摘 要風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源越來越受到人們的重視，風(fēng)力發(fā)電也逐漸成為了時(shí)下的朝陽產(chǎn)業(yè)。本論文詳細(xì)闡明了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對風(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)組帶動單相交流發(fā)電機(jī)，然后通過ACDCAC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。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)； 整流逆變； 繼電控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)一、緒論風(fēng)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(zhì)燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會隨著其本身的轉(zhuǎn)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(zhì)燃料儲量有限，正在日趨減少，況且其帶來的嚴(yán)重的污染問題和溫室效應(yīng)正越來越困擾著人們。因此風(fēng)力發(fā)電正越來越引起人們的關(guān)注。（一）風(fēng)力發(fā)電概述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，受到世界各國的高度重視。近20年來風(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)使得美國家庭有25%的電力可以通過購買風(fēng)電獲得。2004年歐洲風(fēng)能協(xié)會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題的不可或缺的重要力量。按照風(fēng)電目前的發(fā)展趨勢，預(yù)計(jì)20082012年期間裝機(jī)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(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kWh的11.9%。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)電設(shè)備制造企業(yè)集中在歐美國家，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，GE風(fēng)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(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，且日益接近燃煤發(fā)電的成本。以美國為例，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)專家預(yù)測，世界風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降15%。中國的風(fēng)能資源十分豐富。根據(jù)全國900多個氣象站的觀測資料進(jìn)行估計(jì)，中國陸地風(fēng)能資源總儲量約32.26億KW，其中可開發(fā)的風(fēng)能儲量為2.53億KW，而海上的風(fēng)能儲量有7.5億KW，總計(jì)為10億KW。我國的風(fēng)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(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個風(fēng)電場，安裝風(fēng)機(jī)131臺，裝機(jī)容量3.3萬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。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)電這一朝陽產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來能源供給的支柱產(chǎn)業(yè)！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。槳葉具有良好的動力外形，在氣流的作用下能產(chǎn)生空氣動力是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動發(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，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q將其存儲為化學(xué)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)定性會給電網(wǎng)或負(fù)載帶來一定的沖擊影響。風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有兩種：一類是獨(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，再通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規(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。（二）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)圖其具體運(yùn)行狀況為：（1）風(fēng)力吹動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過連接的齒輪變速箱來提高輸出端轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，該軸與發(fā)電機(jī)相連。（3）轉(zhuǎn)軸帶動單相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，開始發(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）引出的單相交流電通過整流器變成穩(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。二、風(fēng)力機(jī)原理及其結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展和演變，已經(jīng)有很多形式，但是歸納起來，可分為兩類：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)。（一）風(fēng)力機(jī)的氣動原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要利用氣動升力的風(fēng)輪。氣動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氣動升力圖從圖可以看出，機(jī)翼翼型運(yùn)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(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)速也會有所下降。升力總是推動葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動。（二）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、對風(fēng)裝置、齒輪箱組成，整體結(jié)構(gòu)如圖22所示：（1）風(fēng)輪：由13個葉片組成，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(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。這時(shí)塔架需要承受兩個主要的載荷：一個是風(fēng)力機(jī)的重力，向下壓在塔架上；另一個是阻力，使 圖2-2風(fēng)力主要部結(jié)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)際情況而定。 （3）對風(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)常對準(zhǔn)風(fēng)向?yàn)榇诵枰獙︼L(fēng)裝置。本論文只介紹小型風(fēng)力機(jī)的對風(fēng)裝置，如圖24所示，利用尾舵控制對風(fēng)。由尾翼帶東水平軸旋轉(zhuǎn)，是風(fēng)輪總朝向風(fēng)吹來的方向。圖2-3對風(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，在帶動發(fā)電機(jī)之前，還必須附加一個齒輪箱，再加一個調(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)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)，通過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。為了增加齒輪箱的制動能力，在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置配合葉尖制動裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)合制動。（三）風(fēng)力機(jī)的功率風(fēng)的動能和風(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)的功率便會增加8倍。風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率如下： (21) (22)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，v為風(fēng)速。眾所周知，如果接近風(fēng)力機(jī)的空氣全部動能都被風(fēng)力機(jī)全部吸收，那么風(fēng)輪后的空氣就不動了，然而空氣當(dāng)然不能完全停止，所以風(fēng)力機(jī)的效率總是小于1。三、電氣設(shè)計(jì)部分（一）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單相交流發(fā)電機(jī)。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)采用蓄電池組為勵磁功供電，并在蓄電池組合勵磁繞組之間串聯(lián)勵磁調(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，定子繞組為單相，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。圖3-1串聯(lián)勵磁調(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)的出口電壓也會產(chǎn)生波動，這將導(dǎo)致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機(jī)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(jī)出口電壓的波動。這種連鎖反應(yīng)是的發(fā)電機(jī)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(fù)載供電的情況下，將會影響供電質(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，電壓的波動會導(dǎo)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(jī)輸出端電壓的波動，該硅整流交流發(fā)電機(jī)配有勵磁調(diào)節(jié)器，如圖所示，勵磁調(diào)節(jié)器由電壓繼電器V1、電流繼電器I1、逆流繼電器I2及其所控制的動斷觸電V1、I1和動合觸電I2以及電阻R2等組成。2、勵磁調(diào)節(jié)器的工作原理勵磁調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機(jī)能自動調(diào)節(jié)其勵磁電流（即勵磁磁通）的大小，來抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對發(fā)電機(jī)端電壓的影響。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不動作，其動斷觸點(diǎn)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(jī)屬于正常勵磁狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)速加大，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(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)載過多時(shí)，可能出現(xiàn)負(fù)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(jī)過負(fù)荷運(yùn)行，會對發(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)過負(fù)荷運(yùn)行。電流繼電器I1的動斷觸點(diǎn)I1串接在發(fā)電機(jī)的勵磁回路中，發(fā)電機(jī)輸出的負(fù)荷電流則通過電流繼電器的繞組；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，動斷觸點(diǎn)I1閉合，發(fā)電機(jī)屬于正常勵磁狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電流高于額定值時(shí)，動斷觸點(diǎn)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(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。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)系為了防止無風(fēng)或風(fēng)速太低時(shí)，蓄電池組向發(fā)電機(jī)勵磁繞組送電，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(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)流過的電流產(chǎn)生的吸力是動合觸點(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反向電流，此電流產(chǎn)生的磁場與電壓線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的磁場作用相反，而電壓線圈內(nèi)流過的電流由于發(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)生的總磁場的吸力減弱，是的動合觸點(diǎn)I2斷開，從而斷開了蓄電池想發(fā)電機(jī)勵磁繞組送電的回路。采用勵磁調(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)速變化自動調(diào)節(jié)輸出端電壓，防止產(chǎn)生對蓄電池組過充電，延長蓄電池組的使用壽命；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)，但由于勵磁調(diào)節(jié)器的動斷、動合觸點(diǎn)動作頻繁，需對出頭材質(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)才能對蓄電池組充電。（二）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)過整流變成直流電，之后在經(jīng)過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存在蓄電池組內(nèi)。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單相橋式全波整流電路，本系統(tǒng)亦采用了該整流電路。單相橋式整流電路由4個二極管接成橋式電路，RL為負(fù)載電阻。圖5-1-1所示為單相橋式整流電路的畫法。圖3-4 單相橋式整流電路下面按圖3-4所示電路進(jìn)行分析。 在U2的正半周，其極性為上（+）下（-），即a點(diǎn) 的點(diǎn)位高于b點(diǎn)時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，電流由a經(jīng)D1R1D3b形成通路，如圖中實(shí)線箭頭所示。此時(shí)，電源電壓全部加在負(fù)載電阻RL上，得到一個半波電壓；D2和D4則承受反向電壓。 在u2的負(fù)半周，其極性與上述相反，即b點(diǎn)的電壓高于a點(diǎn)時(shí)，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止，電流由b經(jīng)D2RLD4形成通路，如圖中虛線箭頭所示。同樣，在負(fù)載電阻RL上也得到一個半波電壓；D1和D3則承受反向電壓。 有上述可見，盡管u2的方向是交變的，通過負(fù)載RL的電流io及其兩端電壓uo的方向都不變，因此在負(fù)載上得到大小變化而方向不變的脈動直流電流和電壓，uo、io及二極管承受的電壓uD的波形如圖5-1-2（b）、（d）所示。下面討論單相橋式整流電路的定量關(guān)系及元件選擇。負(fù)載上得到的脈動直流電壓，常用一個周期的平均值來說明它的大小。負(fù)載所得脈動直流電壓的平均值是上式表示整流電壓平均值與整流變壓器二次側(cè)交流電壓有效值之間的關(guān)系，即整流電壓的平均值是交流電壓有效值的0.9倍。圖3-5 單相橋式整流電路電壓與電流的波形負(fù)載電流的平均值是 每個周期中，D1、D3串聯(lián)與D2、D4串聯(lián)各輪流導(dǎo)電半周，所以每個二極管中流出的平均電流只有負(fù)載電流的一半，如圖5-1-2（c）所示，即 由圖5-1-2（d）可以看出，二極管截止時(shí)承受的最高反向電壓就是變壓器二次側(cè)交流電壓u2的最大值U2m，即ID和UDRM是選擇整流二極管的主要依據(jù)。 通過變壓器二次繞組的電流具有正、反兩個方向，是一個正弦波形，因此二次繞組的電流有效值為 目前已有各種規(guī)格的橋式整流電路成品，如1CQ1AH至1CQ7AH系列，輸出的平均電壓25600V，整流電流50mA5A，使用十分方便。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隨著風(fēng)速的波動而發(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、反向峰值電壓和流過的最大工作電流來選擇。假設(shè)100W風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓經(jīng)過整流后，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41所示計(jì)算出，元件承受的最大正、反向峰值電壓為元件流過的最大電流為由上式計(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)常會出現(xiàn)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(cè)接入阻容過電壓保護(hù)。電阻R和電容C的值可參照式43所示方法估算，即式中：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)輸出功率，VA；為整流器入口交流線電壓，V。（三）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)，可以將來自風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dāng)風(fēng)力較弱、無風(fēng)或者用電負(fù)荷增大時(shí)，儲存在蓄電池中的電能向負(fù)荷供電，以彌補(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。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(lián)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(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程中，端電壓是不相等的，充電時(shí)端電壓高于電動勢，放電時(shí)端電壓低于其電動勢。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。蓄電池經(jīng)過多次充放電后，其容量會降低，當(dāng)蓄電池的容量敬愛那個地道其額定值的80%以下時(shí)，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(biāo)為蓄電池充、放電端電壓，曲線標(biāo)號數(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，如果充電電壓過高，將會嚴(yán)重?fù)p壞用戶的電器；若放電電壓過低（放電電流太大或放電時(shí)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。2、充放電保護(hù)電路該控制器由電壓繼電器V2、V3和它們所控制的動開觸點(diǎn)V2、動合觸點(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開始工作，繼而控制動斷觸點(diǎn)V2斷開，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，其控制的動合觸點(diǎn)V3斷開，從而斷開了放電電路。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)用動開觸點(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)，逆流繼電器的電壓線圈和電流線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的磁力使動合觸點(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)動開觸點(diǎn)I2閉合，同時(shí)動合觸點(diǎn)I2斷開，此時(shí)即切換成蓄電池組向負(fù)載供電。（四）逆變電路 獨(dú)立運(yùn)行的異步風(fēng)力發(fā)電動機(jī)組輸出 有是不穩(wěn)定的交流電，必須用蓄電池儲能，才能向用戶提供連續(xù)平穩(wěn)的電能，但絕大多數(shù)用電器，如日光燈、電視機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇和絕大多數(shù)動力機(jī)械等都是以交流電工作，因此，在獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中通常需要將直流電再變換成交流電，這種變換過程叫逆變，具有逆變功能的電力電子設(shè)備稱為逆變器，逆變器還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善系統(tǒng)的供電質(zhì)量。1、逆變電路及其工作原理其電路原理圖如下所示。( a ) ( b )圖4-1 單相橋式逆變電路原理 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆向過程，是通過功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用來實(shí)現(xiàn)的。 最基本的逆變電路是單相橋式逆變電路，它可以很好的說明逆變電路的工作原理，其電路結(jié)構(gòu)如圖1-4-43（a）所示。 圖中Ud為輸入直流電壓，Uo為輸出交流電壓，R為逆變器的輸出負(fù)載。當(dāng)開關(guān)管T1、T4閉合，T2、T3斷開時(shí)，逆變器輸出電壓Uo=Ud；當(dāng)開關(guān)管T1、T4斷開，T2、T3閉合時(shí)，輸出電壓Uo=-Ud。當(dāng)以頻率Fs交替切換開關(guān)管T1、T4和T2、T3時(shí)，則在電阻R上獲得如圖1-4-43（b）所示的交變電壓波形，其周期Ts=1/fs，這樣，就將滯留電壓Ud編程了交流電壓Uo。Uo含有各次諧波，如果想得到正玄波電壓，則可通過濾波器獲得。 圖1-4-43（a）中煮點(diǎn)錄音開關(guān)T1T4世紀(jì)是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。逆變電路中常用開關(guān)器件有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）。2、IGBT的驅(qū)動電路驅(qū)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(qū)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(guān)時(shí)間，減少開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率?？煽啃院桶踩远加兄匾囊饬x。簡言之，驅(qū)動電路的基本任務(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，可以使其開通或關(guān)斷的信號，從而驅(qū)動IGBT，保證其可靠工作。對IGBT驅(qū)動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,使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣。 （5） 具有靈敏的過流保護(hù)能力。目前，在IGBT的柵極驅(qū)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：圖4-2 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)動回路往返接線不能太長(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,則開通關(guān)斷時(shí)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(chǎn)生誤導(dǎo)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(hù)取樣信號連接端,通過快恢復(fù)二極管接IGBT集電極.。（5）14、15接驅(qū)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(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。 四、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誤，做到了按照作者的設(shè)計(jì)要求切換電路。然后用MATLAB對整個實(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)在完全的自動化，無需人工控制，方便易行?？捎糜陔娋W(wǎng)未通達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)的戶用電力供應(yīng)。參考文獻(xiàn)1 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