《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)》word版.doc

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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(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)單相交流發(fā)電機(jī)，然后通過AC—DC—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(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，它不會(huì)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(chǔ)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(guó)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(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2～2.5美分/kWh，此售價(jià)使得美國(guó)家庭有25%的電力可以通過購(gòu)買風(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)2008～2012年期間裝機(jī)容量增長(zhǎng)率為20%，以后到2015年期間為15%，2017～2020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2000～5000KW,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2000～2200KW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(guó)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(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)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)電開發(fā)起步較晚，大體分為三個(gè)階段。 第一階段是1986～1990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1991～1995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(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，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q將其存儲(chǔ)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(huì)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1—1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(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 （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(dòng)單相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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：①水平軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)倫的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；②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(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)。 （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(duì)風(fēng)裝置、齒輪箱組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2—2所示： （1）風(fēng)輪：由1~3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。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(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2—4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)吹來的方向。 圖2-3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(dòng)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(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)合制動(dòng)。 （三）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： (2—1) (2—2) 式中：P為輸出功率，為風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)，ρ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(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(lì)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(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3—1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(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(lì)磁電流。 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，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(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。 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。 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，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，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3—2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(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)過負(fù)荷運(yùn)行。電流繼電器I1的動(dòng)斷觸點(diǎn)I1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，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3—3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(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反向電流，此電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電壓線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(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，從而斷開了蓄電池想發(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)生對(duì)蓄電池組過充電，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。 （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(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)。 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(gè)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)D1→R1→D3→b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(gè)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)D2→RL→D4→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(gè)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(dòng)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(dòng)直流電壓，常用一個(gè)周期的平均值來說明它的大小。負(fù)載所得脈動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)方向，是一個(gè)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(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4—1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(huì)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(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(chǔ)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(chǔ)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(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。 蓄電池經(jīng)過多次充放電后，其容量會(huì)降低，當(dāng)蓄電池的容量敬愛那個(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(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3—6、3—7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，如果充電電壓過高，將會(huì)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(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(dòng)開觸點(diǎn)V2、動(dòng)合觸點(diǎn)V3構(gòu)成。其電路如圖3—8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28~29V,最低放電電壓控制在21~22V。 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(dòng)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(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，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3—9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(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)開觸點(diǎn)I2閉合，同時(shí)動(dòng)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(dòng)機(jī)組輸出 有是不穩(wěn)定的交流電，必須用蓄電池儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)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)T1~T4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(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）。 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較理想的狀態(tài)，，縮短開關(guān)時(shí)間，減少開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率?？煽啃院桶踩远加兄匾囊饬x。 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(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3—13： 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(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,則開通關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng),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(hào)連接端,通過快恢復(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。 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(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(dòng)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] 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，（4）：256～289. 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