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1、湖南科技大学潇湘学院本科生毕业设计（论文）摘 要风力发电因其环保性、经济性、灵活性等诸多优点，正受到日益广泛的关注，并在世界范围得以迅猛发展。并网逆变控制器是风电机组与公共电网的能量接口，其性能优劣直接影响机组输出特性及电网电能质量。本文针对小型并网逆变控制器，从其模型分析、检测控制以及软件实现等方面展开研究与设计，主要包括以下几方面的工作：首先，根据机组电压及功率等级，确定了并网逆变控制器功率电路的拓扑结构，并分析推导了其在三相坐标系下的静态数学模型、d-q旋转坐标系下的等效受控源模型及其动态小信号模型，为主电路参数选取和控制环节的补偿校正提供理论基础。其次，将瞬时无功功率理论引入检测与控制
2、环节，将其与PID控制策略结合，实现并网逆变控制器的电压、电流双环控制，并辅以仿真软件对控制环节的补偿校正参数进行计算优化，以保证在发电、馈电平衡的前提下，减小或避免风电机组对电网的负面影响。基于上述理论基础，计算确定了功率电路中藕合电感、直流母线电容等关键参量；根据系统的双环控制结构，以TMS320F2812型DSP为核心，设计了系统控制环节中信号采样、锁相跟踪、PI调节、SPWM形成等各功能模块。最后，采用仿真软件MATLAB/SIMULINK对并网逆变器功率电路及控制环节进行了仿真与分析；并在 CCS 的编译环境下，采用 C 语言进行编程。关键词：风力发电；并网逆变器；SPWM；双环PI
3、D控制ABSTRACT Wind power is attracting more attention due to its performance of environmental protection, economy, and flexibility and so on, and is rapidly developing in the world. Grid-connected inverter is an energy interface between wind power generation system and power quality of the grid. In th
4、is paper, the model, detection and control of low-voltage grid-connected inverter, and its realization of software, were investigated, the work mainly includes the following aspects:First of all, power circuit topology of grid-connected inverter was determined based on voltage and power grade of win
5、d power generation system. Its static mathematic model in the three-phase coordinate, equivalent controlled resource model in d-q rotating coordinate and dynamic small-signal model were analyzed derived, which provided theoretical basis for parameter selection of the main circuit and compensation an
6、d correction of control section.Secondly, the instantaneous reactive power theory to the test and control link, with the combination, realize PID control strategy of grid inverter controller voltage, current 2-ring control, supplemented by simulation software to control links compensation correction
7、 parameter optimization, to ensure that the calculated in power generation, feeder balance premise, reduce or avoid the wind generator for grid negative influence.Based on above foundation, calculate and determine the theory of the power circuit coupling inductor, key parameters dc bus capacitor; Ac
8、cording to the systems 2-ring control structure, take TMS320F2812 type DSP core, design the system control signal sampling, link of phase-locked tracking, PI adjustment, the function module formation of SPWM.Finally, using the simulation software MATLAB/SIMULINK for grid inverter power circuit and c
9、ontrol links are simulated and analyzed; And in the compiler environment, CCS using C programming language.Keywords：Wind power; Grid-Connected Inverter; SPWM; Dual-Loop PID Control第一章 绪论1.1 风力发电的概况能源，是人类生存的基本要素，也是国民经济发展的主要物质基础。风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源，它和煤、石油、天然气等矿物燃料能源不同，它不会随着本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用
10、之不竭的能源。风力发电作为一种绿色电力，受到广泛的关注，随着技术的发展，风电必然成为重要的洁净能源。风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。系统建模和分析技术是风力发电机组优化设计分析技术的关键基础技术。1.2 国内外风力发电产业发展现状自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都在重视风能的开发利用。近20年来，发达国家在风能的开发利用方面已取得了惊人的成就。2007年全球新增风电装机容量2000万KW，分布在全球70多个国家和地区，其中，排在前三位的是美国（520万KW）、西班牙（350万KW）、中国（330万
11、KW） 1。能源和环境危机与国民经济可持续发展之间的矛盾，促进了风力发电产业的迅猛发展，风电在我国能源结构中的地位日益受到重视。中国发展并网风力发电始于1990年，到2010年我国的风电装机将达到14001500万KW，到2020年有望实现1.21.5亿KW。1.3 课题研究现状风力发电包含两个能量转换过程：首先将风能转换为机械能，这一部分主要由风轮来实现；其次将机械能转换为电能，这部分转换任务由发电机及其控制系统来承担。两部分之间并不是相互独立的，而是息息相关的，每个转换过程采用的装置结构、运行方式都影响着另一转换过程的效率。因此要选用合适的风力发电机系统以保证风电能量转换的高效率、高可靠性
12、以及良好的供电性能2。 风力发电系统有两种运行方式：一是离网运行方式，它又包括两种：独立发电，即由一台小型风力发电机单独向用户提供电能，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；混合发电，即风力发电与其他发电方式（如柴油机发电、太阳能发电等）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；二是并网运行方式，即向大电网提供电能，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机。DDPMSG （Direct-drive permanent magnet synchronous generator wind即直驱风力永磁同步发电机）通过变频器与电网相连，其频率和电网的频率彼此独立，不存在并网时产生冲击电流、冲击
13、力矩以及并网后失步的问题，逆变器不仅可以调节并网电压和频率，而且还可调节有功功率，保证系统的功率因数可调，是一种稳定的并网方式3。对于独立运行的逆变器，其拓扑以及控制策略的研究已经很多，并且目前已经有众多非常成熟的电路应用于产品中，而用作并网功能的，由于其特殊的功能要求，还是一个不成熟的领域。对于并网逆变器的研究国内起步较晚，与国外有着一定的差距，目前主要有以下几个研究方向：逆变器的拓扑结构研究；并网逆变器控制策略研究；逆变器输出侧滤波器结构设计；孤岛效应检测和保护的研究；工作模式的无缝切换技术的研究；同步锁相技术的实现等。其中，拓扑结构以及相应的控制策略是逆变装置的关键部分。1.4 本文主要
14、研究内容本课题中采用直驱式风力发电系统，以变速恒频方式运行，发出的电经整流装置变为直流24V，电容滤波，再经三相逆变器将直流电变为幅值、相位、频率与电网匹配的交流电后，并入电网。逆变器的控制器采用TMS320F2812型DSP 芯片，它一方面检测直流侧、逆变器及电网等的相关参数，一方面根据检测到的参数，利用设定的控制算法对逆变器功率开关器件的开通关断等进行控制。针对该系统，课题主要研究内容概括为：（1）根据机组电压及功率等级，确定了并网逆变控制器功率电路的拓扑结构，介绍了其工作原理，分析推导了其在三相坐标系下的静态数学模型、d-q旋转坐标系下的等效受控源模型及其动态小信号模型，为主电路参数选取
15、和控制环节的补偿校正提供理论基础。（2）将瞬时无功功率理论引入检测与控制环节，避免了传统同步坐标系下实现有功、无功的复杂计算;将其与PID控制策略结合，实现并网逆变器的电压、电流双环控制。对并网控制环节中电流内环和电压外环分别进行动态分析。（3）计算确定了功率电路中电感、直流母线电容等关键参量；根据系统的双环控制结构，以TMS320F2812型DSP为核心，设计了系统控制环节中信号采样、锁相跟踪、PI调节、SPWM形成等各功能模块。（4）然后利用 Matlab/simulink 建立风力发电逆变装置动态仿真模型，验证模型和控制策略的可行性。针对逆变器并网控制要求，提出合适的逆变器的并网控制策略
16、，并对其进行详细的讨论和仿真分析；（5）根据仿真的结果对系统逆变部分进行软件设计。第二章 风力发电并网逆变电路的需求分析2.1 直驱式风力发电系统简介风力发电要经过两次能量转换，首先需要风轮机将风能转换成机械能，再由发电机及其控制系统将机械能转换成电能。永磁发电机变速恒频风力发电系统所采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制在定子电路实现的，把永磁发电机的变频交流电通过变频器转变为电网同频的交流电。采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。随着电力电子技术和永磁材料的发展，在直驱永
