《風力發(fā)電機設計》word版

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1、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(chǎn)業(yè)。本論文詳細闡明了風力發(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)電機組帶動單相交流發(fā)電機，然后通過AC—DC—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(xiàn)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。 關鍵詞：風力發(fā)電機； 整流——逆變； 繼電控制 風力發(fā)電機設計 一、緒論 風能是一種清潔的、儲量極為豐

2、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。 （一）風力發(fā)電概述 1、風力發(fā)電現(xiàn)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53×106億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2～2.5

3、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(jīng)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2008～2012年期間裝機容量增長率為20%，以后到2015年期間為15%，2017～2020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0.43×104億kWh，2020年風電裝機12.45億KW，風電電量3.05×104億kWh，占當時世界總電消費量25.58×104億kW

4、h的11.9%。 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2000～5000KW,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2000～2200KW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

5、家，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(jù)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，

6、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1986～1990年我國并網(wǎng)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1991～1995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

7、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(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(chǎn)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(jù)具體要求需要，通過適當?shù)淖儞Q將其存儲為化學能或者并網(wǎng)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

8、。 （3）風電的不穩(wěn)定性會給電網(wǎng)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：一類是獨立運行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)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(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)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。 （二）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1—1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）轉軸帶動單相交流發(fā)電機轉動，開始發(fā)電

9、。（此時發(fā)出的是頻率和幅值都不穩(wěn)定的交流電）。 （4）引出的單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(jīng)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(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電。此時即可實現(xiàn)為負載供電。 二、風力機原理及其結構 風力機經(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：①水平軸風力機，風倫的旋轉轉軸與風向平行；②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。 （一）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

10、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(chǎn)生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產(chǎn)生升力的同時也產(chǎn)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。 （二）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2—2所示： （1）風輪：由1~3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

11、，使風輪偏離主方向；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風力主要部結構圖 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(jù)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(jīng)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2—4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2-3對風裝置

12、（4）齒輪箱：由于風輪的轉速比較低，而且風力的大小經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)聯(lián)合制動。 （三）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。

13、 風輪從風中吸收的功率如下： (2—1) (2—2) 式中：P為輸出功率，為風輪機的功率系數(shù)，ρ為空氣密度，R為風輪半徑，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。 三、電氣設計部分 （一）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單相交流發(fā)電機。 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(lián)勵磁調節(jié)器。其電路圖如圖3—1所示。

14、發(fā)電機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。 圖3-1串聯(lián)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(shù)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(chǎn)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

15、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。 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。 當發(fā)電

16、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3—2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(xiàn)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

17、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3—3所示。 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

18、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(nèi)，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(nèi)流過的電流產(chǎn)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(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

19、是能隨風速變化自動調節(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；同時還實現(xiàn)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?shù)奶幚怼６矣迷摻涣靼l(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。 （二）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AC—DC—AC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

20、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所示電路進行分析。 在U2的正半周，其極性為上（+）下（-），即a點 的點位高于b點時，D1、D3導通，D2、D4截止，電流由a經(jīng)D1→R1→D3→b形成通路，如圖中實線箭頭所示。此時，電源電壓全部加在負載電阻RL上，得到一個半波電壓；D2和D4則承受反向電壓。 在u2的負半周，其極性與上述相

21、反，即b點的電壓高于a點時，D2、D4導通，D1、D3截止，電流由b經(jīng)D2→RL→D4→形成通路，如圖中虛線箭頭所示。同樣，在負載電阻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，通過負載RL的電流io及其兩端電壓uo的方向都不變，因此在負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系及元件選擇。 負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

22、二次側交流電壓有效值之間的關系，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)各輪流導電半周，所以每個二極管中流出的平均電流只有負載電流的一半，如圖5-1-2（c）所示，即 由圖5-1-2（d）可以看出，二極管截止時承受的最高反向電壓就是變壓器二次側交流電壓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

23、流電路成品，如1CQ1A…H至1CQ7A…H系列，輸出的平均電壓25~600V，整流電流50mA~5A，使用十分方便。 2、參數(shù)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(shù)選擇不當，將使元件遭到破壞。 整流管的參數(shù)應根據(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100W風力發(fā)電機組的輸出電壓經(jīng)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—1所示計算出，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 由上式計算結果，可選擇最大電流5A，最大反向電壓50V的

24、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接入阻容過電壓保護。電阻R和電容C的值可參照式4—3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為風力發(fā)電機輸出功率，VA；為整流器入口交流線電壓，V。 （三）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)

25、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(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)將在實際應用中再做具體分析。 蓄電池經(jīng)過多次充放電后，其容量會降低，當蓄電池的容量敬愛那個地道其額

26、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3—6、3—7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(shù)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

27、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V2、動合觸點V3構成。其電路如圖3—8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28~29V,最低放電電壓控制在21~22V。 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)；

28、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。 3、蓄電池組供電控制設計 控制電路如下圖3—9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(nèi)流過的電流產(chǎn)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(chǎn)生的磁力消失，此時動開觸點I2閉合，同時動合觸點I2斷開

29、，此時即切換成蓄電池組向負載供電。 （四）逆變電路 獨立運行的異步風力發(fā)電動機組輸出 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、電冰箱、電風扇和絕大多數(shù)動力機械等都是以交流電工作，因此，在獨立運行的風力發(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

30、 逆變器將直流電轉換為交流電的逆向過程，是通過功率半導體開關器件的開通和關斷作用來實現(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，其電路結構如圖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為逆變器的輸出負載。當開關管T1、T4閉合，T2、T3斷開時，逆變器輸出電壓Uo=Ud；當開關管T1、T4斷開，T2、T3閉合時，輸出電壓Uo=-Ud。當以頻率Fs交替切換開關管T1、T4和T2、T3時，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，

31、如果想得到正玄波電壓，則可通過濾波器獲得。 圖1-4-43（a）中煮點錄音開關T1~T4世紀是各種半導體開關器件的一種理想模型。逆變電路中常用開關器件有快速晶閘管、可關斷晶閘管（GTO）、功率晶體管（GTR）功率場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）。 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囊饬x。 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

32、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?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?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3—13： 圖4-2 E

33、X840/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(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(chǎn)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.

34、。 （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。 四、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

35、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(xiàn)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(xiàn)在完全的自動化，無需人工控制，方便易行?？捎糜陔娋W(wǎng)未通達的偏遠地區(qū)的戶用電力供應。 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，（4）：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，（3）：24～51. [3] (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，（2）：356～384. [4] 姚興佳，宋俊.風力發(fā)電機組原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009，（2）：56～67. [5] 秦建國，劉偉.小型風力發(fā)電機轉速控制研究[J].內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古工業(yè)大學信息工程學院，2009，（8）：17～23 [6] 王承煦，張源.中國電力百科全書[M]. 北京:中國電力出版社，2001，（11）：124～131