黑龍江大學本科生黑龍江大學本科生 畢業(yè)論文（設計）檔案畢業(yè)論文（設計）檔案 編碼：編碼：jx21-045-080602-20063613jx21-045-080602-20063613 學院：電子工程學院學院：電子工程學院 專業(yè)：自動化專業(yè)：自動化 年級：年級：20062006 學生姓名：學生姓名： 畢業(yè)論文題目：小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研畢業(yè)論文題目：小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研 究究 指導教師：指導教師： 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 風能作為一種清潔的可再生能源越來越受到人們的重視，風力發(fā)電也逐漸成為了 時下的朝陽產業(yè)。本論文詳細闡明了小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)的設計方案，對風力發(fā)電 機組的結構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，風力發(fā)電機組帶動三相交流發(fā)電機，然后通過 ACDC AC 變換為用戶需要的標準交流電，并且考慮到風力的不穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中并入蓄電池 組，通過控制電路的監(jiān)控實現系統(tǒng)的控制，保證系統(tǒng)在風能充足時可蓄能，在風能不 充足時亦可為負載供電。系統(tǒng)的運行狀況采用繼電控制電路監(jiān)控和切換。 本論文的重點在于繼點控制電路的設計，并對各種不同風力情況下系統(tǒng)的運行狀 況進行了全面而嚴謹的分析，最后電氣控制部分進行了系統(tǒng)仿真。 關鍵詞 風力發(fā)電機組；整流逆變；繼電控制 ii Abstract 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 system, 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 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, 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 風力發(fā)電概述1 1.1.1 風力發(fā)電現狀與展望1 1.1.2 風力發(fā)電的原理和特點2 1.2 論文系統(tǒng)概述3 第二章 風力機原理及其結構4 2.1 風力機的氣動原理4 2.2 風力機的主要部件4 2.3 風力機的功率5 第三章 電氣設計部分6 3.1 發(fā)電機6 3.1.1 發(fā)電機結構、工作原理及電路圖6 3.1.2 勵磁調節(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 的驅動電路.14 第四章 系統(tǒng)整體運行分析及仿真17 4.1 系統(tǒng)分析.17 4.2 邏輯說明.18 iv 4.3 系統(tǒng)仿真.21 結論24 致謝26 參考文獻25 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 1 第一章 緒論 風能是一種清潔的、儲量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質燃 料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會隨著其本身的轉化和利用而減少，因此 可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。而礦物質燃料儲量有限，正在日趨減少， 況且其帶來的嚴重的污染問題和溫室效應正越來越困擾著人們。因此風力發(fā)電正越來 越引起人們的關注。1 1.1 風力發(fā)電概述 1.1.1 風力發(fā)電現狀與展望 全球風能資源極為豐富，技術上可以利用的資源總量估計約 53106 億 kWh /年。 作為可再生的清潔能源，受到世界各國的高度重視。近 20 年來風電技術有了巨大的進 步，發(fā)展速度驚人。而風能售價也已能為電力用戶所承受：一些美國的電力公司提供 給客戶的風電優(yōu)惠售價已達到 22.5 美分/kWh，此售價使得美國家庭有 25%的電力可 以通過購買風電獲得。 2004 年歐洲風能協(xié)會和綠色和平組織簽署了風力 12關于 2020 年風電達到 世界電力總量的 12%的藍圖的報告， “風力 12%”的藍圖展示出風力發(fā)電已經成為解 決世界能源問題的不可或缺的重要力量。按照風電目前的發(fā)展趨勢，預計 20082012 年期間裝機容量增長率為 20%，以后到 2015 年期間為 15%，20172020 年期間為 10%。其推算的結果 2010 年風電裝機 1.98 億 KW，風電電量 0.43104 億 kWh，2020 年風電裝機 12.45 億 KW，風電電量 3.05104 億 kWh，占當時世界總電消費量 25.58104 億 kWh 的 11.9%。2 世界風電發(fā)展有如下特點： （1）風電單機容量不斷擴大。風電機組的技術沿著增大單機容量、提高轉換效率 的方向發(fā)展。風機的單機容量已從 600KW 發(fā)展到 20005000KW,如德國在北海和易北 河口已批量安裝了單機 5000KW 的風機,丹麥已批量建設了單機容量 20002200KW 的風 機。新的風電機組葉片設計和制造廣泛采用了新技術和新材料，有效地改善并提高了 風力發(fā)電總體設計能力和水平。另外,可變槳翼和雙饋電機的采用,使機組更能適應風 速的變化, 大大提高了效率。最近,又發(fā)展了無齒風機等,進一步提高了安全性和效率。 （2）風電制造企業(yè)集中度較高。目前，主要風電設備制造企業(yè)集中在歐美國家， 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 2 全世界風電機組供應商的前 10 位供應了世界新增裝機容量的 90% 以上的份額，集中 度比較高。近來，GE 風能（GE Wind Energy） 、德國 REpower（REpower Systems AG） 和三菱重工（MHI）的市場份額提高迅速。 （3）風電電價快速下降。由于新技術的運用，風電的電價呈快速下降趨勢，且日 益接近燃煤發(fā)電的成本。以美國為例，風電機組的造價和發(fā)電成本正逐年降低，達到 可與常規(guī)發(fā)電設備不相上下的水平。有關專家預測，世界風力發(fā)電能力每增加一倍， 成本就下降 15%。 中國的風能資源十分豐富。根據全國 900 多個氣象站的觀測資料進行估計，中國 陸地風能資源總儲量約 32.26 億 KW，其中可開發(fā)的風能儲量為 2.53 億 KW，而海上的 風能儲量有 7.5 億 KW，總計為 10 億 KW。我國的風電開發(fā)起步較晚，大體分為三個階 段。 第一階段是 19861990 年我國并網風電項目的探索和示范階段。其特點是項目規(guī) 模小，單機容量小，最大單機 200KW，總裝機容量 4.2 千 KW。 第二階段是 19911995 年示范項目取得成效并逐步推廣階段。共建 5 個風電場， 安裝風機 131 臺，裝機容量 3.3 萬 KW，最大單機 500KW。 第三階段是 1996 年后擴大建設規(guī)模階段。其特點是項目規(guī)模和裝機容量較大，發(fā) 展速度較快，平均年新增裝機容量 6.18 萬 KW，最大單機容量達到 1300KW。 隨著風電技術的日趨成熟和電力規(guī)模的擴大，風力發(fā)電機的功率在向大型化方向 發(fā)展。風力發(fā)電這一朝陽產業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來能源供給的支柱產業(yè)！ 1.1.2 風力發(fā)電的原理和特點 風力發(fā)電是利用風能來發(fā)電，而風力發(fā)電機組是將風能轉化為電能的機械。風輪 是風電機組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動力外形，在氣流的 作用下能產生空氣動力是風輪旋轉，將風能轉化為機械能，再通過齒輪箱增速驅動發(fā) 電機，將機械能轉化電能。然后在依據具體要求需要，通過適當的變換將其存儲為化 學能或者并網或者直接為負載供電。3 風力發(fā)電有如下特點 （1）可再生，且清潔無污染。 （2）風速隨時變化，風電機組承受著十分惡劣的交變載荷。 （3）風電的不穩(wěn)定性會給電網或負載帶來一定的沖擊影響。 風力發(fā)電的運行方式主要有兩種：一 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 3 類是獨立運行的供電系統(tǒng)，即在電網未通達的地區(qū)，用小型發(fā)電機組為蓄電池充電， 再通過逆變器轉換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規(guī)電網的電源，與電網 并聯運行。 本論文討論的是前者，即獨立運行風電系統(tǒng)的解決方案。 1.2 論文系統(tǒng)概述 該獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖如下 11 所示： 圖 1-1 獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖 其具體運行狀況為： （1）風力吹動風輪轉動。 （2）風力發(fā)電機組通過連接的齒輪變速箱來提高輸出端轉軸的轉速，該軸與發(fā)電 機相連。 （3）轉軸帶動三相交流發(fā)電機（三相 Y 型連接）轉動，開始發(fā)電。 （此時發(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整流器變成穩(wěn)定的直流電。 （5）a.若風能充足，直流電經控制電路流向逆變器，并向蓄電池充電； b.若風能不足，控制電路切換為蓄電池供電狀態(tài)。 （6）直流電經逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電。此時即可實現為負載供電。 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 4 第二章 風力機原理及其結構 風力機經過多年的發(fā)展和演變，已經有很多形式，但是歸納起來，可分為兩類： 水平軸風力機，風倫的旋轉轉軸與風向平行；垂直軸風力機，風輪的旋轉軸垂直 與地面或氣流方向。本系統(tǒng)中采用的是水平軸風力機。 2.1 風力機的氣動原理 風力發(fā)電機組主要利用氣動升力的風輪。氣動升力是由飛行器的機翼產生的一種 力，如圖 2-1。 圖 2-1 氣動升力圖 從圖可以看出，機翼翼型運動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)，產生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產生升力的同時也產 生阻力，風速也會有所下降。升力總是推動葉片繞中心軸轉動。4 2.2 風力機的主要部件 水平軸風力機主要由風輪、塔架、對風裝置、齒輪箱組 成，整體結構如圖 22 所示：5 （1）風輪：由 13 個葉片組成，這是吸收風能的主要 部件。當風輪旋轉時，葉片受到離心力和氣動力的作用，離 心力對葉片是一個拉力，而氣動力使葉片彎曲。當風速高于 風力機的設計風速時，為防止葉片損壞，需對風輪進行控制， 控制風輪有三種方法：a，使風輪偏離主方向；b，改變葉片 角度；利用擾流器，產生阻力，以降低風輪轉速。 （2）塔架：為了讓風輪能在較高的風速中運行，需要 塔架把風輪支撐起來。這時塔架需要承受兩個主要的載荷： 一個是風力機的重力，向下壓在塔架上；另一個是阻力，使 圖 2-2 風力主要部件結 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 5 構圖 塔架向風的下游方向彎曲。選擇塔架時要必須考慮其成本，根據實際情況而定。 （3）對風裝置：自然界的風向及風速一直變化，為了得到較高的風能利用率，應 使風能的旋轉面經常對準風向為此需要對風裝置。本論文只介紹小型風力機的對風裝 置，如圖 24 所示，利用尾舵控制對風。由尾翼帶東水平軸旋轉，是風輪總朝向風吹 來的方向。 圖 2-4 對風裝置 （4）齒輪箱 由于風輪的轉速比較低，而且風力的大小經常變化著，這又使得轉速不穩(wěn)定。所 以，在帶動發(fā)電機之前，還必須附加一個齒輪箱，再加一個調速裝置使得轉速保持穩(wěn) 定，然后在連接到發(fā)電機上。齒輪箱的主要作用是將風輪在風力作用下所產生的動力 傳遞給發(fā)電機，通過齒輪副的增速作用使其得到相應的轉速。在裝機是應使其與輪轂 相連。為了增加齒輪箱的制動能力，在齒輪箱的輸入端或輸出端設置剎車裝置配合葉 尖制動裝置實現聯合制動。6 2.3 風力機的功率 風的動能和風速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風輪功率的計 算。風力與速度平方成正比，所以風的功率與風度的三次方成正比。如果風速增加一 倍，風的功率便會增加 8 倍。 風輪從風中吸收的功率如下： (21) 3 p PC A v (22) 2 AR 式中：P 為輸出功率，為風輪機的功率系數， 為空氣密度，R 為風輪半徑， p C v 為風速。 眾所周知，如果接近風力機的空氣全部動能都被風力機全部吸收，那么風輪后的 空氣就不動了，然而空氣當然不能完全停止，所以風力機的效率總是小于 1。 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 6 第三章 電氣設計部分 3.1 發(fā)電機 在本論文討論的獨立風力發(fā)電系統(tǒng)中，采用的是硅整流自勵三相交流發(fā)電機。 （整 流部分將在下一節(jié)作詳細介紹） 3.1.1 發(fā)電機結構、工作原理及電路圖 本論文提出的系統(tǒng)采用蓄電池組為勵磁功供電，并在蓄電池組合勵磁繞組之間串 聯勵磁調節(jié)器。其電路圖如圖 31 所示。發(fā)電機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，放在定子鐵芯內圓槽內。轉子由轉子鐵芯、轉子繞組 （即勵磁繞組）和轉子軸組成，轉子鐵芯可做成凸極式或形，一般都用爪形磁極，轉 子勵磁繞組的兩端接到滑環(huán)上，通過與滑環(huán)接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連， 從而獲得直流勵磁電流。7 圖 3-1 串聯勵磁調節(jié)器 獨立運行的小型風電機組的風力機葉片多數是固定槳距的，當風力變化時風力機 轉速隨之變化，與風力機相連的發(fā)電機的轉速也隨之變化，因而發(fā)電機的出口電壓也 會產生波動，這將導致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機勵磁電流的變化，并造成勵 磁磁場的變化，這樣又造成發(fā)電機出口電壓的波動。這種連鎖反應是的發(fā)電機的出口 電壓的波動范圍不斷增加。顯而易見，如果電壓的波動得不到控制，在向負載供電的 情況下，將會影響供電質量，甚至損壞用電設備。此外獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)都帶 有蓄電池組，電壓的波動會導致蓄電池組的過充電，從而降低蓄電池組的使用壽命。 為了消除發(fā)電機輸出端電壓的波動，該硅整流交流發(fā)電機配有勵磁調節(jié)器，如圖 所示，勵磁調節(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 斷觸電 V1、I1 和動合觸電 I2 以及電阻 R2 等組成。 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 7 3.1.2 勵磁調節(jié)器的工作原理 勵磁調節(jié)器的作用是使發(fā)電機能自動調節(jié)其勵磁電流（即勵磁磁通）的大小，來 抵消因風速變化而導致的發(fā)電機轉速變化對發(fā)電機端電壓的影響。8 當發(fā)電機轉速較低，發(fā)電機端電壓低于額定值時，電壓繼電器 V1 不動作，其動斷 觸點 V1 閉合，硅整流器輸出端電壓直接施加在勵磁繞組上，發(fā)電機屬于正常勵磁狀態(tài)； 當風速加大，發(fā)電機轉速增高，發(fā)電機端電壓高于額定電壓時，動斷觸電 V1 斷開，勵 磁回路中被串入了電阻 R2，勵磁電流及磁通隨之減小，發(fā)電機輸出端電壓隨之下降； 當發(fā)電機電壓降至額定值時，觸點 V1 重新閉合，發(fā)電機恢復到正常勵磁狀態(tài)。電壓繼 電器工作時發(fā)電機端電壓與發(fā)電機轉速的關系如圖 32 所示。 圖 3-2 發(fā)電機端電壓與發(fā)電機轉速的關系 風力發(fā)電機組運行時，當用戶投入的負載過多時，可能出現負載電流過大超過額 定值的狀況，如果不加以控制，使發(fā)電機過負荷運行，會對發(fā)電機的使用壽命有較大 的影響，甚至損壞發(fā)電機的定子繞組。電流繼電器的作用是為了抑制發(fā)電機過負荷運 行。電流繼電器 I1 的動斷觸點 I1 串接在發(fā)電機的勵磁回路中，發(fā)電機輸出的負荷電 流則通過電流繼電器的繞組；當發(fā)電機的輸出電流低于額定值時，繼電器不工作，動 斷觸點 I1 閉合，發(fā)電機屬于正常勵磁狀態(tài)；當發(fā)電機輸出電流高于額定值時，動斷觸 點 I1 斷開，電阻 R2 被串入勵磁回路，勵磁電流減小，從而降低了發(fā)電機輸出端的電 壓，并減小了負載電流。電流繼電器工作時，發(fā)電機負載電流與發(fā)電機轉速的關系如 圖 33 所示。 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 8 圖 3-3 發(fā)電機負載電流與發(fā)電機轉速的關系 為了防止無風或風速太低時，蓄電池組向發(fā)電機勵磁繞組送電，及蓄電池組由充 電運行變?yōu)榉错懛烹姞顟B(tài)，這不僅會消耗蓄電池組所儲電能，還可能燒毀勵磁繞組， 因此在勵磁調節(jié)器裝置內，還裝有逆流繼電器 I2。發(fā)電機正常工作時，逆流繼電器的 電壓線圈及電流線圈內流過的電流產生的吸力是動合觸點 I2 閉合；當風速太低，發(fā)電 機端電壓低于蓄電池組電壓時，繼電器電流線圈瞬間流過反向電流，此電流產生的磁 場與電壓線圈內流過的電流產生的磁場作用相反，而電壓線圈內流過的電流由于發(fā)電 機電壓下降也減小了，由其產生的磁場也減弱了，故由電壓線圈及電流線圈內電流所 產生的總磁場的吸力減弱，是的動合觸點 I2 斷開，從而斷開了蓄電池想發(fā)電機勵磁繞 組送電的回路。 采用勵磁調節(jié)器的硅整流交流發(fā)電機，與永磁發(fā)電機比較，其特點是能隨風速變 化自動調節(jié)輸出端電壓，防止產生對蓄電池組過充電，延長蓄電池組的使用壽命；同 時還實現了對發(fā)電機的過負荷保護，但由于勵磁調節(jié)器的動斷、動合觸點動作頻繁， 需對出頭材質及斷弧性能做適當的處理。而且用該交流發(fā)電機進行發(fā)電時，發(fā)電機的 轉速必須達到在該轉速下的電壓時才能對蓄電池組充電。 3.2 整流部分 由于自然界風力的不穩(wěn)定性，交流發(fā)電機輸出的是不穩(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，因此必須進行 ACDCAC 變換，即先經過整流變成直流電，之后在經過你變電路將之變成標準的交 流電。如果電能足夠充足的話或者空載時還可以將多余的直流電儲存在蓄電池組內。 3.2.1 電路圖和工作原理 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。 小型獨立運行風力發(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，習慣將陰極連接在一起的 3 個二極管 （VD1、VD3、VD5）稱為共陰極組；陽極連在一起的 3 個二極管（VD2、VD4、VD6）稱 為共陽極組。此外，習慣上希望二極管按照從 16 的順序導通，為此將二極管按照圖 示順序編號，按此編號，二極管的導通順序為 VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。 該電路中，對于共陰極組的 3 個二極管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。 而對于共陽極組的 3 個二極管，則是陰極所接交流電壓值最低的導通。這樣任意時刻 共陰極組與共陽極組中各有一個二極管處于導通狀態(tài)，施加于負載（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，共陰極組二極管導通時，整流輸出電壓為相電壓再正半周的 1d U 包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓為相電壓在負半周的包絡線?？偟恼?2d U 輸出電壓是兩條包絡線見的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電 12ddd UUU 壓在正半周的包絡線。9 為了說明各二級管的工作情況，將波形中的一個周期分為 6 個階段，每段為 60， 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 10 每一段中導通的二極管及輸出整流電壓的情況如表 31 所示。該表可見，6 個二極管 的導通順序依次為 VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。 表 31 時段 共陰極組 導通二極管 VD1VD1VD3VD3VD5VD5 共陽極組 導通二極管 VD6VD2VD2VD4VD4VD6 整流輸出電壓 Ua-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb 3.2.2 參數選擇 由于風力發(fā)電機組的輸出電壓與輸出電流是會隨著風速的波動而發(fā)生很大變化的。 如果整流管的參數選擇不當，將使元件遭到破壞。 整流管的參數應根據其在電路中可能承受的最大正、反向峰值電壓和流過的最大 工作電流來選擇。假設 100W 風力發(fā)電機組的輸出電壓經過整流后，負荷的額定直流電 壓 Uz0=24V，帶負荷運行時的最高電壓，最大負載電流，依式 4 28 zm UV 0 4.6 z IA 1 所示計算出，元件承受的最大正、反向峰值電壓為 （31）1.051.05 2829.4( ) mzm UUV 元件流過的最大電流為 （32） 0 0.5870.587 4.62.7( ) mz IIA 由上式計算結果，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，經常會出現操作過電壓獲換向過電壓。為了防止過電壓破壞元件， 通常在整流回路的直流側接入阻容過電壓保護。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 為風力發(fā)電機輸出 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 在獨立運行的小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛使用蓄電池組作為蓄能裝置，蓄電池組 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 11 的作用是當風力較強或用電負荷減小時，可以將來自風力發(fā)電機發(fā)出的電能中的一部 分儲存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電；當風力較弱、無風或者用電負荷增大時， 儲存在蓄電池中的電能向負荷供電，以彌補風力發(fā)電的不足，達到維持向負荷持續(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勢約為 2V，將多個單格蓄電池串聯組成蓄電池組，可獲得不 同的蓄電池組電動勢。本論文采用 12 節(jié)鉛蓄電池串聯，組成 24V 的蓄電池組。當外電 路閉合時，蓄電池組正負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 放電的過程中，端電壓是不相等的，充電時端電壓高于電動勢，放電時端電壓低于其 電動勢。這是由于蓄電池組存在內阻的原因所致。 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，其具體參數將在實際應用中再做具體分析。 蓄電池經過多次充放電后，其容量會降低，當蓄電池的容量敬愛那個地道其額定 值的 80%以下時，就再不能使用了，也就是說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。圖中縱坐標為蓄電池充、放電端電壓， 曲線標號數字為相應小時的充、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，如果充電電壓過高，將會嚴重損壞用戶的電器；若放 電電壓過低（放電電流太大或放電時間過長） ，不僅影響到用戶電器的正常使用，而且 會縮短蓄電池的使用壽命。充放電控制器可防止蓄電池的過充與過放。 3.3.2 充放電保護電路 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 12 該控制器由電壓繼電器 V2、V3 和它們所控制的動開觸點 V2、動合觸點 V3 構成。 其電路如圖 38 所示。下面以本論文 24V 額定電壓為例，負荷最高充電電壓限制在 2829V,最低放電電壓控制在 2122V。 圖 3-8 充放電保護電路 充電時，當蓄電池電壓低于 29V 時，繼電器 V2 不工作，觸點 V2 閉合，保持充電 狀態(tài)；當該電壓高于 29V 時，繼電器 V2 開始工作，繼而控制動斷觸點 V2 斷開，切斷 充電電路。 放電時，當蓄電池電壓高于 21V 時，繼電器 V3 工作，其控制的動合觸點 V3 閉合， 保持放電狀態(tài)；當該電壓低于 21V 時，繼電器 V3 停止工作，其控制的動合觸點 V3 斷 開，從而斷開了放電電路。11 3.3.3 蓄電池組供電控制設計 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，為負載供電， 其通斷狀態(tài)用動合觸點 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， 作為風能不足時負載的供電電路，其通斷狀態(tài)用動開觸點 I2 控制。 圖 3-9 蓄電池組供電控制電路 當風力充足，發(fā)電機正常工作時，逆流繼電器的電壓線圈和電流線圈內流過的電 流產生的磁力使動合觸點 I2 閉合，風電向負載供電，同時向蓄電池充電；當風力不足， 發(fā)電機轉速太低時，逆流繼電器產生的磁力消失，此時動開觸點 I2 閉合，同時動合觸 點 I2 斷開，此時即切換成蓄電池組向負載供電。 3.4 逆變電路 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 13 在獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)中，用戶負荷主要是使用交流電。由于前述原因風力 發(fā)電機發(fā)出的電能，再系統(tǒng)中已經過整流環(huán)節(jié)，變成了直流電。因此必須再經過逆變， 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 實現將直流電變成交流電。本論文討論的小型風力發(fā)電系統(tǒng)采用的是三相橋式逆變器。 該逆變器采用 IGBT 作為開關器件。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導電方式，即每個橋臂的導電角度為 180， 同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差 120。 這樣在任意一瞬間，將有三個橋臂同時導通?？赡苁巧厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能 是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進 行的，因此也被稱為縱向換流。 下面來分析三相橋式逆變器的工作波形。對于 U 相輸出來說，當橋臂 1 導通時， ,當橋臂 4 導通時，。因此，的波形是幅值為的矩 / 2 UN uUd / 2 UN uUd UN u / 2Ud 形波。V、W 兩相的情況和 U 類似，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 小型獨立運行風力發(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 是依照上式畫出的波形。 UV u 設負載重點 N 與直流電源假想中點 N之間的電壓為，則負載各相的相電壓 NN u 分別為： （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 設負載為三相對稱負載，則有，故可得 0 UNVNWN uuu （313） () 3 UNVNWN NN uuu u 小型獨立運行風力發(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 120。 UN u 在上述 180導電方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時 導通而引起直流側短路，要采取“先斷后通”的方法。即先給應關斷的器件關斷信 號，待其關斷后留一定的時間裕量，然后再給應開通的器件發(fā)出開通信號，即在兩 者之間留一個短暫的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短要視器件的開關速度而定，器件的 開關速度越快，所留的死區(qū)時間就越短。這一“先斷后通”的方法對于工作在上下 橋臂通斷互補方式下的其他電路也是適用的。 3.4.2 IGBT 的驅動電路 驅動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)，對整個裝 置的性能有很大影響。采用性能良好的驅動電路，可使電力電子器件工作在較理想的 狀態(tài)， ，縮短開關時間，減少開關損耗，對裝置的運行效率?？煽啃院桶踩远加兄匾?的意義。 簡言之，驅動電路的基本任務，就是按照控制目標的要求，將單片機輸出的脈沖 進行功率放大,轉換為加在 IGBT 控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號， 從而驅動 IGBT，保證其可靠工作。對 IGBT 驅動電路的基本要求如下： （1） 提供適當的正向和反向輸出電壓,使 IGBT 可靠的開通和關斷。 （2） 提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流,使 IGBT 能迅速建立柵控電場而導通。 （3） 盡可能小的輸入輸出延遲時間,以提高工作效率。 （4） 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能,使信號電路與柵極驅動電路絕緣。 （5） 具有靈敏的過流保護能力。 目前，在 IGBT 的柵極驅動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： 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 16 圖 3-12 EX840/EX841 集成電路接線方法 使用時注意如下幾點： （1） IGBT 柵-射極驅動回路往返接線不能太長(一般應該小于 1m),并且應該 采用雙絞線接法,防止干擾。 （2） 由于 IGBT 集電極產生較大的電壓尖脈沖,增加 IGBT 柵極串聯電阻 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,則開通 關斷時間延長,使得開通能耗增加；相反,如果 RG 太小,則使得 di/dt 增加,容易產 生誤導通。 （3） 圖中電容 C 用來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 腳過電流保護取樣信號連接端,通過快恢復二極管接 IGBT 集電極.。 （5）14、15 接驅動信號,一般 14 腳接脈沖形成部分的地,15 腳接輸入信號的 正端,15 端的輸入電流一般應該小于 20mA,故在 15 腳前加限流電阻。 （6） 為了保證可靠的關斷與導通,在柵射極加穩(wěn)壓二極管。 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 17 第四章 系統(tǒng)整體運行分析及仿真 4.1 系統(tǒng)分析 下面對整個風力發(fā)電系統(tǒng)進行系統(tǒng)的分析，其總電路圖如下所示： 圖 4-1 風力發(fā)電系統(tǒng)總電路圖 風吹動風輪轉動，轉軸通過齒輪箱升高轉速，齒輪箱的輸出端連接三相交流發(fā)電 機的勵磁繞組，勵磁繞組的勵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，電壓為 24V。 若此時風力過強，導致發(fā)電機輸出端電壓過大（高于 30V） ，電壓繼電器 V1 動作， 其控制的動斷觸點 V1 斷開，此時勵磁回路中即串入電阻 R2，勵磁電流減小，繼而降 低輸出端電壓；當風力不足時，發(fā)電機輸出端電壓較低（低于 24V） ，此時既無法向負 載正常供電，也會導致蓄電池組向電機反充電，一旦反充電，電流繼電器 I2 內的電流 方向改變，停止工作，其控制的兩個動合觸點 I2 斷開，從而斷開了向負載和蓄電池供 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 18 電回路，同時動開觸點 I2 閉合，切換為蓄電池組供電回路。 若負載過多，導致負載電流過大時（高于 20A） ，電流繼電器 I1 即開始動作，其 控制的動開觸點 I1 斷開，此時勵磁回路串入電阻 R2，勵磁電流減小，從而降低了發(fā) 電機輸出端電壓，并減小了負載電流。 向蓄電池組充電時，若蓄電池組電壓達到上限值時（29V） ，電壓繼電器 V2 開始工 作，其控制的動開觸點 V2 斷開，從而切斷了充電回路。當低于上限值時，V2 重新閉 合，恢復充電狀態(tài)。 當蓄電池組放電時，若蓄電池組電壓達到下限值時（21V） ，電壓繼電器 V2 停止工 作，其控制的動合觸點斷開，從而切斷了放電回路。當高于下限值時，V3 重新閉合， 恢復放電狀態(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)律的驅動信號，通 過驅動電路的功率放大，轉換成 IGBT 的開通或關斷的信號，IGBT 有規(guī)律的開通或關 斷將直流電轉換為恒頻交流電（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點引出線即為零線。U、V、W 任意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。此時即完成了將風能轉換為戶用交流電的 全部過程。 4.2 邏輯說明 為了更好的說明系統(tǒng)運行方案，作者采用了邏輯編程的形式來闡述之： （1）風力正常 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 19 （2）風力過強 （3）負載電流過大 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 20 （4）電池組過充 （5）風力不足且電池組未過放 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 21 （6）風力不足且電池組已過放 4.3 系統(tǒng)仿真 作者采用了 MATLAB 仿真軟件，對所設計的系統(tǒng)電氣部分進行了仿真。在仿真環(huán)境 下模擬了實際電路，其電路圖如下所示： 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 22 圖 4-2 MATLAB 仿真搭接電路圖 整流側輸出波形如下所示: 圖 4-3 整流側輸出波形 當風力正常時候，觸點 I2、I2、V1、I1 均為閉合狀態(tài)，I2斷開，負載（逆 變器）端的電壓波形如下所示： 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 23 圖 4-4 負載端的電壓波形 勵磁繞組的電流波形如下所示： 圖 4-5 勵磁繞組的電流波形 當風力較大或者負載電流較大時，觸點 V1 或 I1 斷開，此時勵磁繞組串入電阻， 勵磁的電流波形為： 圖 4-5 勵磁繞組串入電阻電流波形 可見其電流有所降低。 當風力較弱時，I2、I2斷開，I2閉合，蓄電池組供電，負載電壓波形為： 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 24 圖 4-6 蓄電池組供電負載電壓波形 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 25 結論 本論文研究了小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)的構成及其運行狀況，提出了系統(tǒng)構成 的具體解決方案。論文的重點在于電氣設計部分，因此作者對電氣設計各部分進行了 具體的論證分析，用 OMRON 編程軟件對系統(tǒng)進行了邏輯電路的設計及仿真，證明電路 的邏輯性正確無誤，做到了按照作者的設計要求切換電路。然后用 MATLAB 對整個實際 電路進行了詳細的仿真，結果表明，在接入仿真三相交流電的情況下，各個輸出端的 輸出達到了預期的要求，證明了方案的切實可行和正確無誤。將該電氣設計接入風機 組和逆變電路之間，即可實現將風能轉化為標準戶用型 50HZ 交流電。 本系統(tǒng)采用繼電控制系統(tǒng)，可實現在完全的自動化，無需人工控制，方便易行。 可用于電網未通達的偏遠地區(qū)的戶用電力供應。 小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)研究 26 參考文獻 1 吳治堅.新能源和可再生能源的利用M.北京：機械工業(yè)出版社，2006：256-289. 2 王浩民.中國風電技術發(fā)展研究報告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.風力機的理論與設計M.北京：機械工業(yè)出版社， 1987：356-384. 5 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