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1、商丘工学院2012届毕业生毕业论文（设计）编号： 商丘工学院毕业论文（设计）题目：电力电子技术在电力系统中的应用院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机电一体化 班 级： 机电一体化6班 姓 名： 臧猛猛 指导老师： 刘 琳 成 绩： 日期： 年 月 日I摘 要电力电子技术是电工技术中的新技术，是电力与电子技术（强电和弱电技术）的融合，已在国民经济中发挥着巨大作用，对未来输电系统性能将产生巨大影响。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用的是现代电力电子技术的具体应用。 当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的
2、方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。目前电力电子技术的应用已涉及电力系统的各个方面，包括发电环节、输配电系统、储能系统等等。关键词：电力电子技术 变速恒频 高压直流输电 光伏发电 目录摘 要I目录II第一章 发电环节11.1大型发电机的静止励磁控制11.2水力、风力发电机的变速恒频励磁11.3发电厂风机水泵的变频调速21.4太阳能发电控制系统4第二章 输电环节122.1柔性交流输电技术（FACTS）122.2高压直流输电技术（HVDC）122.3静止无功补偿器（SVC）13第三章 配电环节14第四章 储能装置154.1储能电站（配
3、合光伏并网发电应用）详细方案154.1.1系统架构154.1.2储能子系统164.2储能电池组164.2.1电池选型原则164.2.2 主要电池类型比较174.3建议方案18第五章 其他应用195.1同步开断技术195.2直流电源195.3不间断电源（UPS）和各种ACDC、DCAC开关电源195.4各种频率的全固态化交流电源19总结20参考文献213第一章 发电环节电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。1.1大型发电机的静止励磁控制静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于
4、省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。1.2水力、风力发电机的变速恒频励磁水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时（尤其是抽水蓄能机组），机组的最佳转速亦随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。据江西省政府介绍，15直驱永磁变速恒频风电机组是由江西麦德风能有限公司研究开发，与其他类型风电机组，具有
5、发电效率高等优势。同时，作为江西首家大型风电机组制造企业，江西麦德风能有限公司已建成中国第一个兆瓦级低速风力发电机全功率试验中心。 随着各地不断加大能源结构调整力度，推行节能减排，风电作为清洁能源正越来越受到人们的青睐。据了解，“十一五”期间，中国每年需要4000多台15风电机组。但目前中国自产量只有1000多台，能够批量生产的企业也只有三四家。江西麦德风能股份有限公司将总投资10亿元，形成年产800台15直驱永磁变速恒频风电机组产业化规模，目前已完成首期投资38亿元。1.3发电厂风机水泵的变频调速发电厂的厂用电率平均为8%，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%，且运行效率低。使用低压或
6、高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并有完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。图一是国电南京自动化股份有限公司设计使用的三电平大容量高压变频器的主电路，逆变部分使用了新型功率半导体器件IGCT，其内部集成有反并联续流二极管；为了减小对电网的冲击，整流电路采用12脉冲二极管整流结构；该拓扑还示出了整流阻容吸收电路、保护用IGCT电路和di/dt限制电路等单元。图1 国电南京自动化股份有限公司的三电平大容量高压变频器主电路以图1为例对三电平变频器工作原理做说明（3）。
7、其逆变桥每相均有三个基本电平，以U相为例有下面三个开关模态：开关模态1、当Su1、Su2导通，Su3、Su4关断时，U相电平为|Vc1|。此时Su3、Su4共同承受|Vc1|Vc2|的电压，由于Su3、Su4具有相同的电气参数，它们各自承受的电压为（|Vc1|Vc2|）/2，钳位二极管Du1承受的电压为|Vc1|，Du1承受的电压为|Vc2|（|Vc1|Vc2|）/2（|Vc2|Vc1|）/2。开关模态2、当Su3、Su4导通，Su1、Su2关断时，U相电平为|Vc2|。此时Su1、Su2共同承受|Vc1|Vc2|的电压，由于Su1、Su2具有相同的电气参数，它们各自承受的电压为（|Vc1|V
8、c2|）/2，钳位二极管Du2承受的电压为|Vc2|，Du1承受的电压为（|Vc1|Vc2|）/2|Vc2|（|Vc1|Vc2|）/2。开关模态3、当Su2、Su3导通，Su1、Su4关断时，U相为0电平。此时Su1承受的电压为|Vc1|， Su4承受的电压为|Vc2|。当U相电流为从直流母线电容流向负载时，Su2、Du1导通，Su3、Du2关断；U相电流为从负载流向直流母线电容时，Su3、Du2导通，Su2、Du1关断，这两种情况下，Su2、Su3、Du1、Du2这四个器件承受的电压均为0。上述三种开关模态分别示于图2、图3和图4。当两个直流母线电容电压完全相同时，即有|Vc1|Vc2|Vd
9、c|/2，则从上面的分析可知，逆变桥每相的三个电平分别为：|Vdc|/2、0、|Vdc|/2，逆变桥线线之间具有五个电平|Vdc|、|Vdc|/2、0、|Vdc|/2、|Vdc|。1.4太阳能发电控制系统开发利用无穷尽的洁净新能源太阳能，是调整未来能源结构的一项重要战略措施。大功率太阳能发电，无论是独立系统还是并网系统，通常需要将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，所以具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统的核心。日本实施的阳光计划以34kW的户用并网发电系统为主，我国实施的送电到乡工程则以1015kW的独立系统居多，而大型系统有在美国加州的西门子太阳能发电厂（7.2MW）等。传感器结构该跟
10、踪器的传感器结构见图1。设置一个圆筒形外壳，在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4 只光敏电阻;其中P1、P3 东西对称安装在圆筒的两侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;P2、P4 南北对称安装在圆筒的两侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4 只光敏电阻，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的视高度。图1 传感器结构示意图立柱转动式跟踪器跟踪器的结构见图2。步进电机1固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以转动)，转动架以及支架固定安装在主轴上，光伏电池、步进电机2 安装在支架上面(光伏电池
11、相对于支架可以转动)，步进电机2 的输出轴连接在光伏电池上。图2 立柱转动式跟踪器示意图当光线发生偏移，控制部分发出控制信号驱动步进电机 1 带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及光伏电池转动;同时控制信号驱动步进电机2 带动光伏电池相对与支架转动，通过步进电机1、步进电机2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪2。MPPT控制器光伏电池的输出功率与它的工作电压有关(U-P曲线一般呈先上升后下降的光滑曲线，中间的某个电压值取得最大功率)，只有工作在最合适的电压下，它的输出功率才会有个唯一的最大值。如：在日照强度为1000W/m2 下，U=24V，I=1A;U=30V，I=0.9A;U
12、=36V，I=0.7A;可见30V的电压下输出功率更大。MPPT(最大功率点跟踪)控制器主要功能是:检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳电池阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪 3。图 3为实际应用扰动与观察法来实现最大功率点追踪的示意图。图3 MPPT控制实现示意图扰动电阻 R 和MOSFET 串连在一起，在输出电压基本稳定的条件下，通过改变MOSFET的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动4。同时，光伏电池的输出电流和输出电压亦将随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加，下一周期继续
13、朝同一方向扰动，反之，当太阳能光电板输出功率减少时，表示扰动方向错误，下一周期朝反向扰动，如此反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。系统硬件设计系统的主控制电路在整个设计中占有重要地位，它主要对主回路进行控制，保证 MPPT 算法有效实现，使DC/DC变换保持恒压输出，且与 LCD 的人机接口通信。它还在对蓄电池充放电的控制电路起着重要的作用。首先它对光伏电池功率的有效跟踪，使得蓄电池的充电可以得到最大功率的恒压电流。从而避免了光伏电池能量的浪费。其次，主控制器控制的恒压电流也使设计恒压充电的充放电电路变的容易。系统结构框图如图4所示。图4系统结构框图驱动电路光敏电阻采用的型号
14、为GM5516,亮电阻：5-10 K ，暗电阻：200K 以上。系统通过对4对8路(R1对应图1中的P1,R2对应图1中的P3，R3-R8同理)光敏电阻即时进行A/D采集，将所采集的模拟量转化为数字量，判断方位角和俯仰角的变化，并通过I/O(OUT1-OUT8)给步进电机1个正转或反转脉冲， 控制步进电机转向正确的方向，然后继续进行A/D采集和控制，直到信号差在一定范围之内，此时光伏电池正对太阳。电路示于图5和图6。图5 光敏电阻采集电路图6 步进电机驱动电路步进电机57BYG007，GSP-24RW-046，皆为四相八拍。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高电平，ULN2803(步
15、进电机驱动芯片，集电极输出)的1脚到4脚依次为高电平，这样就给步进电机1(57BYG007)正转一步的脉冲信号，步进电机正转1.8度;反之，OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高电平，步进电机反转1.8度，GSP-24RW-046驱动原理与之相同。DC/DC、MPPT电路系统所采用光伏电池正常工作电压10-14V，工作电流1A左右，所采用的蓄电池为12V-7AH，由于 12V的蓄电池一般需要13-15V的电压为之充电，而光伏电池如果不经过DC/DC处理，无法保证为蓄电池稳压充电。因此通过BOOST升压电路将光伏电池电压升高20V(大功率步进电机需要较大电压，此处可以为将来系统升级做准备)，然后降压到14V为蓄电池稳压充电5，电路图如图7所示。图7 DC/DC及MP
