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1、三峡大学 硕士学位论文 改善直驱式风电模拟系统电磁兼容的随机调制技术研究 姓名：熊前柱 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：王斌 20100401 II 内 容 摘 要 风力发电以清洁、可再生等优点在全球各国得到广泛的应用，目前在风力发电 系统中，电力电子技术和控制策略的技术研究已经成熟，大量技术成果在风力发电 中得到使用，因此电力电子设备引起的电磁干扰(EMI) 和电磁污染也就越来越严 重，并已逐渐成为最主要的谐波源。为了解决这个问题，本文主要从两个方面完成 本课题。 本文首先介绍了风力发电及其控制技术的发展状况，描述直驱式风力发电系统 风力机的数学模型，建立了并励式直流
2、电动机和他励式直流发电机的电路模型；提 出了随机调制技术，研究适合移植随机调制技术的正弦波逆变器结构和控制策略， 分析该技术应用到风力发电模拟系统中的可能性及理论改进方法；研究了直流 Boost 升压 DC-DC 变换器的工作原理。 本文最后设计了基于AVR系列高性能单片机的小型直驱式风力发电模拟系统， 包括直流 Boost 升压 DC-DC 变换器，正弦波逆变器，并成功地将随机调制技术应 用到正弦波逆变器部分,实验结果验证了该技术能减小风电系统中 EMI 以及本文提 出的各种控制方法的可行性。 关键词：风力发电系统；逆变器；随机调制技术关键词：风力发电系统；逆变器；随机调制技术；EMI II
3、I Abstract Wind power are widely used around the world for its clean and renewable advantages, in currently wind power generation system, power electronics technology and control strategy has been matured and a lot of technology has been used in wind power generation system, so electromagnetic inter
4、ference (EMI) and electromagnetic pollution caused by power electronic devices are more and more serious, which has gradually become the main harmonic source. To solve this problem, this paper mainly to complete this task in two ways. At the first of the paper, the development situation of wind powe
5、r generation system and its control technologies are introduced; mathematical model of the wind turbine of small scale direct drive wind power generation system was described and circuit model of DC Shunt Motor and armature-excited DC generator were built. In this paper random modulation technology
6、was presented, it researched the structure and control strategy of the sine wave inverter which suit for explanting the random modulation technology, it also analyzed the possibility and improving methods of using the technology in wind power generation simulation system. The principle of the DC-DC
7、Boost converter was researched. Small scale direct drive wind power generation simulation system based on high-performance AVR series microcontroller was designed at the final of the paper, including the DC-DC Boost converter, the sine wave inverter, and applied the random modulation technology in t
8、he sine wave inverter successfully. The experimental results confirmed that the random modulation technology can reduce the EMI in the wind power generation systems, and the feasibility of the control methods which presented in this paper. Key words: wind power system; inverter; randomized modulatio
9、n technology; Electro Magnetic Interference I 三峡大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文 中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期： 1 1 绪论 1.1 风力发电研究的背景和意义 能源是全球经济发展的首要战略资源。随着现代经济的高速发展，可利用的常 规能源日益匮乏，全球的两次石油危机，使得世界各国都在
10、大力寻求可以替代化石 燃料的新能源和可再生能源，这是实现能源可持续发展的唯一道路。 自然界的风能是安全、清洁、丰富、取之不竭的能源，也是一种可再生能源， 利用风力进行发电，无污染无须燃料，不产生碳排放，更环保。风力发电系统的运 行成本低，一般风力发电机组的设计寿命可以达到 2025 年，运行和维护的费用 通常相当于机组总成本的 3%5%，而且建设周期短。在不计测风消耗时间的条件 下，依目前的工程进度，最快的一年左右可以投入使用，这些优点使得风力发电技 术在全球各国得到广泛的应用11， 现在已经是电力能源市场发展中最为迅速的一种 可再生能源，是全球增长速度最快的能源之一13。尽管如此，但它的不足
11、之处仍然 制约着风力发电的发展。风场的选址对风速要求较高，测风阶段需要较长的时间， 而且风场的占地面积很大，单位土地面积的发电出力与火电相差较大，电能输送距 离远，对电网输送的要求比较高。风速的不稳定性导致风力发电机的输出功率不稳 定，这样就会给电网的稳定运行带来很大地威胁。由于设备造价比较高，所以一次 性投资较大，上网电价比火电和水电都高许多。尽管如此，世界各国都在通过立法 或不同的优惠政策积极激励、扶持发展风电技术，使得制约风力发电发展的瓶颈技 术被一个个打破。随着风力发电技术的不断发展，风力发电的成本呈现快速下降的 趋势，已经接近燃煤发电的成本，因此，风力发电越来越受到世界各国的重视12
12、。 我国幅员辽阔，是风能资源较丰富的国家。目前我国能源需求的大幅度增加， 常规能源的有限已成为日益显著的矛盾，所以更需要开发利用风电技术。我国开发 可再生能源的风能，发展风力发电技术是最现实的战略选择。风力发电将能迅速缓 解我国能源急需和电力短缺的局面。近两年中国出现大面积的缺电，风电的建设周 期短， 风场是可以在短时间内完成的， 风力发电对于缓解缺电具有非同寻常的意义。 风力发电是解决边远农村供电的重要途径。目前我国正在进行西部大开发，由于西 部地区地广人稀，土地贫瘠，工业基础薄弱，人均用电量小，从大电网输电到那里 不是很经济，因此必须同时开发风力发电等分布式发电系统，才能较好地满足当地 人
13、民生产生活对电力的需求。综上所述，可以看出，开发利用风力资源，既可解决 能源短缺，又可以优化能源结构，减少资源消耗和环境污染，减少温室气体等有害 气体的排放，缓解全球变暖，保护环境，同时风力发电也有着巨大的社会效益和经 济效益，为此需要我们确立科学发展观，将风力发电提高到电力可持续发展的战略 地位。 2 为了加快风电的建设速度，我国政府拟将在 2010 年、2015 年和 2020 年风电的 发展目标分别设定在 400 万 kW，1000 万 kW，和 3000 万 kW。届时风电装机容量 将占电力总装机容量的 2%，风电电量占总发电量的 1%。最近中央把风力发电自主 创新提高到战略高度，说明
14、风力发电是全国整体的长远的利益所在，是需要长时期 坚持的一项国策。加快提高中国在新能源科技自主创新能力，把新能源科技创新能 力视为国家科技事业发展的决定因素，国家竞争力的核心和国家安全的重要保证。 风力发电技术的研究和产业化对于我国的发展具有深远的意义19。 1.2 国内外风力发电技术现状及存在的问题 在风力发电技术方面，目前实际运用的发电技术主要有：定桨距风力发电、变 桨距发电技术和变速恒频发电技术。变速恒频风力发电机组于 20 世纪的最后几年 加入到大型风力发电机组主流机型的行列中。与恒速风力发电机组相比，变速风力 发电机组的优越性在于：低风速时它能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速
15、比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传 动系统的柔性，使功率输出更加平稳。因而在更大容量上，变速风力发电机组有可 能取代恒速风力发电机组而成为风力发电的主力机型20。 目前具有变速恒频发电技术的机组主要有：双馈型风力发电机组，无刷双馈发 电机组，高速同步发电机组，低速永磁直驱发电。双馈异步发电机结合了异步发电 机和同步发电机的优点而发展起来的一种新型发电机，具有良好的调速性能、有功 和无功功率独立可调、改善电网功率因数、提高系统的稳定性以及相对较小的励磁 容量等优点，在风力发电技术中，由于双馈发电机能变速恒频运行，实现了机组和 电网的柔性连接从而大大缓解了机组
16、轴系的机械应力并降低了系统成本22。 与此同 时，采用原动机最佳效率跟踪控制还能够提高整个风力或水力发电系统的效率。因 此目前双馈发电机己经成为主流的风力发电机。永磁直驱型风力发电系统根据风能 资源的特点，风力机通常以转速（2030r/min）旋转，而常见的风力发电机由于极 对数较小因此额定转速较高（如：4 极电机额定转速为 1500r/min） 。永磁直驱或半 直驱风力发电机也具有变速恒频发电、有功无功独立调节等优点，此外这类发电机 还具有以下特点：降低了机械传动的要求，减小系统成本并提高运行可靠性：采用 永磁材料，发电机能量密度高，重量轻，效率高；无碳刷与滑环，运行可靠，维护 工作量小。虽然永磁直驱或半直驱风力发电机具有很多优点，但作为近年来才出现 的风力发电技术，这类风力发电机还有许多值得系统、深入地研究。 在储能技术上，在常规发电厂里，特别是风速变化的随机性，使得独立运行风 力发电系统地输出能量每时每刻都在波动，用户无法获得连续而稳定的电能供应， 不可能期望风能每时每刻随着负载的变化而变化。因此能量存储对于风力
