风力发电电能变换装置的研究与设计开题报告

毕业设计(论文)开题报告题 目： 风力发电电能变换装置的研究与设计 学 院： 电气信息学院 专 业： 电气信息工程及其自动化 学生姓名： 许诺 学 号： 201001010218 指导老师： 浣喜明 2014年 3 月 9 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文 献 综 述1 风力发电与发电系统电能变换器介绍 伴随着世界经济的发展及人口的增长，人类对能源的需求增加，而从前以煤炭、石油为主的常规能源都存在有限性，且污染和破坏自然环境。而风能是一种清洁的可再生能源，并且资源丰富，有着无需开采、运输的特点1。有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。面对日益严峻的能源形势,化工燃料日益枯竭,全球范围的能源困局,迫使世界各国不得不讨论后续能源的接续问题2。风力发电因投资小、清洁无污染、资源分布广而受到人们的广泛关注。但由于风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出电量是波动的,当风电机组并网运行时,会影响电网的电能质量,如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等3,严重时会对弱电网的安全稳定性造成危害,因此风力发电场对接入电网的影响不容忽视。1.1 风力发电的类型 目前风力发电系统分非直驱风力发电系统和直驱风力发电系统，前者主要采用齿轮箱对风轮机提速后，驱动常规异步发电机，而直驱风力发电在整个体系结构中，由于省去了增速齿轮箱，减小了风力发电机的体积和重量，省去了维护，降低了风力发电机的运行噪声4。所以要进行风力发电电能变换装置的研究与设计，先要对风力发电的类型有所了解。1.2 风力发电电能变换的本质特点 风力是一种不稳定不可控的能源，所发出的电能电压不稳定，要并网利用必然得进行整流，将一部分电流并入电网，剩余的一部分，储存在蓄电池中。在此我们可以知道，电能转换器对风力发电系统的重要性。电能需要并入电网，就需要稳定的电流与稳定的电压，一定的功率。电能转换器就相当于风力发电机与电网之间的纽扣。同时要选择风力发电电能变换装置合适的电路，通过一系列的处理，如整流，蓄电池充电，逆变电路和斩波电路，静态开关。只有通过电能变换器，再通过合适的电路，最终打到风力发电的要求和目标。2 中国的风力发电现状与趋势2.1 中国的风力发电现状中国风电2010年新增装机容量达到18.928兆瓦，占全球新增装机容量48%，超过美国，成为世界第一大风电市场5。中国风力发电行业发展前景广阔，预计在未来很长一段时间都将保持高速发展，与此同时盈利能力也将随着技术的日益成熟稳步提高。“十二五”期间，我国风电产业仍将持续每年10000兆瓦以上的新增装机速度，风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域将成为投资的热点，并且有着非常好的市场前景。Potential for Wind-Generated Electricity in ChinaWind offers an important alternative to coal as a source of energy for generation of electricity in China with the potential for substantial savings in carbon dioxide emissions. Wind fields derived from assimilated meteorological data are used to assess the potential for wind-generated electricity in China subject to the existing government-approved bidding process for new wind farms.Assuming a guaranteed price of 0.516 RMB (7.6 U.S. cents) per kilowatt-hour for delivery of electricity to the grid over an agreed initial average period of 10 years, it is concluded that wind could accommodate all of the demand for electricity projected for 2030, about twice current consumption. Electricity available at a concession price as low as 0.4 RMB per kilowatt-hour would be sufficient to displace 23% of electricity generated from coal6.2.2中国的风力发电趋势 根绝参考文献，可以知道，如今风力发电的几大趋势如下： 趋势一:海上风电高速膨胀。“十一五”的最后一年被业界公认为我国的海上风电元年。这一年,第一个海上风电示范项目上海东海大桥风电场全部投运,国家能源局启动首批规模化海上风电场招标。中国风电几年的发展动摇了欧美的领先地位,为了维持自身优势,海上风电必然成为其下一个全力争夺的技术制高点。我国海上风电供电在全球未来的份额要超过30%。趋势二:风电机组大型化。谁能以更快的速度推出大型机组,谁就抢占了市场的制高点,至少目前是这样。国内众多风电整机企业就像军备竞赛一样,前两年还是千瓦级风机占主流,现在10MW级的已经紧锣密鼓地进行研发了。风机升级换代的间隔越来越短。国务院38号文件明确规定,优先发展3.0MW机组的技术,鼓励开发3.0MW以上的技术,这就是中国总结过去产业发展经验得出的结论。趋势三:风电机组电网友好、自动化。风电机组将越来越适应电网的新型控制模式,自动化程度越来越高。风电并网长期以来是我国乃至世界风电发展的瓶颈因素,并网难的原因很多,但从风电整机的角度看,电网逐步适应风电场的同时,风电机组更要适应电网的要求,如具有低电压穿越功能等。趋势四:走向国际市场7。风力发电趋势的改变也意味着风力发电对人们越来越重要，在今后的时间里，发展风力发电将成为经济发展与社会进步不可缺少的一部分。3 风力发电的形式 风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电。最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成。 风能有间歇性,且受地形和天气变化的影响大，其发电能力由风速和风力而定，因此风力发电输出的波动性也很大，不但影响电力系统的安全稳定运行，也会影响电能质量。电压波动和闪变是风力发电并网对电网电能质量的主要负面影响之一。电压波动的危害主要表现在照明灯光闪烁、电视机画面质量下降等设备的正常工作等。如果风速不断增强，那么风电机组产生的电压波动和闪变也会越来越大。并网风电机组在启动、停止和发电机切换过程中也产生电压波动和闪变8。4 风力发电的能量转换 风速的时变性，使得风力发电机的电压及频率变化，不易于直接被负载利用，所以目前的独立运行风力发电系统通过“交流直流交流”的转换方式供电，且要考虑风速很弱及无风的情况，系统的装置中使用了蓄电池进行储能。先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，再用逆变器将直流电变换成电压和频率稳定的交流电输出供给负载使用9。5 基于双环控制的PWM逆变器早些年,PWM逆变器电压电流双环控制用输出电压有效值外环维持输出电压有效值恒定,这种控制方式只能保证输出电压的有效值恒定,不能保证输出电压的波形质量,特别是在非线性负载条件下输出电压谐波含量大,波形失真严重;另一方面,电压有效值外环控制的动态响应过程十分缓慢,在突加、突减负载时输出波形波动大,恢复时间一般需要几个甚至几十个基波周期。瞬时控制方案可以在运行过程中实时地调控输出电压波形,使得供电质量大大提高。其中,应用较多的有:电压单环PID控制,电压电流双环控制,滞环控制,重复控制11,滑模变结构控制等。目前,电压外环电流内环的双环控制方案是高性能逆变电源的发展方向之一12,双环控制方案的电流内环扩大逆变器控制系统的带宽,使得逆变器动态响应加快,非线性负载适应能力加强,输出电压的谐波含量减小。6. 风力发电系统变换器 (1)定速风力发电系统并网过渡过程,采用晶闸管软切入,过渡过程结束后,立即切除变换器,该变换器并非整个系统的核心。(2)变速风电系统,变换器需完成在变风速条件下,将风力机输出频率随风速变化的交流电转换为与电网电压、频率相同、与电网实现柔性连接的交流电,控制、调节风力机以获取最大风能。(3)交-交变换器变流效率高,且可四象限运行,功率可快速双向流动,但采取相控方式,输出电压含大量谐波,尤其是低频时谐波含量大、功率因数低。矩阵式交-交变换器采用全控器件和先进控制手段,使得输出电压灵活可控、低频谐波含量大大减小,输入电流保持正弦等。(4)交-直-交电压型变换器采用二极管不可控整流,输入电流畸变、谐波增大、输入功率因数低,且能量无法双向流动。采用交-直-交电压型双PWM变换器,两电平电压型双PWM变换器主电路拓扑方案非常成熟,可将风力发电系统的谐波含量控制得非常低,切可调节功率因数。同时,通过PWM控制,易于实现变换器四象限运行,电路设计及控制系统设计均较矩阵式变换器简单,因此,目前得以大量采用13。 1叶杭治风力发电机组的控制技术北京：机械工业出版社，2002 2王顺祥.火电厂烟气湿法脱硫自动控制系统探讨与改进D.重庆大学, 2006. 3周至祥,段建中,薛建明.火电厂湿法烟气脱硫技术手册M.北京:中国电力出版社, 2006. 4倪受元风力发电讲座太阳能，2001(1)：17-20 5周修杰等.2011-2015年中国风力发电行业投资分析及前景预测报告M北京：中投顾问，2011（5）：1-505. 6Michael B. McElroy et al. Science 325，1378 (2009);DOI: 10.1126/science.1175706 7舟丹.中外能源.2013年.第08期. 8刘磊.新能源并网发电电能质量研究.科技创新导报.2013 NO.22 9黄应强等.宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003 2010.3.22 10张国新.电力自动化设备.2009年6月.第29卷第6期. 11张 凯.基于重复控制原理的CVCF-PWM逆变器波形控制技术研究D.武汉:华中科技大学博士学位论文,2000.12L oh P C, Newman M J, Z mood D N, et al. A comparative analysis of muiti- loop voltage regulation strategies for single and three-phase UPS systemsC. IEEE Trans. on PowerElectronics,2003,18(9):1176-1185. 13王志新，张华强.风力发电及其控制技术新进展.低压电器.2009,19 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告一 课题的目的与意义1.1 风力发电电能变换装置的研究与设计的目的随着我国经济与科学技术的发展，我们需求的能源越来越多，但与此同时又必须保护环境，使用清洁能源，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。而具统计其蕴量巨大，全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能在早期就得到人们的普遍利用，例如风车牵动，风力抽水等等。而如今，人们更加感兴趣的就是如何利用风力来发电。针对风力发电系统用电能变换器的特殊要求，即输入电压小、电压调整范围大、输入电流大、输出要求不高，但要求可靠性高、效率高、价格低等，设计并研制一台风力发电系统用电能变换器。由于风量不稳定，所以风力发电机输出的是1325V变化的交流电，须要经充电器整流，然后再对蓄电瓶充电，使电能转变为化学能。输入电压是很小的，并且电压变化幅度大，我们要使其输出电能可靠性高，效率高且价格低。这就是这次研究与设计的目的。1.2 风力发电电能变换装置的研究与设计的意义风能优点明显：清洁，环境效益好，可再生，永不枯竭，基建周期短，装机规模灵活。但也存在缺点：噪声，视觉污染，占用大片土地，不稳定，不可控，目前成本仍然很高，影响鸟类动物。如今，科举越来越发达，我们需要利用飞速发展的科技来更加优质的利用风能。风电作为新兴清洁能源，只要能提高发电质量，就能减少其他不可再生能源的消耗。我们需要更加优质的风能，提高风力发电效率是目前最重要的任务之一，而设计一款更优质的电能变换器也变得尤其重要，只有这样才能更加突出风力发电的优点，并且减少风力发电带来的影响。这也就是这次毕业设计的意义所在。二 课题发展现状和前景展望2.1 风电电能变换器的发展现状 中国交交矩阵变换器的研究起步较晚，大致从90年代开始，南京航空航天大学、上海大学、哈尔滨工业大学、清华大学、湘潭大学等单位先后在不同的基金赞助下，开展了这方面的研究工作，并达到了一定的水平。1994年南京航空航天大学庄心复教授对交交矩阵变换器空间矢量调制原理进行仿真和实验研究。1997年至98年穆新华在庄心复的指点下对交交矩阵变换器双电压合成原理进行了仿真研究。1997年，上海大学基于空间矢量调制原理和80C196KC单片机研制了用IGBT作为功率开关的交交矩阵变换器实验装置，综合指标达到国际先进水平。1998年西安交通大学王汝文教授等对斩波调制和交交矩阵变换器控制的普遍性问题进行了研究，提出了一种功率因数可调，输入电流和输出电压为正弦的调制函数。1999年，哈尔滨工业大学陈学允、陈希有等专家建立了交交矩阵变换器的等效电路，得到了输入电流、功率因数、电压增益、输出阻抗等性能指标的解析表达式。同年，陈希有在其博士论文中对非对称输入条件下三相矩阵式变换器的谐波进行了研究。为解决坐标变法电压传输比低的问题，引进线线换流法和改进的线线换流法，减少了输出谐波，并将电压传输比提高到0.866。同时对几种不同类型的调制策略在非对称输入下的谐波状况进行了分析。2.2风电电能变换器的前景展望 风能作为新能源当中的优质能源，其发展得到了国家政策的照顾与优惠，这让风电发展逐步进入成熟期，开始重视如何更高效率的利用风能，提高风力发电的利用率，让有限的设备，生产出更多更稳定的电能。中国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点。按照国家规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资7000元计算，根据风能世界杂志发布，未来风电设备市场将高达1400亿元至2100亿元。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。2009年该行业的利润总额将保持高速增长，经过2009年的高速增长，预计2010、2011年增速会稍有回落，但增长速度也将达到60%以上。风电发展到目前阶段，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于：能力每增加一倍，成本就下降15%，近几年世界风电增长一直保持在30%以上。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。风电电能变换器的改变对风力发电系统的进步尤为重要，在风力发电越来越受世界关注的同时，变换器的改善也在日间进行当中。三 课题主要内容和要求针对风力发电系统用电能变换器的特殊要求，即输入电压小、电压调整范围大、输入电流大、输出要求不高，但要求可靠性高、效率高、价格低等，设计并研制一台风力发电系统用电能变换器。输出电压：220V15;输出功率：500W;效率：效率不小于91；功率因数：不低于0.93。采用电压环和电流环实现双环控制，以提高控制性能；具有过流保护、输出过压、欠压保护 。四 研究方法、步骤和措施4.1 研究方法首先要对风力发电电能转换器有所了解，研究风力发电的电能变换及其装置，构思可行的电力电子电路和选择适合的电力电子元件。温习曾经学过的整流电路，逆变器电路，斩波电路，完成这次设计，得运用熟练，有个更深的理解。此外，还会用到SWPM、boost电路、matlab等。不仅要会看懂，还要可以应用到实际设计当中。4.2 步骤 设计步骤如下:（1） 第一章 绪论 概述了风力发电电能变换装置的发展现状、及其研究意义，系统主要分类，以及优缺点。（2） 第二章 阐述了永磁同步发电机的系统总体设计方案。（3） 第三章 做出了直驱式系统变换装置的主电路拓扑，分析起原理，器件选型和选型依据。（4） 第四章 分析了直驱式风力发电的控制策略。（5） 第五章 分析了直驱式风力发电系统的软件设计方案（6） 第六章 作出了仿真验证本文理论部分。（7） 结束语 阐述了本文的工作以及不足。4.3措施 在接下来的时间内，我会重新温习电力电子技术课本，更加深入的学习整流电路，逆变电路，斩波电路等等，在毕业设计当中，不仅仅是理解和看得懂就能做好的，还要运用到实际设计当中。认真仔细的去完成本次设计，在遇到问题是，翻阅资料，询问指导老师，及时决绝问题，确保能按照计划去完成设计。 本次毕业设计，根据学校的安排我的计划如下：（1）第一周至第三周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告； （2）第四周至第六周：总体方案的确定； （3）第七周至第九周：主电路设计与控制电路设计； （4）第十周至十二周：参数计算、元器件的选择； （5）第十三周至第十五周：撰写设计说明书； （6）第十六周：毕业设计答辩 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日