路，而与被包围的部分无关；适当选择反馈校正装置的形式和参数，可以使已校正系统的性能满足给定指标的要求。在控制系统中往往把式4-2简化为G2(jw) Gc(jw)1，这样做会产生一定的误差，特别是在G2(jw) Gc(jw)=1的附近。可以证明，此时的最大误差不在3dB，在工程允许误差范围之内。反馈校正具有如下明显的特点：1）削弱非线形的影响；2）减小系统的时间常数；3）降低系统对参数变化的敏感性；4）抑制系统噪声线路图3.3表示的就是实际操作中所使用的线路。我们可以这样来看：把R（s）看成是输入的12V直流电压，即反馈系统中的输入信号；把G1(s)看成三极管的升压作用；R1（S）可以看成是第一次升压后产生的电压；把G2(s)看成是变压器的转换作用，输出的是C（S）；Gc(s)是反馈信号。通过检测输出信号并且与标准信号进行比较，将两者之间的差别反馈到控制电路，这样原本复杂的电路图就可以被简单化。设反馈校正原理图如上图所示，其开环传递函数为： G(s)=G1(s)*G2(s)/1+G2(s)Gc(s) （式4-1）如果在对系统动态性能起主要影响的频率范围内，下列关系式成立：G2(jw) Gc(jw)1 （式4-2）则式4-1可以表示为，反馈校正后系统的特性几乎与被反馈校正装置包围的环节无关；而当G2(jw) Gc(jw)1 （式4-3）时，式4-1可以变成G(s)= G1(s) G2(s)表明此时已经校正系统与待校正系统特性一致。因此，适当选取反馈校正装置Gc(s)的参数，可以使已校正系统的特性发生期望的变化。34 控制和保护电路部分341 控制电路 控制部分主要通过反馈产生的信号传输到单片机中，功过单片机运算处理，产生作用信号，作用到相应的元器件上去。图3.4 80C51单片机单片机驱动电源主要使用来自于蓄电池。通过一个12V/5V转换变压器，将蓄电池的电压转换为单片机工作时需要的5V电压，直接驱动单片机的工作。这里采用的是78型直流电压转换器。引脚作用：引脚17通过78转换器等装置从蓄电池得到5V直流电压，驱动单片机的正常工作；引脚16接地，用来保证单片机的运行安全；引脚1、2接MOSFET，作用是在时间信号的作用下，控制MOSFET的导通和关断；引脚7接反馈电路，作用是接受反馈系统的反馈信号，进行判断后决定输出信号的种类；引脚5、6分别接M、N两点，用来控制逆变电路的LED显示，即使其在发生故障后迅速将故障信号通知用户，同时将逆变电路短路，把逆变电压传输到地线中，保障安全引脚9为恢复引脚，通过这个引脚对电路以及单片机进行一定的恢复性操作。342 保护电路部分3.4.21 对蓄电池的保护过充保护：对蓄电池进行充电时，若无休止地充电会造成蓄电池过充，直接影响到蓄电池的寿命，所以需要设计一个蓄电池过充保护电路。直流电图3.5防止蓄电池过充电的稳压电路原理图为了使风力发电机输出比较稳定的电压，以便于蓄电池充电。选择大容量稳压二极管并联于蓄电池两端，当蓄电池端电压上升到过充控制电压范围时稳压二极管导通，开始分流，分流量随着电压的上升而增大。采用相同电压的稳压管并联结构，是为了减少动态电阻。这种结构在稳压管有良好的散热条件的情况下，不仅可以起到防止蓄电池过充的作用，同时具有风力发电机过充电负荷的作用。但是需要注意一点，由于硅稳压管具有正稳态系数，当温度升高时将产生飘移。因此，稳压管反向导通电压的选择应略低于蓄电池过充电控制电压。过放保护：在蓄电池进行放电过程中，如果没有控制的放电，很容易将蓄电池内部电能资源超出额定的范围，造成蓄电池的损坏。小型风力发电机中，蓄电池占其中很重要的造价和使用比例，因此必须提高对其过放保护的力度25。本设计方案的设计计划是要蓄电池正常工作1年左右。因此，必须对蓄电池进行高效的保护。目前，松下,汤浅,冠军,美国ASE蓄电池,山特,APC,PCMUPS等品牌在自己最新的蓄电池产品上都开始设置了过放保护26。目前我们经常看到的电动自行车上对蓄电池的需求量很大，不妨这里我们采用高品质的蓄电池，可以自动在放电到10.5V的时候把电路切断。这样，不仅节约了研究成本更方便了用户的使用费用和维护费用。现在蓄电池的价格正在急速下降，高品质的蓄电池会对这套系统起到一定的促进作用。3.4.22 对电路过电流保护逆变电路中电流值需要限制在一个比较稳定的数值左右，尤其不可以过高，会直接将逆变电路中的元器件烧毁，甚至影响到负载电器的安全运行。因此在电路中接熔断电压为5A的电阻丝。电阻丝要求采用模块化设计，方便进行拆卸和维护。逆变系统的电力来源是蓄电池，由于其自身的特性输出电压不会非常大，并且只会逐渐的降低，所以对电路不需要采取过电压保护。343 测量显示部分对于逆变电路来说测量显示电路是非常重要的，尤其对于小型风力发电系统来说。对于小型风力发电系统来说，主要的动力来源是空气流动所产生的风能资源，因为空气流动受气候、地理等各种因素的限制，存在不稳定性，很容易发生变动。通过显示部分及时的将变化信息传输到用户界面或者主控制系统中，对于风机的正常运行是十分必要的。在设计主电路图的时候，把M、N两个点作为显示部分的输入电路。采用模块化设计，降低了维护和检测费用。因为设计的主要前提目的就是“简单、高效，费用低”，因此主要测量显示器件是LED发光二极管。通过单片机控制发光二极管，及时的将运行情况反馈到用户界面。35 使用环境和保养要求351避雷针保护由于小型风力发电系统长期处于野外，并且工作环境主要在边疆、海岛和高山上，受自然环境影响比较大。尤其夏天雷雨季节，在地势比较高的地方，雷电影响比较大，所以避雷针保护比较重要29。风机通过某些金属器件与逆变器连接在一起，给逆变电路带来了雷击的危险。风机叶片尺寸大概在3-5米左右，加上支架大概有2米左右，总体高度大概有5米高度左右。在雷电发生的时候，应该说是个比较容易遭到雷击的东西，雷击产生时，会产生较高的电压，容易直接击穿蓄电池或者将控制逆变系统直接击毁。因此，本方案中设置避雷针保护措施。通过一根避雷针将高电流直接接入大地中，降低危险系数，保护电路安全。352对湿度和温度等的要求控制逆变系统属于高精密度电子器件，对工作环境中空气湿度和温度有比较高的要求。首先要求空气湿度稳定在正常湿度环境下，因为电路版主要由铜版和一些其它的电子器件由焊锡连接在一起，若空气湿度过高，水和空气里的氧气以及铜版上的铜就会反应生成铜绿，不仅降低了工作效率而且会带来安全隐患。其次是温度环境，要求在0度到30度之间进行正常工作，温度过高就会导致器件发热，容易带来过高的电路电阻；温度过低就会带来器件反映不灵敏，降低逆变器的使用效率。由于逆变器是伴随随着农牧民日常生产生活，因此需要对油烟等进行防范，严格限制灰尘等的进入，防止发生器件短路。36手动复位电路在发生故障后，及时地将故障解除后，通过手动复位电路，将逆变电路从新恢复正常工作。因为采用单片机进行总体控制，因此在单片机内部存在一个相同作用的电路。 图3.6手动复位电路原理图在逆变过程中，如果由于谐波产生等原因，会造成逆变产生的电压含较多杂质成分，无法直接供给家庭用电器的需要，如果增加滤波等装置无疑会给整体电路的带来高昂的造价问题。因此在电路中使用复位技术可以充分地将逆变装置整体恢复到初始状态，在降低了费用的同时也起到了对电路的保护作用。手动恢复也叫按键恢复，是通过复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3.7所示。而按键上述电路图中的电阻、电容参数适宜于6MHz晶振，能保持复位信号高电平，持续时间大于2个机器周期，恢复按钮就是K。这样是单片机的初始化操作，其主要功能是将PC初始化为000H，使单片机从000H开始执行程序，除了进入系统的正常初始化之外，当程序由于某种原因进入死锁状态时，也需要使单片机重新复位，以使单片机正常工作。第四章 总结与展望总结：经过了大概一个多月的努力和辛勤劳动，也经过了老师的辛勤指导，终于将论文按时完成。首先，论文针对目前小型风力发电系统控制逆变技术在世界范围的发展和应用情况做了一下阐述。我们国家很多的地方有丰富的风力资源和对风车的使用经验，以前在咱们国家风车都是用来排洪防涝作为主要的用途。现在要把这项技术应用到风力发电上，肯定会有各种需要改进的地方。设计宗旨基本定位在“简单、高效、价格便宜”。论文第二章主要针对在“小型风力发电机控制逆变系统”中采用的逆变技术进行了重点阐述，为后面的论文设计基础知识。论文的第三章重点将逆变电路主电路图和保护、控制电路的基本原理进行了阐述。该系统在控制方面主要采用单片机进行控制，在保护方面通过保险丝等器件具体实施，设计单独的反馈电路，将输出产生的故障信号及时地反馈到控制系统。由于小型风力发电系统是一个设计作为偏远山区农牧民家庭电力资源来源，其安全性能要求非常严格。首先对雷电的预防，由于风机本身体形比较庞大，尤其在山区使用，由于地形比较高，很容易因为雷电问题产生危险。小型风力发电系统可以应用到其他的领域，例如利用风机的转动机械能带动一些机械的转动，但是这里应该注意的是不可以带动阻力很大的机械。小型风力发电系统的造价问题也很重要，尤其本文研究的重点即控制逆变部分的造价，占整体成本的1/4左右。如何降低其使用和维护费用是研究的一个重点部分，由于边区人民的知识水平不是很高，在使用和维护方面不可能充分地将各种出现的问题一一解决，因此在电路设置总开关，减少不必要的损失。通过预估算，大概整体费用会在1200RMB左右，这样低于一个牧民一年平均电费大概40%左右。通过有关资料统计显示，年平均风速增加，电力成本急剧下降；随着蓄电池容量的增加，电力成本增加；没有蓄电池而有交直流变换器的电力成本最高，所以在蓄电池的选择上也要注意其综合性能。风机产生的电能在整体电路中的运行可以归纳为下图所示的流程。自激震荡单片机MOSFET变压器检测输出（用户）输出异常电池发电机产生的电压整流图4.1总体生产流程图展望针对在设计过程中出现的问题，若从现有基础上进行进一步的研究工作，主要有以下两个重点：1通过进一步研究电压型逆变器系统的数学模型，优化数字PID控制的控制方法，提高数字实时控制的性能。2. 采用多机并联运行，实现大功率输出。因为单片机本身具有通讯功能，完全可以做到主从式多机通讯实现多机同时输出，而不必增加其它外部设备。提高对单片机的利用效率。3进一步优化逆变线路，减少无功损耗。参考文献1 田长虹，变频调速技术发展及应用前景展望，大众用电，2004，11：16172 谭茀娃，金如麟，展望变频调速及其控制技术的前景，电器工业，2003，1：673 赵相宾，年培新，谈我国变频调速技术的发展及应用，电气传动，2000，2：364 胡静，大功率变频调速系统，电气时代，2002，12：46475 费万民,姚文熙,吕征宇等，中高压变频调速技术综述，电力电子技术，2002，36（2）：74786 徐甫荣，中高压变频器主电路拓扑结构的分析比较，电气传动自动化，2003，25（4）：5127 项立峥，逯乾鹏，李南坤，高压变频调速技术及发展趋势研究，电力设备，2005，6（6）：14178 李永东，倚鹏，大功率高性能逆变器技术发展综述，电气传动，2000，6：389 Clark Hochgraf, Robert Lasseter, Deepak Divan, et al, Comparison of Multilevel Inverters For Static Var Compensation, Industry Applications Society Annual Meeting, 1994, 2: 92192810 Jose Rodriguez, Jih-Sheng Lai, Fang Zheng Peng, Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications, IEEE TRANSACTIONS ONINDUSTRAL APPLICATIONS, 2002, 49(4): 72473811 张燕凤，变频调速系统对异步电机的影响及其对策，山西冶金，2005，2：5556，5912 赖日生，多电平变换器功率变换器新品种，世界电子元器件，1996，11：364013 Jih-Sheng Lai, Fang Zheng Peng, Multilevel ConvertersA New Breed of Power Converters, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRAL APPLICATIONS,1996, 32(3): 509517.基于三电平逆变器的交流变频调速系统的研究 10214 Xiaoming Yuan, Ivo Barbi, Fundamentals of a New Diode Clamping Multilevel Inverter, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,2000, 15(4): 71171815 Giuseppe Carrara, Simone Gardella, Mario Marchesoni, et al, A New Multilevel PWM Method: A Theoretical Analysis, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 1992, 7(3): 49750516 Jurgen K. Steinke, Switching Frequency Optimal PWM Control of a Three-Level Inverter, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,1992, 7(3): 48749617 Yiqiao Liang, C. O. Nwankpa, A New Type of STATCOM Based on Cascading Voltage-Source Inverters with Phase-Shifted Unipolar SPWM, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 1999,35(5): 1118112318 吴洪洋，何湘宁，高功率多电平变换器的研究和应用，电气传动，2000，2：71219 桂红云，姚文熙，吕征宇，DSP 空间矢量控制三电平逆变器的研究，电力系统自动化，2004，28(11)：626520 HEINZ WILLI VAN DER BROECK, HANS-CHRISTOPH SKUDELE GEORG VIKTOR STANKE, Analysis and Realization of a Pulsewidth Modulator Based on Voltage Space Vectors, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, 1988, 24(1): 14215021 Yo-Han Lee, Rae-Young Kim, Dong-Seok Hyun, A Novel SVPWM Strategy Considering DC-link Balancing for a Multi-level Voltage Source Inverter,APEC, 1999, 1: 50951422 Abdul Rahiman Beig, V.T. Ranganathan, Influence of Placement of Small Space Vectors on the Performance of PWM Techniques for Three Level Inverters, Industrial Electronics Society, 2003, 3: 2764277023 Abdul Rahiman Beig, V.T. Ranganathan, Space Vector Based Bus Clamped PWM Algorithms for Three Level Inverters: Implementation, Performance Analysis and Application Considerations, Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2003, 1: 56957524 C. K. Lee, S. Y. R. Hui, H. Shu-Hung Chung, et al, A Randomized Voltage25 陈道炼，DCAC 逆变技术及其应用，北京，机械工业出版社，2003.1126 陈道炼，静止变流器，国防科工委“十五”规划专著，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，2004.1227 Kawamura, A., etal, Comparison of five diferent approaches for real time digital feedback control of PWM inverters ,IEEE IASAM, 1990:1005-101128 Tan F.D.etal,A unified model for current-programmed converters, IEEE Tran. On Power Electronics, VOL.10,No.4, 1995:397-40829 Tang W,etal,Small-signal modeling of average current-mode contral, IEEE Tran. On Power Electronics, VOL.8,No.2, 1993:112-11930 彭灯明，电流控制两态调制技术在逆变电源中的应用研究，南京航空航天学院硕士学位论文，南京，南京航空航天大学，198831 陈道炼，应用双环控制技术的开关型直流变换器的研究，南京航空航天学院硕士学位论文, 南京，南京航空航天大学，198932 杨旭，王兆安，一种新的准固定频率滞环 PWM 电流滞环控制方法，电工技术学报，2003，Vo18，No.3:24-2833 陈道炼，软开关 PWM 组合式航空静止变流器研究，南京航空航天大学博士学位论文, 南京，南京航空航天大学，1998致谢在本科论文完成之际，首先要深深地感谢我的导师杨丽丽。感谢她给我提供了实践操作、开阔眼界和学习新知识的机会。本文在选题、研究和撰写过程中，始终都得到了导师悉心的指导。当我遇到困难时，给我提出很多建设性的意见，帮助我度过一个个难关，导师为此付出了大量的时间与汗水。导师广博精深的知识，严谨求实的治学作风和开拓进取的精神，为我树立了良好的榜样。导师的言传身教将使我受益终生，谨向导师表示衷心的感谢和崇高的敬意！最后，感谢母亲的养育之恩，是您给了我生活和精神上的支持和鼓励，是您关怀让我顺利完成学业。谨以此文献给所有关心、支持和帮助过我的老师、朋友和亲人们袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿