微型水电与电网协同供电技术的研究

【摘要】： 微型水电至今没有一个明确的定义。根据联合国开发计划署“第二次国际小水电会议”的建议,装机容量在100kW以下的水电站称为微型水电。在我国,微型水电一般是指小溪、小河在一定河段长度内,所具有的有效发电势能,可以带动微水电机组发电。它由引水渠、微型水轮机、发电机、稳压稳频控制器、传动装置等组成,独立运行,不需要输变电,直接向农户供电。经全国微水电发展研讨会(2007年7月4日)讨论决定,将单机容量500kW以下的水力发电系统定义为微水电,符合我国国情和国际市场需要。 由于电网的延伸,在建有微型水电站的地区,用户可以对微型水电和国家电网的电能选择使用,一般丰水期的时候是主要依靠微型水电,枯水期是依靠国家电网。由于微型水电装置的局限性,在使用中会造成相当比例部分的能量浪费,主要体现在两个方面：一,当进水量大于额定值时,通过溢流管道泄放多余流量或者手动关小进水阀,而当负载减小时,利用虚拟负载调速系统消耗多余的电能保持转速为额定转速；二,当进水量小于额定值后(每款具体产品的规定值不同),就不能保证稳压稳频的电压输出,此种情况,用户常弃用微型水电装置而向电网取电。前者是因为能量过剩而消耗在无用负载上,这种情况可以考虑将微水电并到电网上；后者是因为微水电提供的能量不能满足负载而被舍弃。 微水电并网,可以很好的解决以上的情况,但由于体制的限制,在绝大部分地区尚未实现。本文提出一种新方法,将微水电和电网联结为一体,向用户供电,在现有体制下,能够很充分的利用微水电。 建立了微水电和电网联结的模型,分析了电网和微水电协同供电的原理,阐述在微水电发出的电能不能够在电压、频率上满足负载要求时,将微水电发出的电能进行不控整流,将电网的电能进行半控整流,再将两部分电能叠加,最后逆变输出给负载。 在电网电压半控整流模型中,详细分析了交流侧的谐波、谐波对电网的污染,并找出解决方法；直流侧的高次谐波的滤波；输出电压与输入电压关系的数学模型等。在EDA软件multisim、matlab中进行仿真验证,并在试验中得以验证。 将电网输入电压、微水电发出的电压和最终获得的稳定输出电压构成一个负反馈的闭环系统,通过EDA软件Protel设计出数字式检测控制电路板,调节可控硅的导通角,将输出电压为控制量,使之有一恒定的输出。 在得到纹波系数符合要求的稳定电压后,再将电能逆变成所需频率的交流电压,提供给负载。 在对能源动力十分渴求的今天,应当利用起一切可利用的能源,且要在低成本的情况下运行。本文设计出的方案,可以使得微型水电装置得到相当充分的利用,可用于边远地区农村的照明、农副产品的再加工等,对改进微型水电系统和能源的最大化利用都有一定的意义。 【关键词】：微型水电 整流 逆变 协同供电
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM72
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 引言10
• 1.2 研究的目的与意义10-11
• 1.3 国内外研究现状11-14
• 1.4 课题中所研究的内容14-16
• 第二章 整流电路的分析与设计16-27
• 2.1 单相不控整流电路分析与设计16-18
• 2.1.1 单相桥式不控整流电路分析16-17
• 2.1.2 发电机输出电压整流电路的设计及保护17-18
• 2.2 单相半控桥式整流电路分析与设计18-24
• 2.2.1 单相半控整流电路分析18-19
• 2.2.2 电网电压整流电路的设计及保护19-24
• 2.3 电路谐波分析与滤波电路设计24-27
• 2.3.1 直流侧电压及电流分析24-25
• 2.3.2 滤波电路的设计25-27
• 第三章 逆变电路的分析与设计27-46
• 3.1 电力逆变技术简介27-32
• 3.1.1 逆变技术的分类27
• 3.1.2 逆变技术发展与现状27-28
• 3.1.3 逆变技术的原理28-32
• 3.2 正弦脉宽调制SPWM的基本原理及分析32-37
• 3.2.1 SPWM的基本原理32
• 3.2.2 SPWM波形调制方式32-33
• 3.2.3 正弦脉宽调制(SPWM)的特点33-34
• 3.2.4 正弦脉宽调制(SPWM)的控制方式34-35
• 3.2.5 正弦脉宽调制(SPWM)的谐波分析35-37
• 3.3 SPWM逆变电路仿真及分析37-40
• 3.3.1 spwm波仿真37-39
• 3.3.2 SPWM逆变电路驱动信号产生电路39
• 3.3.3 SPWM逆变仿真电路39-40
• 3.4 逆变电路的设计及保护40-46
• 3.4.1 IGBT的选取及保护电路40-42
• 3.4.2 IGBT的驱动电路设计42-46
• 第四章 测控电路的设计46-56
• 4.1 主控电路的硬件设计46-56
• 4.1.1 控制芯片的选取及外围电路46-49
• 4.1.2 整流输出电压检测电路49-51
• 4.1.3 换流点检测电路51-56
• 第五章 系统软件的设计56-64
• 5.1 软件开发环境Keil uVision 3简介56-57
• 5.2 软件设计流程57-61
• 5.2.1 用于控制晶闸管导通角的软件设计57-59
• 5.2.2 用于实现SPWM的软件设计59-61
• 5.3 软件调试及结果分析61-64
• 第六章 实验与结果分析64-68
• 6.1 实验系统64-66
• 6.1.1 实验装置64-65
• 6.1.2 实验方法65-66
• 6.2 实验结果66-68
• 6.2.1 稳定的直流输出电压66
• 6.2.2 SPWM波形及负载两端等效电压66-67
• 6.2.3 实验分析67-68
• 第七章 结论与展望68-70
• 7.1 主要结论68
• 7.2 今后工作展望68-70
• 附录1 测控电路原理图70-71
• 附录2 部分程序源代码71-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文80

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