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1、黑龍江大學(xué)本科生黑龍江大學(xué)本科生 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）檔案畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）檔案 編碼：編碼：jx21-045-080602-20063613jx21-045-080602-20063613 學(xué)院：電子工程學(xué)院學(xué)院：電子工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化 年級(jí)：年級(jí)：20062006 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 畢業(yè)論文題目：小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研畢業(yè)論文題目：小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研 究究 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 裝訂日期：裝訂日期： 20102010 年年 5 5 月月 3030 日日 備注欄備注欄 i 摘要 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源越來(lái)越受到人們的重視，風(fēng)力發(fā)電也逐漸成為了 時(shí)下的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。

2、本論文詳細(xì)闡明了小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組的結(jié)構(gòu)和電能的變換及繼電控制電路做了深入的研究。 本文提出的解決方案為，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶動(dòng)三相交流發(fā)電機(jī)，然后通過(guò) ACDC AC 變換為用戶需要的標(biāo)準(zhǔn)交流電，并且考慮到風(fēng)力的不穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中并入蓄電池 組，通過(guò)控制電路的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，保證系統(tǒng)在風(fēng)能充足時(shí)可蓄能，在風(fēng)能不 充足時(shí)亦可為負(fù)載供電。系統(tǒng)的運(yùn)行狀況采用繼電控制電路監(jiān)控和切換。 本論文的重點(diǎn)在于繼點(diǎn)控制電路的設(shè)計(jì)，并對(duì)各種不同風(fēng)力情況下系統(tǒng)的運(yùn)行狀 況進(jìn)行了全面而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?，最后電氣控制部分進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。 關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；整流逆變；繼電控制 ii Abstr

3、act As a clean and renewable energy, Wind power has aroused more and more attention and gradually become a sunrise industry nowadays. The thesis clarifies the design of the small independent wind power generation system in detail and makes a deep research about the structure of the wind turbine syst

4、em, power transformation and the relay control circuit. In view of the author, the solution is: wind turbine generators drive three-phase AC electric generator, then the power is transformed into standard AC power through the AC- DC-AC system. And considering instability of the wind, we must install

5、 batteries in this system so that we can ensure normal power supply. The operation of the system is monitored and switched by the relay control circuit. The paper focus on the control circuit part. And make a specific analysis about the operation of the system in all different conditions. In the end

6、, the paper made simulation to support the theories. Keyword Wind Turbine System; AC-DC-AC;Relay Control Circuit. iii 目錄 摘要I ABSTRACTII 第一章 緒論1 1.1 風(fēng)力發(fā)電概述1 1.1.1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望1 1.1.2 風(fēng)力發(fā)電的原理和特點(diǎn)2 1.2 論文系統(tǒng)概述3 第二章 風(fēng)力機(jī)原理及其結(jié)構(gòu)4 2.1 風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理4 2.2 風(fēng)力機(jī)的主要部件4 2.3 風(fēng)力機(jī)的功率5 第三章 電氣設(shè)計(jì)部分6 3.1 發(fā)電機(jī)6 3.1.1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理及電路圖6

7、 3.1.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的工作原理7 3.2 整流部分8 3.2.1 電路圖和工作原理8 3.2.2 參數(shù)選擇10 3.3 蓄電池10 3.3.1 蓄電池的性能10 3.3.2 充放電保護(hù)電路11 3.4 逆變電路12 3.4.1 逆變電路及其工作原理12 3.4.2 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路.14 第四章 系統(tǒng)整體運(yùn)行分析及仿真17 4.1 系統(tǒng)分析.17 4.2 邏輯說(shuō)明.18 iv 4.3 系統(tǒng)仿真.21 結(jié)論24 致謝26 參考文獻(xiàn)25 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 1 第一章 緒論 風(fēng)能是一種清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃 料能源，如煤、石油、天然氣等不同，

8、它不會(huì)隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此 可以說(shuō)是一種取之不盡、用之不竭的能源。而礦物質(zhì)燃料儲(chǔ)量有限，正在日趨減少， 況且其帶來(lái)的嚴(yán)重的污染問(wèn)題和溫室效應(yīng)正越來(lái)越困擾著人們。因此風(fēng)力發(fā)電正越來(lái) 越引起人們的關(guān)注。1 1.1 風(fēng)力發(fā)電概述 1.1.1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望 全球風(fēng)能資源極為豐富，技術(shù)上可以利用的資源總量估計(jì)約 53106 億 kWh /年。 作為可再生的清潔能源，受到世界各國(guó)的高度重視。近 20 年來(lái)風(fēng)電技術(shù)有了巨大的進(jìn) 步，發(fā)展速度驚人。而風(fēng)能售價(jià)也已能為電力用戶所承受：一些美國(guó)的電力公司提供 給客戶的風(fēng)電優(yōu)惠售價(jià)已達(dá)到 22.5 美分/kWh，此售價(jià)使得美國(guó)家庭有 25%的電力

9、可 以通過(guò)購(gòu)買(mǎi)風(fēng)電獲得。 2004 年歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織簽署了風(fēng)力 12關(guān)于 2020 年風(fēng)電達(dá)到 世界電力總量的 12%的藍(lán)圖的報(bào)告， “風(fēng)力 12%”的藍(lán)圖展示出風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為解 決世界能源問(wèn)題的不可或缺的重要力量。按照風(fēng)電目前的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì) 20082012 年期間裝機(jī)容量增長(zhǎng)率為 20%，以后到 2015 年期間為 15%，20172020 年期間為 10%。其推算的結(jié)果 2010 年風(fēng)電裝機(jī) 1.98 億 KW，風(fēng)電電量 0.43104 億 kWh，2020 年風(fēng)電裝機(jī) 12.45 億 KW，風(fēng)電電量 3.05104 億 kWh，占當(dāng)時(shí)世界總電消費(fèi)量 25.58104 億

10、 kWh 的 11.9%。2 世界風(fēng)電發(fā)展有如下特點(diǎn)： （1）風(fēng)電單機(jī)容量不斷擴(kuò)大。風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、提高轉(zhuǎn)換效率 的方向發(fā)展。風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量已從 600KW 發(fā)展到 20005000KW,如德國(guó)在北海和易北 河口已批量安裝了單機(jī) 5000KW 的風(fēng)機(jī),丹麥已批量建設(shè)了單機(jī)容量 20002200KW 的風(fēng) 機(jī)。新的風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)和制造廣泛采用了新技術(shù)和新材料，有效地改善并提高了 風(fēng)力發(fā)電總體設(shè)計(jì)能力和水平。另外,可變槳翼和雙饋電機(jī)的采用,使機(jī)組更能適應(yīng)風(fēng) 速的變化, 大大提高了效率。最近,又發(fā)展了無(wú)齒風(fēng)機(jī)等,進(jìn)一步提高了安全性和效率。 （2）風(fēng)電制造企業(yè)集中度較高。目前，主要風(fēng)

11、電設(shè)備制造企業(yè)集中在歐美國(guó)家， 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 2 全世界風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商的前 10 位供應(yīng)了世界新增裝機(jī)容量的 90% 以上的份額，集中 度比較高。近來(lái)，GE 風(fēng)能（GE Wind Energy） 、德國(guó) REpower（REpower Systems AG） 和三菱重工（MHI）的市場(chǎng)份額提高迅速。 （3）風(fēng)電電價(jià)快速下降。由于新技術(shù)的運(yùn)用，風(fēng)電的電價(jià)呈快速下降趨勢(shì)，且日 益接近燃煤發(fā)電的成本。以美國(guó)為例，風(fēng)電機(jī)組的造價(jià)和發(fā)電成本正逐年降低，達(dá)到 可與常規(guī)發(fā)電設(shè)備不相上下的水平。有關(guān)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，世界風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍， 成本就下降 15%。 中國(guó)的風(fēng)能資源十分豐富。根據(jù)全國(guó)

12、900 多個(gè)氣象站的觀測(cè)資料進(jìn)行估計(jì)，中國(guó) 陸地風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約 32.26 億 KW，其中可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為 2.53 億 KW，而海上的 風(fēng)能儲(chǔ)量有 7.5 億 KW，總計(jì)為 10 億 KW。我國(guó)的風(fēng)電開(kāi)發(fā)起步較晚，大體分為三個(gè)階 段。 第一階段是 19861990 年我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電項(xiàng)目的探索和示范階段。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī) 模小，單機(jī)容量小，最大單機(jī) 200KW，總裝機(jī)容量 4.2 千 KW。 第二階段是 19911995 年示范項(xiàng)目取得成效并逐步推廣階段。共建 5 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)， 安裝風(fēng)機(jī) 131 臺(tái)，裝機(jī)容量 3.3 萬(wàn) KW，最大單機(jī) 500KW。 第三階段是 1996 年后擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模階段。

13、其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模和裝機(jī)容量較大，發(fā) 展速度較快，平均年新增裝機(jī)容量 6.18 萬(wàn) KW，最大單機(jī)容量達(dá)到 1300KW。 隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟和電力規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率在向大型化方向 發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電這一朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來(lái)能源供給的支柱產(chǎn)業(yè)！ 1.1.2 風(fēng)力發(fā)電的原理和特點(diǎn) 風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來(lái)發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。風(fēng)輪 是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動(dòng)力外形，在氣流的 作用下能產(chǎn)生空氣動(dòng)力是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過(guò)齒輪箱增速驅(qū)動(dòng)發(fā) 電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能。然后在依據(jù)具體要求需要，通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q將其存儲(chǔ)為化 學(xué)

14、能或者并網(wǎng)或者直接為負(fù)載供電。3 風(fēng)力發(fā)電有如下特點(diǎn) （1）可再生，且清潔無(wú)污染。 （2）風(fēng)速隨時(shí)變化，風(fēng)電機(jī)組承受著十分惡劣的交變載荷。 （3）風(fēng)電的不穩(wěn)定性會(huì)給電網(wǎng)或負(fù)載帶來(lái)一定的沖擊影響。 風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有兩種：一 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 3 類(lèi)是獨(dú)立運(yùn)行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達(dá)的地區(qū)，用小型發(fā)電機(jī)組為蓄電池充電， 再通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；另一類(lèi)是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng) 并聯(lián)運(yùn)行。 本論文討論的是前者，即獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)的解決方案。 1.2 論文系統(tǒng)概述 該獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下 11 所示： 圖 1-1 獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其具體

15、運(yùn)行狀況為： （1）風(fēng)力吹動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 （2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)連接的齒輪變速箱來(lái)提高輸出端轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，該軸與發(fā)電 機(jī)相連。 （3）轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)三相交流發(fā)電機(jī)（三相 Y 型連接）轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始發(fā)電。 （此時(shí)發(fā)出的 是頻率和幅值都不穩(wěn)定的交流電） 。 （4）引出的三相交流電通過(guò)整流器變成穩(wěn)定的直流電。 （5）a.若風(fēng)能充足，直流電經(jīng)控制電路流向逆變器，并向蓄電池充電； b.若風(fēng)能不足，控制電路切換為蓄電池供電狀態(tài)。 （6）直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電。此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電。 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 4 第二章 風(fēng)力機(jī)原理及其結(jié)構(gòu) 風(fēng)力機(jī)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和演變，已經(jīng)有很多形式，但是歸納起來(lái)，可分

16、為兩類(lèi)： 水平軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)倫的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直 與地面或氣流方向。本系統(tǒng)中采用的是水平軸風(fēng)力機(jī)。 2.1 風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要利用氣動(dòng)升力的風(fēng)輪。氣動(dòng)升力是由飛行器的機(jī)翼產(chǎn)生的一種 力，如圖 2-1。 圖 2-1 氣動(dòng)升力圖 從圖可以看出，機(jī)翼翼型運(yùn)動(dòng)的氣流方向有所變化，在其上表面形成低壓區(qū)，在 其下表面形成高壓區(qū)，產(chǎn)生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產(chǎn)生升力的同時(shí)也產(chǎn) 生阻力，風(fēng)速也會(huì)有所下降。升力總是推動(dòng)葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。4 2.2 風(fēng)力機(jī)的主要部件 水平軸風(fēng)力機(jī)主要由風(fēng)輪、塔架、對(duì)風(fēng)裝置、齒輪箱組 成，整體結(jié)構(gòu)如圖 22 所示：5 （1）風(fēng)

17、輪：由 13 個(gè)葉片組成，這是吸收風(fēng)能的主要 部件。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片受到離心力和氣動(dòng)力的作用，離 心力對(duì)葉片是一個(gè)拉力，而氣動(dòng)力使葉片彎曲。當(dāng)風(fēng)速高于 風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，為防止葉片損壞，需對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行控制， 控制風(fēng)輪有三種方法：a，使風(fēng)輪偏離主方向；b，改變?nèi)~片 角度；利用擾流器，產(chǎn)生阻力，以降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。 （2）塔架：為了讓風(fēng)輪能在較高的風(fēng)速中運(yùn)行，需要 塔架把風(fēng)輪支撐起來(lái)。這時(shí)塔架需要承受兩個(gè)主要的載荷： 一個(gè)是風(fēng)力機(jī)的重力，向下壓在塔架上；另一個(gè)是阻力，使 圖 2-2 風(fēng)力主要部件結(jié) 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 5 構(gòu)圖 塔架向風(fēng)的下游方向彎曲。選擇塔架時(shí)要必須考慮其成本，根據(jù)實(shí)際情

18、況而定。 （3）對(duì)風(fēng)裝置：自然界的風(fēng)向及風(fēng)速一直變化，為了得到較高的風(fēng)能利用率，應(yīng) 使風(fēng)能的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向?yàn)榇诵枰獙?duì)風(fēng)裝置。本論文只介紹小型風(fēng)力機(jī)的對(duì)風(fēng)裝 置，如圖 24 所示，利用尾舵控制對(duì)風(fēng)。由尾翼帶東水平軸旋轉(zhuǎn)，是風(fēng)輪總朝向風(fēng)吹 來(lái)的方向。 圖 2-4 對(duì)風(fēng)裝置 （4）齒輪箱 由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風(fēng)力的大小經(jīng)常變化著，這又使得轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。所 以，在帶動(dòng)發(fā)電機(jī)之前，還必須附加一個(gè)齒輪箱，再加一個(gè)調(diào)速裝置使得轉(zhuǎn)速保持穩(wěn) 定，然后在連接到發(fā)電機(jī)上。齒輪箱的主要作用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力 傳遞給發(fā)電機(jī)，通過(guò)齒輪副的增速作用使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。在裝機(jī)是應(yīng)使其與輪轂 相連。為了增

19、加齒輪箱的制動(dòng)能力，在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車(chē)裝置配合葉 尖制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)合制動(dòng)。6 2.3 風(fēng)力機(jī)的功率 風(fēng)的動(dòng)能和風(fēng)速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風(fēng)輪功率的計(jì) 算。風(fēng)力與速度平方成正比，所以風(fēng)的功率與風(fēng)度的三次方成正比。如果風(fēng)速增加一 倍，風(fēng)的功率便會(huì)增加 8 倍。 風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率如下： (21) 3 p PC A v (22) 2 AR 式中：P 為輸出功率，為風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)， 為空氣密度，R 為風(fēng)輪半徑， p C v 為風(fēng)速。 眾所周知，如果接近風(fēng)力機(jī)的空氣全部動(dòng)能都被風(fēng)力機(jī)全部吸收，那么風(fēng)輪后的 空氣就不動(dòng)了，然而空氣當(dāng)然不能完全停止，所以風(fēng)力機(jī)的效率總

20、是小于 1。 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 6 第三章 電氣設(shè)計(jì)部分 3.1 發(fā)電機(jī) 在本論文討論的獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用的是硅整流自勵(lì)三相交流發(fā)電機(jī)。 （整 流部分將在下一節(jié)作詳細(xì)介紹） 3.1.1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理及電路圖 本論文提出的系統(tǒng)采用蓄電池組為勵(lì)磁功供電，并在蓄電池組合勵(lì)磁繞組之間串 聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。其電路圖如圖 31 所示。發(fā)電機(jī)的定子由定子鐵心和 定子繞組組成， 定子繞組為三相，Y 型連接，放在定子鐵芯內(nèi)圓槽內(nèi)。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組 （即勵(lì)磁繞組）和轉(zhuǎn)子軸組成，轉(zhuǎn)子鐵芯可做成凸極式或形，一般都用爪形磁極，轉(zhuǎn) 子勵(lì)磁繞組的兩端接到滑環(huán)上，通過(guò)與滑環(huán)接觸的電刷與硅整流器的

21、直流輸出端相連， 從而獲得直流勵(lì)磁電流。7 圖 3-1 串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)葉片多數(shù)是固定槳距的，當(dāng)風(fēng)力變化時(shí)風(fēng)力機(jī) 轉(zhuǎn)速隨之變化，與風(fēng)力機(jī)相連的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化，因而發(fā)電機(jī)的出口電壓也 會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，這將導(dǎo)致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化，并造成勵(lì) 磁磁場(chǎng)的變化，這樣又造成發(fā)電機(jī)出口電壓的波動(dòng)。這種連鎖反應(yīng)是的發(fā)電機(jī)的出口 電壓的波動(dòng)范圍不斷增加。顯而易見(jiàn)，如果電壓的波動(dòng)得不到控制，在向負(fù)載供電的 情況下，將會(huì)影響供電質(zhì)量，甚至損壞用電設(shè)備。此外獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都帶 有蓄電池組，電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致蓄電池組的過(guò)充電，從而降低蓄電池組的使用壽命。

22、為了消除發(fā)電機(jī)輸出端電壓的波動(dòng)，該硅整流交流發(fā)電機(jī)配有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，如圖 所示，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由電壓繼電器 V1、電流繼電器 I1、逆流繼電器 I2 及其所控制的動(dòng) 斷觸電 V1、I1 和動(dòng)合觸電 I2 以及電阻 R2 等組成。 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 7 3.1.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的工作原理 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機(jī)能自動(dòng)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流（即勵(lì)磁磁通）的大小，來(lái) 抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響。8 當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機(jī)端電壓低于額定值時(shí)，電壓繼電器 V1 不動(dòng)作，其動(dòng)斷 觸點(diǎn) V1 閉合，硅整流器輸出端電壓直接施加在勵(lì)磁繞組上，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)； 當(dāng)風(fēng)速加大，

23、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，發(fā)電機(jī)端電壓高于額定電壓時(shí)，動(dòng)斷觸電 V1 斷開(kāi)，勵(lì) 磁回路中被串入了電阻 R2，勵(lì)磁電流及磁通隨之減小，發(fā)電機(jī)輸出端電壓隨之下降； 當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓降至額定值時(shí)，觸點(diǎn) V1 重新閉合，發(fā)電機(jī)恢復(fù)到正常勵(lì)磁狀態(tài)。電壓繼 電器工作時(shí)發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖 32 所示。 圖 3-2 發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)用戶投入的負(fù)載過(guò)多時(shí)，可能出現(xiàn)負(fù)載電流過(guò)大超過(guò)額 定值的狀況，如果不加以控制，使發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的使用壽命有較大 的影響，甚至損壞發(fā)電機(jī)的定子繞組。電流繼電器的作用是為了抑制發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷運(yùn) 行。電流繼電器 I1 的動(dòng)斷觸點(diǎn) I1

24、串接在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁回路中，發(fā)電機(jī)輸出的負(fù)荷電 流則通過(guò)電流繼電器的繞組；當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電流低于額定值時(shí)，繼電器不工作，動(dòng) 斷觸點(diǎn) I1 閉合，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電流高于額定值時(shí)，動(dòng)斷觸 點(diǎn) I1 斷開(kāi)，電阻 R2 被串入勵(lì)磁回路，勵(lì)磁電流減小，從而降低了發(fā)電機(jī)輸出端的電 壓，并減小了負(fù)載電流。電流繼電器工作時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如 圖 33 所示。 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 8 圖 3-3 發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系 為了防止無(wú)風(fēng)或風(fēng)速太低時(shí)，蓄電池組向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電，及蓄電池組由充 電運(yùn)行變?yōu)榉错懛烹姞顟B(tài)，這不僅會(huì)消耗蓄電池組所儲(chǔ)電能，還可能燒毀

25、勵(lì)磁繞組， 因此在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝置內(nèi)，還裝有逆流繼電器 I2。發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，逆流繼電器的 電壓線圈及電流線圈內(nèi)流過(guò)的電流產(chǎn)生的吸力是動(dòng)合觸點(diǎn) I2 閉合；當(dāng)風(fēng)速太低，發(fā)電 機(jī)端電壓低于蓄電池組電壓時(shí)，繼電器電流線圈瞬間流過(guò)反向電流，此電流產(chǎn)生的磁 場(chǎng)與電壓線圈內(nèi)流過(guò)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用相反，而電壓線圈內(nèi)流過(guò)的電流由于發(fā)電 機(jī)電壓下降也減小了，由其產(chǎn)生的磁場(chǎng)也減弱了，故由電壓線圈及電流線圈內(nèi)電流所 產(chǎn)生的總磁場(chǎng)的吸力減弱，是的動(dòng)合觸點(diǎn) I2 斷開(kāi)，從而斷開(kāi)了蓄電池想發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞 組送電的回路。 采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硅整流交流發(fā)電機(jī)，與永磁發(fā)電機(jī)比較，其特點(diǎn)是能隨風(fēng)速變 化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出端電壓，防止產(chǎn)

26、生對(duì)蓄電池組過(guò)充電，延長(zhǎng)蓄電池組的使用壽命；同 時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)的過(guò)負(fù)荷保護(hù)，但由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)斷、動(dòng)合觸點(diǎn)動(dòng)作頻繁， 需對(duì)出頭材質(zhì)及斷弧性能做適當(dāng)?shù)奶幚?。而且用該交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電時(shí)，發(fā)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速必須達(dá)到在該轉(zhuǎn)速下的電壓時(shí)才能對(duì)蓄電池組充電。 3.2 整流部分 由于自然界風(fēng)力的不穩(wěn)定性，交流發(fā)電機(jī)輸出的是不穩(wěn)定的交流電，頻率和幅值 都在不斷地變化，而用戶需要的是正常頻率（即 50HZ）的穩(wěn)定交流電，因此必須進(jìn)行 ACDCAC 變換，即先經(jīng)過(guò)整流變成直流電，之后在經(jīng)過(guò)你變電路將之變成標(biāo)準(zhǔn)的交 流電。如果電能足夠充足的話或者空載時(shí)還可以將多余的直流電儲(chǔ)存在蓄電池組內(nèi)。 3.2.1 電路圖和

27、工作原理 目前在所有的整流電路中采用最廣泛的是三相橋式全波整流電路，本系統(tǒng)亦采用 了該整流電路。 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 9 圖 3-4 三相橋式全控整流電路 其電路圖如圖 34 所示，習(xí)慣將陰極連接在一起的 3 個(gè)二極管 （VD1、VD3、VD5）稱(chēng)為共陰極組；陽(yáng)極連在一起的 3 個(gè)二極管（VD2、VD4、VD6）稱(chēng) 為共陽(yáng)極組。此外，習(xí)慣上希望二極管按照從 16 的順序?qū)?，為此將二極管按照?qǐng)D 示順序編號(hào)，按此編號(hào)，二極管的導(dǎo)通順序?yàn)?VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。 該電路中，對(duì)于共陰極組的 3 個(gè)二極管，陽(yáng)極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。 而對(duì)于共陽(yáng)極組的 3 個(gè)

28、二極管，則是陰極所接交流電壓值最低的導(dǎo)通。這樣任意時(shí)刻 共陰極組與共陽(yáng)極組中各有一個(gè)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載（或者蓄電池組） 的電壓為某一線電壓。電路工作波形如圖 35 所示。 圖 3-5 電路工作波形 從相電壓波形看，共陰極組二極管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓為相電壓再正半周的 1d U 包絡(luò)線；共陽(yáng)極組導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線。總的整流 2d U 輸出電壓是兩條包絡(luò)線見(jiàn)的差值，將其對(duì)應(yīng)到線電壓波形上，即為線電 12ddd UUU 壓在正半周的包絡(luò)線。9 為了說(shuō)明各二級(jí)管的工作情況，將波形中的一個(gè)周期分為 6 個(gè)階段，每段為 60， 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 10 每一

29、段中導(dǎo)通的二極管及輸出整流電壓的情況如表 31 所示。該表可見(jiàn)，6 個(gè)二極管 的導(dǎo)通順序依次為 VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。 表 31 時(shí)段 共陰極組 導(dǎo)通二極管 VD1VD1VD3VD3VD5VD5 共陽(yáng)極組 導(dǎo)通二極管 VD6VD2VD2VD4VD4VD6 整流輸出電壓 Ua-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb 3.2.2 參數(shù)選擇 由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓與輸出電流是會(huì)隨著風(fēng)速的波動(dòng)而發(fā)生很大變化的。 如果整流管的參數(shù)選擇不當(dāng)，將使元件遭到破壞。 整流管的參數(shù)應(yīng)根據(jù)其在電路中可能承受的最大正、反向峰

30、值電壓和流過(guò)的最大 工作電流來(lái)選擇。假設(shè) 100W 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓經(jīng)過(guò)整流后，負(fù)荷的額定直流電 壓 Uz0=24V，帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的最高電壓，最大負(fù)載電流，依式 4 28 zm UV 0 4.6 z IA 1 所示計(jì)算出，元件承受的最大正、反向峰值電壓為 （31）1.051.05 2829.4( ) mzm UUV 元件流過(guò)的最大電流為 （32） 0 0.5870.587 4.62.7( ) mz IIA 由上式計(jì)算結(jié)果，可選擇最大電流 5A，最大反向電壓 50V 的硅二極管。 在整流回路中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)操作過(guò)電壓獲換向過(guò)電壓。為了防止過(guò)電壓破壞元件， 通常在整流回路的直流側(cè)接入阻容過(guò)電壓

31、保護(hù)。電阻 R 和電容 C 的值可參照式 43 所 示方法估算，10即 （34） 10 5( ) zz RUI （35） 2 70/()CUuF 式中：為輸出的整流電壓，V；為輸出的整流電流，A；P 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出 1z U 0z I 功率，VA；為整流器入口交流線電壓，V。 2 U 3.3 蓄電池 在獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛使用蓄電池組作為蓄能裝置，蓄電池組 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 11 的作用是當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)或用電負(fù)荷減小時(shí)，可以將來(lái)自風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能中的一部 分儲(chǔ)存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電；當(dāng)風(fēng)力較弱、無(wú)風(fēng)或者用電負(fù)荷增大時(shí)， 儲(chǔ)存在蓄電池中的電能向負(fù)荷供電，以彌

32、補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的不足，達(dá)到維持向負(fù)荷持續(xù)穩(wěn) 定供電的目的。本系統(tǒng)采用的是鉛蓄電池。 3.3.1 蓄電池的性能 單格鉛蓄電池的電動(dòng)勢(shì)約為 2V，將多個(gè)單格蓄電池串聯(lián)組成蓄電池組，可獲得不 同的蓄電池組電動(dòng)勢(shì)。本論文采用 12 節(jié)鉛蓄電池串聯(lián)，組成 24V 的蓄電池組。當(dāng)外電 路閉合時(shí)，蓄電池組正負(fù)兩極間的電位差即為蓄電池組的端電壓。蓄電池組在充電和 放電的過(guò)程中，端電壓是不相等的，充電時(shí)端電壓高于電動(dòng)勢(shì)，放電時(shí)端電壓低于其 電動(dòng)勢(shì)。這是由于蓄電池組存在內(nèi)阻的原因所致。 蓄電池的容量以 Ah 表示，其端電壓隨著放電而逐漸降低，且蓄電池組存在最佳 充放電電流，其具體參數(shù)將在實(shí)際應(yīng)用中再做具體分析。 蓄電

33、池經(jīng)過(guò)多次充放電后，其容量會(huì)降低，當(dāng)蓄電池的容量敬愛(ài)那個(gè)地道其額定 值的 80%以下時(shí)，就再不能使用了，也就是說(shuō)蓄電池有一定的使用壽命。影響其壽命 的原因有很多，如充放電過(guò)度、蓄電池的電解液濃度太大或者純度降低以及在高溫環(huán) 境下使用等都會(huì)是蓄電池的性能變壞，降低蓄電池的使用壽命。 蓄電池的充放電電壓不僅直接影響蓄電池性能，也會(huì)影響用電器的壽命與安全。 圖 36、37 分別是蓄電池典型的充放電曲線。圖中縱坐標(biāo)為蓄電池充、放電端電壓， 曲線標(biāo)號(hào)數(shù)字為相應(yīng)小時(shí)的充、放電曲線。 圖 3-6 蓄電池充電曲線 圖 3-7 蓄電池放電曲線 從蓄電池充放電曲線可見(jiàn)，如果充電電壓過(guò)高，將會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞用戶的電器；若

34、放 電電壓過(guò)低（放電電流太大或放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)） ，不僅影響到用戶電器的正常使用，而且 會(huì)縮短蓄電池的使用壽命。充放電控制器可防止蓄電池的過(guò)充與過(guò)放。 3.3.2 充放電保護(hù)電路 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 12 該控制器由電壓繼電器 V2、V3 和它們所控制的動(dòng)開(kāi)觸點(diǎn) V2、動(dòng)合觸點(diǎn) V3 構(gòu)成。 其電路如圖 38 所示。下面以本論文 24V 額定電壓為例，負(fù)荷最高充電電壓限制在 2829V,最低放電電壓控制在 2122V。 圖 3-8 充放電保護(hù)電路 充電時(shí)，當(dāng)蓄電池電壓低于 29V 時(shí)，繼電器 V2 不工作，觸點(diǎn) V2 閉合，保持充電 狀態(tài)；當(dāng)該電壓高于 29V 時(shí)，繼電器 V2 開(kāi)始工作

35、，繼而控制動(dòng)斷觸點(diǎn) V2 斷開(kāi)，切斷 充電電路。 放電時(shí)，當(dāng)蓄電池電壓高于 21V 時(shí)，繼電器 V3 工作，其控制的動(dòng)合觸點(diǎn) V3 閉合， 保持放電狀態(tài)；當(dāng)該電壓低于 21V 時(shí)，繼電器 V3 停止工作，其控制的動(dòng)合觸點(diǎn) V3 斷 開(kāi)，從而斷開(kāi)了放電電路。11 3.3.3 蓄電池組供電控制設(shè)計(jì) 控制電路如下圖 39 所示，在整流輸出端引出兩線，與逆變器相接，為負(fù)載供電， 其通斷狀態(tài)用動(dòng)合觸點(diǎn) I2 控制。并且在蓄電池組的輸出端引出兩線亦與逆變器相接， 作為風(fēng)能不足時(shí)負(fù)載的供電電路，其通斷狀態(tài)用動(dòng)開(kāi)觸點(diǎn) I2 控制。 圖 3-9 蓄電池組供電控制電路 當(dāng)風(fēng)力充足，發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，逆流繼電器的電

36、壓線圈和電流線圈內(nèi)流過(guò)的電 流產(chǎn)生的磁力使動(dòng)合觸點(diǎn) I2 閉合，風(fēng)電向負(fù)載供電，同時(shí)向蓄電池充電；當(dāng)風(fēng)力不足， 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速太低時(shí)，逆流繼電器產(chǎn)生的磁力消失，此時(shí)動(dòng)開(kāi)觸點(diǎn) I2 閉合，同時(shí)動(dòng)合觸 點(diǎn) I2 斷開(kāi)，此時(shí)即切換成蓄電池組向負(fù)載供電。 3.4 逆變電路 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 13 在獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，用戶負(fù)荷主要是使用交流電。由于前述原因風(fēng)力 發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，再系統(tǒng)中已經(jīng)過(guò)整流環(huán)節(jié)，變成了直流電。因此必須再經(jīng)過(guò)逆變， 將電能變換成用戶所需要的恒頻（50HZ）及穩(wěn)壓交流電，逆變器的功能就是在系統(tǒng)中 實(shí)現(xiàn)將直流電變成交流電。本論文討論的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用的是三相橋式逆變

37、器。 該逆變器采用 IGBT 作為開(kāi)關(guān)器件。12 3.4.1 逆變電路及其工作原理 其電路原理圖如下所示。 圖 3-10 逆變電路 該逆變電路的基本工作方式也是 180導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為 180， 同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度依次相差 120。 這樣在任意一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能 是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn) 行的，因此也被稱(chēng)為縱向換流。 下面來(lái)分析三相橋式逆變器的工作波形。對(duì)于 U 相輸出來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋臂 1 導(dǎo)通時(shí)， ,當(dāng)橋臂 4 導(dǎo)通時(shí)，。因此，的波形是幅值為的矩

38、 / 2 UN uUd / 2 UN uUd UN u / 2Ud 形波。V、W 兩相的情況和 U 類(lèi)似，的波形和相同，只是相位依次差 120。 VN u WN u 、的波形如圖 311 中 a、b、c 所示。 UN u VN u WN u 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 14 圖 3-11 三相橋式逆變器的工作波形 負(fù)載線電壓、可由下式求出 UV u VW u WU u （36） UVUNVN uuu （37） VWVNWN uuu （38） WUWNUN uuu 圖 d 是依照上式畫(huà)出的波形。 UV u 設(shè)負(fù)載重點(diǎn) N 與直流電源假想中點(diǎn) N之間的電壓為，則負(fù)載各相的相電壓 NN u 分別為

39、： （39） UNUNNN uuu （310） VNVNNN uuu （311） WNWNNN uuu 把上面各式相加并整理可求得 （312） ()() 33 UNVNWNUNVNWN NN uuuuuu u 設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載，則有，故可得 0 UNVNWN uuu （313） () 3 UNVNWN NN uuu u 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 15 的波形如圖 e 所示，它也是矩形波，但其頻率為的三倍，幅值為其 NN u UN u 1/3，即為 Ud/6。 圖 f 給出了利用式 5-5 和式 5-7 繪出的的波形，、的波形形狀和 UN u UN u WN u 相同，僅相位依次相差 1

40、20。 UN u 在上述 180導(dǎo)電方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開(kāi)關(guān)器件同時(shí) 導(dǎo)通而引起直流側(cè)短路，要采取“先斷后通”的方法。即先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信 號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)開(kāi)通的器件發(fā)出開(kāi)通信號(hào)，即在兩 者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短要視器件的開(kāi)關(guān)速度而定，器件的 開(kāi)關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時(shí)間就越短。這一“先斷后通”的方法對(duì)于工作在上下 橋臂通斷互補(bǔ)方式下的其他電路也是適用的。 3.4.2 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路是主電路與控制電路之間的接口，是該逆變裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝 置的性能有很大影響。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可使電力電子器件工作在

41、較理想的 狀態(tài)， ，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減少開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率?？煽啃院桶踩远加兄匾?的意義。 簡(jiǎn)言之，驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是按照控制目標(biāo)的要求，將單片機(jī)輸出的脈沖 進(jìn)行功率放大,轉(zhuǎn)換為加在 IGBT 控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)， 從而驅(qū)動(dòng) IGBT，保證其可靠工作。對(duì) IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的基本要求如下： （1） 提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?使 IGBT 可靠的開(kāi)通和關(guān)斷。 （2） 提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時(shí)電流,使 IGBT 能迅速建立柵控電場(chǎng)而導(dǎo)通。 （3） 盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)間,以提高工作效率。 （4） 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能,使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電

42、路絕緣。 （5） 具有靈敏的過(guò)流保護(hù)能力。 目前，在 IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)電路中廣泛采用的是 EX840/EX841 集成電路。 其典型接線方法如圖 313： 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 16 圖 3-12 EX840/EX841 集成電路接線方法 使用時(shí)注意如下幾點(diǎn)： （1） IGBT 柵-射極驅(qū)動(dòng)回路往返接線不能太長(zhǎng)(一般應(yīng)該小于 1m),并且應(yīng)該 采用雙絞線接法,防止干擾。 （2） 由于 IGBT 集電極產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖,增加 IGBT 柵極串聯(lián)電阻 RG 有利于其安全工作。但是柵極電阻 RG 不能太大也不能太小,如果 RG 增大,則開(kāi)通 關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng),使得開(kāi)通能耗增加；相反,如果

43、 RG 太小,則使得 di/dt 增加,容易產(chǎn) 生誤導(dǎo)通。 （3） 圖中電容 C 用來(lái)吸收由電源連接阻抗引起的供電電壓變化,并不是電源 的供電濾波電容,一般取值為 47 F。 （4） 6 腳過(guò)電流保護(hù)取樣信號(hào)連接端,通過(guò)快恢復(fù)二極管接 IGBT 集電極.。 （5）14、15 接驅(qū)動(dòng)信號(hào),一般 14 腳接脈沖形成部分的地,15 腳接輸入信號(hào)的 正端,15 端的輸入電流一般應(yīng)該小于 20mA,故在 15 腳前加限流電阻。 （6） 為了保證可靠的關(guān)斷與導(dǎo)通,在柵射極加穩(wěn)壓二極管。 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 17 第四章 系統(tǒng)整體運(yùn)行分析及仿真 4.1 系統(tǒng)分析 下面對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的分

44、析，其總電路圖如下所示： 圖 4-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總電路圖 風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸通過(guò)齒輪箱升高轉(zhuǎn)速，齒輪箱的輸出端連接三相交流發(fā)電 機(jī)的勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流由蓄電池組提供。定子為電樞繞組，三相呈 Y 型 鏈接，輸出端與整流器相接，整流器的輸出直流電與逆變器相接，并向蓄電池組供電。 三相交流發(fā)電機(jī)額定功率為 500W，輸出電壓 28V。蓄電池組為 12 塊鉛酸蓄電池并 聯(lián)，電壓為 24V。 若此時(shí)風(fēng)力過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出端電壓過(guò)大（高于 30V） ，電壓繼電器 V1 動(dòng)作， 其控制的動(dòng)斷觸點(diǎn) V1 斷開(kāi)，此時(shí)勵(lì)磁回路中即串入電阻 R2，勵(lì)磁電流減小，繼而降 低輸出端電壓；當(dāng)風(fēng)力不足時(shí)，發(fā)

45、電機(jī)輸出端電壓較低（低于 24V） ，此時(shí)既無(wú)法向負(fù) 載正常供電，也會(huì)導(dǎo)致蓄電池組向電機(jī)反充電，一旦反充電，電流繼電器 I2 內(nèi)的電流 方向改變，停止工作，其控制的兩個(gè)動(dòng)合觸點(diǎn) I2 斷開(kāi)，從而斷開(kāi)了向負(fù)載和蓄電池供 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 18 電回路，同時(shí)動(dòng)開(kāi)觸點(diǎn) I2 閉合，切換為蓄電池組供電回路。 若負(fù)載過(guò)多，導(dǎo)致負(fù)載電流過(guò)大時(shí)（高于 20A） ，電流繼電器 I1 即開(kāi)始動(dòng)作，其 控制的動(dòng)開(kāi)觸點(diǎn) I1 斷開(kāi)，此時(shí)勵(lì)磁回路串入電阻 R2，勵(lì)磁電流減小，從而降低了發(fā) 電機(jī)輸出端電壓，并減小了負(fù)載電流。 向蓄電池組充電時(shí)，若蓄電池組電壓達(dá)到上限值時(shí)（29V） ，電壓繼電器 V2 開(kāi)始工

46、 作，其控制的動(dòng)開(kāi)觸點(diǎn) V2 斷開(kāi)，從而切斷了充電回路。當(dāng)?shù)陀谏舷拗禃r(shí)，V2 重新閉 合，恢復(fù)充電狀態(tài)。 當(dāng)蓄電池組放電時(shí)，若蓄電池組電壓達(dá)到下限值時(shí)（21V） ，電壓繼電器 V2 停止工 作，其控制的動(dòng)合觸點(diǎn)斷開(kāi)，從而切斷了放電回路。當(dāng)高于下限值時(shí)，V3 重新閉合， 恢復(fù)放電狀態(tài)。 從整流器或蓄電池組流出的直流電流向逆變器， CPU 發(fā)出有規(guī)律的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通 過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的功率放大，轉(zhuǎn)換成 IGBT 的開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)，IGBT 有規(guī)律的開(kāi)通或關(guān) 斷將直流電轉(zhuǎn)換為恒頻交流電（50HZ 的戶用型交流電） 。逆變器的引出線 U、V、W 即 為交流電的三相，途中 N點(diǎn)引出線即為零線。U、V、W 任意

47、兩相接入電器即為線電壓， 其中任意一相與 N接入電器即為相電壓。此時(shí)即完成了將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為戶用交流電的 全部過(guò)程。 4.2 邏輯說(shuō)明 為了更好的說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行方案，作者采用了邏輯編程的形式來(lái)闡述之： （1）風(fēng)力正常 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 19 （2）風(fēng)力過(guò)強(qiáng) （3）負(fù)載電流過(guò)大 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 20 （4）電池組過(guò)充 （5）風(fēng)力不足且電池組未過(guò)放 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 21 （6）風(fēng)力不足且電池組已過(guò)放 4.3 系統(tǒng)仿真 作者采用了 MATLAB 仿真軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電氣部分進(jìn)行了仿真。在仿真環(huán)境 下模擬了實(shí)際電路，其電路圖如下所示： 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究

48、 22 圖 4-2 MATLAB 仿真搭接電路圖 整流側(cè)輸出波形如下所示: 圖 4-3 整流側(cè)輸出波形 當(dāng)風(fēng)力正常時(shí)候，觸點(diǎn) I2、I2、V1、I1 均為閉合狀態(tài)，I2斷開(kāi)，負(fù)載（逆 變器）端的電壓波形如下所示： 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 23 圖 4-4 負(fù)載端的電壓波形 勵(lì)磁繞組的電流波形如下所示： 圖 4-5 勵(lì)磁繞組的電流波形 當(dāng)風(fēng)力較大或者負(fù)載電流較大時(shí)，觸點(diǎn) V1 或 I1 斷開(kāi)，此時(shí)勵(lì)磁繞組串入電阻， 勵(lì)磁的電流波形為： 圖 4-5 勵(lì)磁繞組串入電阻電流波形 可見(jiàn)其電流有所降低。 當(dāng)風(fēng)力較弱時(shí)，I2、I2斷開(kāi)，I2閉合，蓄電池組供電，負(fù)載電壓波形為： 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

49、研究 24 圖 4-6 蓄電池組供電負(fù)載電壓波形 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 25 結(jié)論 本論文研究了小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及其運(yùn)行狀況，提出了系統(tǒng)構(gòu)成 的具體解決方案。論文的重點(diǎn)在于電氣設(shè)計(jì)部分，因此作者對(duì)電氣設(shè)計(jì)各部分進(jìn)行了 具體的論證分析，用 OMRON 編程軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了邏輯電路的設(shè)計(jì)及仿真，證明電路 的邏輯性正確無(wú)誤，做到了按照作者的設(shè)計(jì)要求切換電路。然后用 MATLAB 對(duì)整個(gè)實(shí)際 電路進(jìn)行了詳細(xì)的仿真，結(jié)果表明，在接入仿真三相交流電的情況下，各個(gè)輸出端的 輸出達(dá)到了預(yù)期的要求，證明了方案的切實(shí)可行和正確無(wú)誤。將該電氣設(shè)計(jì)接入風(fēng)機(jī) 組和逆變電路之間，即可實(shí)現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為

50、標(biāo)準(zhǔn)戶用型 50HZ 交流電。 本系統(tǒng)采用繼電控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在完全的自動(dòng)化，無(wú)需人工控制，方便易行。 可用于電網(wǎng)未通達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)的戶用電力供應(yīng)。 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 26 參考文獻(xiàn) 1 吳治堅(jiān).新能源和可再生能源的利用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：256-289. 2 王浩民.中國(guó)風(fēng)電技術(shù)發(fā)展研究報(bào)告M.北京:水里水電出版社，2009:24-51. 3 Les&Jane oke.Home made wind generator J.Electrical.2008.5 4 (法）勒古里雷斯著，施鵬飛譯.風(fēng)力機(jī)的理論與設(shè)計(jì)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1987：356-384. 5

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52、51. 12 曲學(xué)基,曲敬凱,于明揚(yáng).逆變技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社，2007:195-221. 13 Yang.H.T, Wang.C.Y.A. New method for detection of wind power generation systems J.Power Tech.2005.8. 14 Walker J, Jenkins N. Wind Energy Technology M. Manchester: John Wiley Sons, Inc.1997 15 Advanced Wind Energy Systems. Workshop Proceedings

53、, Stockholm, August, 2004. Vole II 小型獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究 27 致謝 在論文完成之際，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師張鵬老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。 在我撰寫(xiě)論文的過(guò)程中，張老師傾注了大量的心血和汗水，無(wú)論是在論文的選題、構(gòu) 思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了張老師 悉心細(xì)致的教誨和無(wú)私的幫助，特別是他廣博的學(xué)識(shí)、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué) 精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我終生受益，在此表示真誠(chéng)地感謝和深深的謝意。 在論文的設(shè)計(jì)過(guò)程中還得到了身邊同學(xué)們的不少幫助，在這里一并表示感謝。 最后，向在百忙中抽出時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行評(píng)審并提出寶貴意見(jiàn)的各位老師表示衷心 地，真誠(chéng)的感謝！