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1、风光互补系统毕业论文设计南通纺织职业技术学院论文设计风光互补系统江苏南通二一一年 九 月南通纺织职业技术学院论文设计诚信承诺书本人郑重承诺我所呈交的论文紧凑型风光互补系统是独立开展研究取得的成果文中引用他人的观点和材料均在文后按顺序列出其参考文献设计论文使用的数据真实可靠承诺人签名 日期 年 月 日紧凑型风光互补系统摘 要本文简单介绍了风能发电的重要性和世界各国的重视程度以及我国在这方面的差距我国作为世界上的风能大国尚不具备独立开发风力发电机尤其是大型风力发电机的能力与此相关的基础研究实验研究设计水平是主要的制约因素本文针对风光互补发电系统设计了一套小型模拟装置用直流电机对风机的模拟仿真以及进
2、行了模拟风机装置的调试系统控制全部采用 Freescale 公司的56F8013 DSP 控制实现给出了各部分流程图对于软硬件的关键问题还给出了相应解决方案关键词风光互补 风特性 DSP 单极性移相 PWM 交错并联目 录摘要 ABSTRACT 1 引言 111 风力发电的概况 1com 我国的风力资源和太阳能资源 1com 风光发电的优点 3com 我国的风光发电发展状况 312 风光发电系统概述 4com 风力发电系统的组成 4com 系统控制技术 5com 风的基本特性 62 系统总体设计 821 风力发电技术 822 系统总体框图与控制方案 113 系统的硬件设计 1831 系统硬件总
3、体设计 1832 系统主电路 2833 电源模块 2834 检测模块 3035 驱动模块 314 PWM 控制方案 3341 全桥变换电路的 PWM 控制策略 33com 变电路的三种控制方式 33com 变电路输出的整流滤波 36com 路直接整流电路的 PWM 控制策略研究 3742 IGBT 的保护和软开关技术 41com IGBT 的保护 4143 蓄电系统 43com 充放电原理 43com 的模型 44com 电方法 445 系统软件设计 4551 软件实现功能 45com 能电池输出装置软件主要实现功能 45com 机电枢电流控制软件主要实现功能 45com 充电电路软件主要实现
4、功能 4552 软件设计工具 45com 发环境 CodeWarrior 概述 45com PE Processor Expert 概述 4653 程序实现方法及流程图 46com 机流程图 46com 充电电路流程图 4854 程序关键部分的实现 50comSP 芯片实现 PWM 移相 50com DSP 定标和标幺化 506 系统仿真与产品调试 5261 仿真工具简介 5262 交错互补 buck-boost 斩波电路 52com 型 52com 果 5263 模拟风机系统调试 55com 备 56com 机 I-n 曲线实验 56com 5964 系统调试 59com 8037 控制板测
5、试 59com 8013 加速度板检试 60com 调试 60com 整机测试 627 总结与展望 65参考文献 66注释 67附录 68谢辞 831 引言风光发电的概况我国的风力资源和太阳能资源我国风能资源丰富根据国家气象局的资料我国离地 10 米高的风能资源总储量约为 3226 亿千瓦可开发利用的风能储量约 10 亿千瓦其中陆地上风能储量约 253 亿千瓦按陆地上离地 10m 高度资料计算海上可开发和利用的风能储量约 75 亿千瓦而 2003 年底全国电力装机约 567 亿千瓦 我国位于亚洲大陆东部濒临太平洋季风强盛内陆还有许多山系地形复杂加之青藏高原耸立我国西部增加了我国季风的复杂性冬季
6、风来自西伯利亚和蒙古等中高纬度的内陆那里空气十分严寒干燥冷空气积累到一定程度在高空环流引导下就会爆发南下形成我们俗称的寒潮每年冬季总有多次强冷空气南下影响我国西北东北和华北直到次年春夏之交才消失 夏季风是来自太平洋的东南风印度洋和南海的西南风东南季风影响遍及我国东半部西南季风则影响西南各省和南部沿海但风速远不及东南季风大热带风暴是太平洋西部和南海热带海洋上形成的空气涡漩破坏力极大的海洋风暴每年夏秋两季频繁侵袭我国登陆我国南海之滨和东南沿海热带风暴也能在上海以北登陆但次数很少青藏高原地势高亢开阔冬季高原东南部盛行偏南风高原东北部多为东北风其他地区一般为偏西风夏季大约以唐古拉山为界以南盛行东南风以
7、北盛行东风和东北风 我国幅员辽阔陆疆总长达 2 万多公里还有 1800O 多公里的海岸线拥有岛屿 5000 多个因此风能资源丰富我国风能资源的分布与天气气候背景有着非常密切的关系我国风能资源丰富和较丰富的地区主要分布在两个大带里第一是三北东北华北西北地区丰富带第二是沿海及其岛屿地丰富带另外在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响风能也较丰富成为内陆风能丰富地区我国海上风能资源也十分丰富可利用的风能资源约 7 亿多千瓦海上风速高而且没有复杂地形对气流产生影响可减少风电机组的疲劳载荷延长使用寿命一般估计海上风速比平原沿岸高 20 发电量增加 70 在陆上寿命为 20 年的风电机组在海上可达 25 年到
8、30 年随着海上风电场技术的发展成熟将来必然会成为重要的可持续能源在我国西藏西部太阳能资源最丰富最高达 2333 KWh 日辐射量64KWh 居世界第二位仅次于撒哈拉大沙漠 根据各地接受太阳总辐射量的多少可将全国划分为五类地区 一类地区为我国太阳能资源最丰富的地区年太阳辐射总量 66808400 MJ相当于日辐射量 5164KWh这些地区包括宁夏北部甘肃北部新疆东部青海西部和西藏西部等地尤以西藏西部最为丰富最高达 2333 KWh日辐射量 64KWh居世界第二位仅次于撒哈拉大沙漠 二类地区为我国太阳能资源较丰富地区年太阳辐射总量为 5850-6680 MJm2 相当于日辐射量 4551KWh这
9、些地区包括河北西北部山西北部内蒙古南部宁夏南部甘肃中部青海东部西藏东南部和新疆南部等地 三类地区为我国太阳能资源中等类型地区年太阳辐射总量为 5000-5850 MJm2 相当于日辐射量 3845KWh主要包括山东河南河北东南部山西南部新疆北部吉林辽宁云南陕西北部甘肃东南部广东南部福建南部苏北皖北台湾西南部等地 四类地区是我国太阳能资源较差地区年太阳辐射总量 42005000 MJ相当于日辐射量 3238KWh这些地区包括湖南湖北广西江西浙江福建北部广东北部陕西南部江苏北部安徽南部以及黑龙江台湾东北部等地 五类地区主要包括四川贵州两省是我国太阳能资源最少的地区年太阳辐射总量33504200 M
10、J相当于日辐射量只有 2532KWh 太阳能辐射数据可以从县级气象台站取得也可以从国家气象局取得从气象局取得的数据是水平面的辐射数据包括水平面总辐射水平面直接辐射和水平面散射辐射 从全国来看我国是太阳能资源相当丰富的国家绝大多数地区年平均日辐射量在 4 kWh以上西藏最高达 7 kWh 风力资源是取之不尽用之不绝的利用风力发电可以减少环境污染节省煤炭石油等常规能源风力发电技术成熟在可再生能源中成本相对较低有着广阔的发展前景风力发电技术可以灵活应用既可以并网运行也可以离网独立运行还可以与其它能源技术组成互补发电系统风电场运营模式可以为国家电网补充电力小型风电机组可以为边远地区提供生产生活用电储量
11、的无限性 存在的普遍性利用的清洁性利用的经济性 50国家在可再生能源中长期发展规划中提出 2010 年和 2020 年我国风电装机的目标分别为500 万千瓦和 3000 万千瓦从目前国内外风电发展的态势来看中国风电装机在未来几年内或有 50以上的复合增长率原有规划目标将提前完成如果相关扶持政策得到完善落实预计 2010 年我国风电装机容量可达到 1500 万千瓦左右现在中国已成为全球增长最快的风电市场风光发电系统概述风力发电系统的组成风力发电系统的组成风力发电机组是实现风能转换成电能的设备通常包括风轮机传动机构发电机自动控制装置以及支撑铁塔等风轮机的作用是将风能转换为机械能它由气动性能优异的
12、23 个叶片装在轮毂上所组成低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速将动力传递给 风电控制系统包括现场风力发电机组 控制单元高速环型冗余光纤以太网远程上位机操作员站等部分现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心实现机组的参数监视自动发电控制和设备 保护等功能每台风力发电机组配有就地HMI 人机接口以实现就地操作调试和维护机组高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路将机组的实时数据送 至上位机界面上位机操作员站是风电厂的运行监视核心并具备完善的机组状态监视参数报警实时历史数据的记录显示等功能操作员在控制室内实现对风 场所有机组的运行监视及操作 风力发电机组控制单元 WPCU 是每台风机的
13、控制核心分散布置在机组的塔筒和机舱内由于风电机组现场运行环境恶劣对控制系统的可靠性要求非常高而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力其系统结构如下 风电控制系统的现场控制站包括塔座主控制器机柜机舱控制站机柜变桨距系统变流器系统现场触摸屏站以太网交换机现场总线通讯网络 UPS 电源紧急停机后备系统等 风电控制系统的网络结构如图 1 所示 1 塔座控制站 塔座控制站即主控制器机柜是风电机组设备控制的核心主要包括控制器 IO 模件等 控制器硬件采用 32 位处理器系统软件采用强实时性的操作系统运行机组的各类复杂主控逻辑通过现场总线与机舱控制器机柜变桨
14、距系统变流器系统进行实 时通讯以使机组运行在最佳状态 控制器的组态采用功能丰富界面友好的组态软件采用符合 IEC61131-3 标准的组态方式包括功能图 FBD 指令表 LD 顺序功能块 SFC 梯形图结构化文本等组态方式 2 机舱控制站 机舱控制站采集机组传感器测量的温度压力转速以及环境参数等信号通过现场总线和机组主控制站通讯主控制器通过机舱控制机架以实现机组的偏航解缆等功能此外还对机舱内各类辅助电机油泵风扇进行控制以使机组工作在最佳状态 3 变桨距系统 大型 MW 级以上风电机组通常采用液压变桨系统或电动变桨系统变桨系统由前端控制器对 3 个风机叶片的桨距驱动装置进行控制其是主控制器的执行
15、单元采用 CANOPEN 与主控制器进行通讯以调节 3 个叶片的桨距工作在最佳状态变桨系统有后备电源系统和安全链保护保证在危急工况下紧急停机 4 变流器系统 大型风力发电机组目前普遍采用大功率的变流器以实现发电能源的变换变流器系统通过现场总线与主控制器进行通讯实现机组的转速有功功率和无功功率的调节 5 现场触摸屏站 现场触摸屏站是机组监控的就地操作站实现风力机组的就地参数设置设备调试维护等功能是机组控制系统的现场上位机操作员站 6 以太网交换机 HUB 系统采用工业级以太网交换机以实现单台机组的控制器现场触摸屏和远端控制中心网络的连接现场机柜内采用普通双绞线连接和远程控制室上位机采用光缆连接
16、7 现场通讯网络 主控制器具有 CANOPENPROFIBUSMODBUS 以太网等多种类型的现场总线接口可根据项目的实际需求进行配置 8UPS 电源 UPS 电源用于保证系统在外部电源断电的情况下机组控制系统危急保护系统以及相关执行单元的供电 9 后备危急安全链系统 后备危急安全链系统独立于计算机系统的硬件保护措施即使控制系统发生异常也不会影响安全链的正常动作安全链是将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路当安全链动作后将引起紧急停机机组脱网从而最大限度地保证机组的安全 所有风电机组通过光纤以太网连接至主控室的上位机操作员站实现整个风场的远程监控上位机监控软件应具有如下功能 系统具有友好的控制界面在编制监控软件时充分考虑到风电场运行管理的要求使用汉语菜单使操作简单尽可能为风电场的管理提供方便 系统显示各台机组的运行数据如每
