小型風(fēng)力發(fā)電
小型風(fēng)力發(fā)電,小型,風(fēng)力,發(fā)電
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
畢 業(yè) 論 文
小型風(fēng)力發(fā)電
院 部 機械與電子工程學(xué)院
專業(yè)班級 電氣工程及其自動化2班
屆 次 2015屆
學(xué)生姓名 李函朔
學(xué) 號 20110827
指導(dǎo)教師 李有安 教授
二О一五年六月五日
目錄
摘要： I
Abstract II
引言 1
1 緒論 1
1.1我國的風(fēng)能資源 1
1.2風(fēng)力發(fā)電的原理和特點 2
1.3 論文方案概述 2
2 風(fēng)力機的原理與結(jié)構(gòu) 3
2.1 風(fēng)力機的原理 3
2.2 風(fēng)力發(fā)電機的主要部件 4
3 電氣設(shè)計部分 6
3.1 發(fā)電機 6
3.1.1發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與原理 6
3.1.2發(fā)電機的勵磁 7
3.2整流 10
3.3蓄電池 12
3.3.1蓄電池的分類 13
3.3.2 蓄電池的充放電 13
3.3.3蓄電池供電控制設(shè)計 14
3.4 逆變電路 14
3.4.1逆變電路及其工作原理 14
3.4.2逆變器的控制 15
3.4.3電流波形的跟蹤控制 17
3.5驅(qū)動電路 19
4結(jié)論 21
參考文獻 22
致謝 23
Contents
Abstract II
1 Introduction 1
1.1Our wind resource 1
1.2Principles and characteristics of wind power 1
1.3 Paper Solution Overview 2
2 Principle and structure of the wind turbine 3
2.1 Principle of wind turbines 3
2.2 The main components of the wind machine 4
3 Electrical Design section 6
3.1 generator 6
3.1.1Structure and principle of the generator 6
3.1.2Excited generator 7
3.2Rectification 10
3.3Battery 12
3.3.1Battery Categories 13
3.3.2 Battery charge and discharge 13
3.3.3Battery-powered control design 14
3.4 Inverter 14
3.4.1Inverter circuit and how it works 14
3.4.2Inverter control technology 15
3.4.3Current waveform tracking control 17
3.5Drive circuit 19
4 Conclusion 21
Reference 22
Acknowledgement 23
小型家用風(fēng)力發(fā)電畢業(yè)論文
李函朔
（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院 泰安 20110827）
摘要：風(fēng)能以一種清潔的 可再生能源的身份走進人們的視野，風(fēng)力發(fā)電也慢慢地成為了前途光明的新興產(chǎn)業(yè)。本論文闡述了小型風(fēng)力獨立發(fā)電的設(shè)計方案，對風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)和電能變換以及繼電控制電臺做一些探討。以風(fēng)力發(fā)電機帶動單項交流發(fā)電機，通過AC—DC—AC交直交變換，轉(zhuǎn)化為用戶所需的標(biāo)準(zhǔn)交流電?？紤]到風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，在電路系統(tǒng)中加入蓄電池組，通過控制電路的監(jiān)控來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，確保在風(fēng)力資源充足的情況下將多余的電能進行儲能，在風(fēng)力不足時為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)的運行狀況采用繼電控制電路進行監(jiān)控和切換。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 整流 逆變
I
Household wind Graduation Thesis
Hanshuo Li
(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 20110827)
Abstract Wind energy in a clean and renewable energy identity into the spotlight, wind power has slowly become a promising new industry. This paper describes the design of small wind power independent of the structure and the wind turbine power conversion and control relay stations do some research.In the individual wind turbine drive alternators, by AC - DC - AC conversion, the conversion to AC required by the user. Taking into account the instability of wind power, adding battery in the circuit system, monitored by the control circuit to achieve control of the system, to ensure that sufficient wind resources in the case of the excess energy in the energy storage, when the wind is insufficient power the system. The health system adopts relay control circuit for monitoring and switching.
Keywords：wind Power rectification inverter
II
引言
隨著社會工業(yè)化的腳步不斷加快，全球自然資源消耗不斷增加，各類工廠所排放的工業(yè)有害物質(zhì)的排放量也與日俱增，我們周圍遍布著各類顆粒、細菌，從而造成了疾病的多發(fā)、氣候的變換異常、自然災(zāi)害的增多；因此，環(huán)境和能源的問題成了當(dāng)前的首要難關(guān)。日益惡劣的環(huán)境問題和有能源問題引發(fā)的危機，讓人們意識到開發(fā)清潔能源和可再生能源已經(jīng)是刻不容緩。對風(fēng)力能源的開發(fā)和應(yīng)用就是一個不錯的方向。
1 緒論
風(fēng)能是一種清潔的、可再生資源在自然資源中儲量豐富，但和自然資源中的礦物質(zhì)燃料如：煤、油、天然氣等不同，它不會隨著自身的使用而減少，所以可以說它是一種取之不盡用之不竭的自然資源。從第一次工業(yè)革命開始，煤等礦物質(zhì)燃料進入人們的視線便被大量開采，但是礦物質(zhì)需要大量時間和空間的累積才能形成，是屬于不可再生資源；而且燃料的燃燒帶來的嚴(yán)重污染問題和溫室效應(yīng)也是刻不容緩的問題；因此風(fēng)力發(fā)電走進人們的視野。
風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望
全球的風(fēng)力資源非常豐富風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今非水可再生資源發(fā)電技術(shù)中最成熟最具有大規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化前景的發(fā)展方式,風(fēng)力發(fā)電在我國已經(jīng)成為繼水電之后最重要的可再生能源,是近期發(fā)展的重點。以下詳細介紹了我國風(fēng)能資源分布,風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀,并展望了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展前景。
1.1我國的風(fēng)能資源
我國風(fēng)能資源比較豐富。根據(jù)全國第2次風(fēng)能資源普查結(jié)果,中國陸地風(fēng)能離地面10m高度的經(jīng)濟可開發(fā)量2.53億kW,離地面50m估計可能增大一倍。近海資源估計比陸地上大3倍,10m高經(jīng)濟可開發(fā)量約7.5億kW,50m高約15億kW。
我國的風(fēng)力資源主要分布在兩大風(fēng)帶:一是三北地區(qū)?(東北、華北和西北地區(qū))。包括東北3省和河北、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、西藏、等省區(qū)近200km千米寬的地帶,可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量約2億kW,約占全國可利用儲量的79%。該地區(qū)風(fēng)電場地形平坦,交通方便,沒有破壞性風(fēng)速,是我國連成一片的最大風(fēng)能資源區(qū),有利于大規(guī)模地開發(fā)風(fēng)電場。二是東部沿海陸地、島嶼及近岸海域。冬春季的冷空氣、夏秋的臺風(fēng),都能影響到沿海及其島嶼,是我國風(fēng)能最佳豐富區(qū),年有效風(fēng)功率密度在200W/m2以上。如臺山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等,可利用小時數(shù)約在7000至8000h。這一地區(qū)特別是東南沿海,由海岸向內(nèi)陸丘陵連綿,風(fēng)能豐富地區(qū)僅在距海岸50km之內(nèi)。
1.2風(fēng)力發(fā)電的原理和特點
風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機組是是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能再轉(zhuǎn)化為電能的裝置。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機組的重要組成部分。風(fēng)輪有兩大類，水平式風(fēng)車（主軸垂直安裝）還有垂直式風(fēng)車（即一直旋轉(zhuǎn)的）， 由葉片和輪轂組成。槳葉片具有良好的動力外形 ，在氣流的作用下使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機械能，再通過齒輪箱（或是一加速變速箱）增速驅(qū)動發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。然后緊接著是一臺異步發(fā)電機（風(fēng)車通常使用異步發(fā)電機，而不是同步發(fā)電機，因為同步發(fā)電無法保證輸出得到頻率和轉(zhuǎn)速相同，風(fēng)車的轉(zhuǎn)速不是一成不變的。）風(fēng)力帶動異步發(fā)電機，當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)的快時，產(chǎn)生的電流較大，否則較?。划?dāng)轉(zhuǎn)速比較小時被檢測電路測到，就分離發(fā)電機與電網(wǎng)系統(tǒng)的連接，如果不分離，發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速就變成了電動機，即異步發(fā)電機就是異步電動機。按照具體要求具體操作，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q調(diào)節(jié)將電能儲存為化學(xué)能或并網(wǎng)使用或直接給負載充當(dāng)電源。
風(fēng)力發(fā)電的特點有：
（1）清潔、無污染、可再生；
（2）分布廣泛、適應(yīng)能力強；
（3）風(fēng)力能量密度低，風(fēng)能來自空氣的流動，風(fēng)的能量密度只有水的1/816；
（4）風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，給負荷或電網(wǎng)帶來一定的影響；
(5)風(fēng)速的隨時變化，發(fā)電機要承受交變負荷。
風(fēng)力發(fā)電的運行方式主要有兩種：一種是獨立運行的供電系統(tǒng)，即在沒有通電的地方，用小型發(fā)電機組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電向負載供電；另一種是作為電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運行。
本次討論的是前者，即獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)方案。
1.3 論文方案概述
該獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1—1所示。
圖1—1 獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
系統(tǒng)的具體運行情況如下：
（1） 風(fēng)力吹動槳葉片的轉(zhuǎn)動；
（2） 通過齒輪箱的變速功能來提高輸出端轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)軸與交流發(fā)電機相連；
（3） 轉(zhuǎn)軸帶動三相交流發(fā)電機轉(zhuǎn)動，開始發(fā)電（此時交流電的頻率和幅值都不穩(wěn)定）；
（4） 三項交流電經(jīng)過整流器的整定變成穩(wěn)定的直流電；
（5） 此時出現(xiàn)兩種情況：
a 如果風(fēng)力充足，直流電經(jīng)過控制電路一部分流向逆變器，另一部分流向蓄電池；
b 如果風(fēng)力不足，控制電路切換至蓄電池供電狀態(tài)；
(6)直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定的交流電，向負載供電。
2 風(fēng)力機的原理與結(jié)構(gòu)
風(fēng)力的使用經(jīng)過多年的發(fā)展和演變，已經(jīng)形成了很多的形式，但綜述歸納起來有兩類：a水平軸風(fēng)力機，槳葉平的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與方向平行；b垂直軸風(fēng)力機，槳葉片的轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向。本文采用水平軸風(fēng)力機。如圖2—1所示。
（a）高速風(fēng)力機 （b）低速風(fēng)力機
圖2—1 水平軸風(fēng)力機
2.1 風(fēng)力機的原理
風(fēng)力發(fā)電機主要是利用氣動升力的槳葉，升力，就是向上的力。 使上升的力。 有很多種了。一般都是說在空氣中。 也就是向上的力大于向下的力，其合力可以使物體上升。 這個力就是升力。如下圖2—2所示。
圖2—2 氣動升力圖
該圖是一張機翼圖。從圖中可以看出機翼翼型運動的氣流方向有所改變，在機翼的上表面層形成了低壓區(qū)而下表面層形成高壓區(qū)，產(chǎn)生了向上的合力，并垂直于氣流方向。產(chǎn)生升力的同時也產(chǎn)生了阻力使風(fēng)速有所下降，但升力總是推動葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動。
2.2 風(fēng)力發(fā)電機的主要部件
風(fēng)力發(fā)電機通常由風(fēng)輪（槳葉片）、調(diào)速裝置、調(diào)向裝置、傳動裝置、發(fā)電機、塔架等組成。下面以一張水平軸風(fēng)力發(fā)電機圖（圖2—3）為例，介紹它的主要組成器件和功能。
圖2—3小型獨立發(fā)電機簡化圖
1—風(fēng)輪 2—發(fā)電機 3—回旋體
4—調(diào)速裝置 5—調(diào)向裝置6—手剎車裝置
7—塔架 8—蓄電池組 9—逆變器
（1） 風(fēng)輪：有2或3個將葉片組成，它是用來捕捉和吸收風(fēng)能的主要器件。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的時候，葉片會受到離心力和氣升動力的作用，離心力對葉片是拉力而氣升動力會使葉片彎曲。當(dāng)風(fēng)力大于風(fēng)輪的使用設(shè)計風(fēng)速時，為防止葉片損壞，需要對風(fēng)輪進行控制，控制風(fēng)輪的方法有兩種：a使風(fēng)輪偏離主要方向；b改變?nèi)~片的偏斜角度，利用擾流器，產(chǎn)生阻力，從而降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。
（2） 調(diào)速裝置：自然界的風(fēng)速經(jīng)常變換。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的增大而變快，使發(fā)電機的輸出電壓、頻率、功率增大。風(fēng)力是不穩(wěn)定的，不但會影響發(fā)電機電流的輸出，超大強風(fēng)時會導(dǎo)致發(fā)電機的燒毀，當(dāng)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速超過設(shè)計允許值時，極有可能導(dǎo)致機組的損壞和壽命減少。為了使風(fēng)輪能在一定轉(zhuǎn)速內(nèi)工作，風(fēng)力發(fā)電機必須安裝調(diào)速裝置（調(diào)速裝置是在風(fēng)速大于設(shè)計允許額定風(fēng)速時才使用，又稱為限速裝置）。國內(nèi)外的風(fēng)力發(fā)電機的調(diào)速裝置，歸納整理按調(diào)速原理可分為三類：減少風(fēng)輪迎風(fēng)面積、改變?nèi)~片翼型攻角值、利用風(fēng)輪圓周切線方向的阻力進行限制風(fēng)速。
（3） 調(diào)向裝置：自然界中風(fēng)速和風(fēng)向一直都是變化的，為了使風(fēng)力發(fā)電機更有效地利用風(fēng)，提高風(fēng)能的利用效率，，就應(yīng)該安裝對風(fēng)裝置跟蹤風(fēng)向的變化，確保風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面始終處于迎風(fēng)狀態(tài)。風(fēng)力機的調(diào)向裝置主要有尾翼（尾舵）自動對風(fēng)、電動機機構(gòu)和舵輪四種本文主旨只是家用的小型風(fēng)力發(fā)電機，可利用尾翼的控制帶動水平軸旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪總是朝向風(fēng)流風(fēng)向。如下圖2—4所示。
圖2—4所示 調(diào)向裝置
（4）傳動裝置：風(fēng)力機的傳動裝置包括增速器和聯(lián)軸器等。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機轉(zhuǎn)子所需的轉(zhuǎn)速，所以要進行增速（若是較小型的風(fēng)力發(fā)電機可不設(shè)置增速器直接連接）。增速器和發(fā)電機之間用聯(lián)軸器連接，且風(fēng)輪與增速器之間也用聯(lián)軸器連接，有時候為了減少占用空間，通常將聯(lián)軸器和制動器設(shè)計在一起。
（5）發(fā)電機：發(fā)電機將由風(fēng)輪通過聯(lián)軸器傳來的機械能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備風(fēng)力發(fā)電機上長用的發(fā)電機有四種：直流發(fā)電機、永磁發(fā)電機、同步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機。如下：
a 直流發(fā)電機常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機上。直流電壓為12V、24V、36V等，有時候中型風(fēng)力機上也有直流發(fā)電機；
b 永磁式發(fā)電機常用在小型風(fēng)力發(fā)電機上，中、大型風(fēng)力機一般不用，其電壓等級有115V、127V等。永磁式發(fā)電機有交流有直流，比如我國交流電壓440/240的高效永磁式交流發(fā)電機，能制造出多級低轉(zhuǎn)速，比較適合安裝在風(fēng)力發(fā)電機中；
c 同步交流發(fā)電機 它的電樞磁場和主磁場同步（同時旋轉(zhuǎn)、同量轉(zhuǎn)速）；
d 異步交流發(fā)電機 它的電樞磁場和主磁場不進行同步旋轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)速比同步磁場低，當(dāng)并網(wǎng)時轉(zhuǎn)速提高。
交流發(fā)電機和直流發(fā)電機相比，有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、對周圍的無線電設(shè)備干擾少、低速發(fā)電性能好等優(yōu)點。所以，在獨立運行的小容量發(fā)電系統(tǒng)中，經(jīng)常采用自勵式或者永磁式交流發(fā)電機；當(dāng)在并網(wǎng)運行系統(tǒng)中，通常采用同步發(fā)電機或異步發(fā)電機。
（6）塔架 為了讓風(fēng)輪能夠在較高的風(fēng)速中運行，必須用塔架將風(fēng)輪支撐起來。此時，塔架需要承受兩個負載：一是風(fēng)力機的重量，方向向下壓在塔架之上；二是阻力，塔架向風(fēng)流的下方向收力，選擇塔架時必須考慮它的成本和受力情況，根據(jù)具體情況具體分析，選擇合適的塔架。
3 電氣設(shè)計部分
3.1 發(fā)電機
本文采用可控硅整流器控制的自勵交流發(fā)電機。
3.1.1發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與原理
硅整流交流發(fā)電的結(jié)構(gòu)圖和工作原理如下：
可控硅硅整流交流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)硅整流交流發(fā)電機由一臺三相同步交流發(fā)電機和二極管整流器組成?。發(fā)電機工作時產(chǎn)生的三相交流電通過整流器進行三相橋式全波整流后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。硅整流交流發(fā)電機是由轉(zhuǎn)子、定子、整流器、端蓋、風(fēng)扇葉輪等組成?。如下圖3—1所示。
圖3—1 發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖
（1）定子：定子(又稱電樞)由定子繞組和定子鐵芯組成。定子鐵芯是有內(nèi)圈帶槽、相互絕緣的硅鋼片相疊組成。定子繞組有三組線圈，對稱的嵌入定子鐵芯的槽中。三相繞組必須按照一定的要求繞制，才能使發(fā)電機獲得相同頻率、相等幅值，相位角互差120度的三相電動勢。
（2）整流器：將三相交流電變?yōu)橹绷麟姟Ｕ髌骺煞郑簷C械整流器和電子整流器。通常在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中通常采用后者。電子整流器又可以分成可控整流和不可控整流兩類?？煽卣髌饔删чl管組成，常見電路形式有單相橋式、單相全波、三相半波可控、三相橋式半控和三相橋式全控整流電路；不可控整流器由二極管組成，常見的電路形式有單相半波、單相全波、單相橋式、三相半波和三相橋式整流電路。本文為方便起見，采用由六個或八個硅二極管分別焊接在兩塊整流板（極板）上組成的三相橋式全波整流電路。
（3） 風(fēng)扇和帶輪 交流發(fā)電機的前端安裝帶輪和風(fēng)扇，有發(fā)電機通過傳動帶驅(qū)動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸和風(fēng)扇一起旋轉(zhuǎn)。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動是為發(fā)電機散熱，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動是發(fā)電機發(fā)電。
（4）電刷 電刷將電源引入轉(zhuǎn)子的線圈（勵磁繞組）中，使內(nèi)部的電磁鐵（磁軛與爪極）產(chǎn)生較強的磁場。
（5）轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子用來在發(fā)電機工作時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。它是由安裝在轉(zhuǎn)子軸上的兩塊爪型磁極、兩磁極直接的勵磁繞組和轉(zhuǎn)子軸上的兩個滑環(huán)組成。兩個滑環(huán)彼此絕緣并且與轉(zhuǎn)子軸也絕緣，勵磁繞組的兩端焊接在兩個滑環(huán)上。
電機工作時，通過電刷和滑環(huán)將直流電壓作用于勵磁繞組的兩端，則在勵磁繞組中有電流通過，并在其周圍產(chǎn)生磁場，使轉(zhuǎn)子軸和軸上的兩塊爪形磁極被磁化，一塊為N極，另一塊為S極。由于它們的電極爪相間排列，便形成了一組交錯排列的磁極。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子中間形成旋轉(zhuǎn)的磁場，使安裝在定子鐵心上的三相定子繞組中感應(yīng)生成三相交流電，經(jīng)過整流器整定為直流電。
三只正二極管負極端連在一起時，正極端電位最高者導(dǎo)通；
三只負二極管正極端連在一起時，負極端電位最低者導(dǎo)通；
每一時刻都有一正二極管和負二極管導(dǎo)通，使電路處于通電狀態(tài)。
二極管相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角α=0度的情況。
3.1.2發(fā)電機的勵磁
除永磁式交流發(fā)電機不必勵磁外，其它形式的發(fā)電機都需要精心勵磁；必須要給磁場繞組通電才會有磁場產(chǎn)生。交流發(fā)電機有自勵和他勵兩種方式。
本文提出的系統(tǒng)采用他勵（即蓄電池儲存的電一部分供給磁場繞組生磁），且在蓄電池組和勵磁繞組之間串聯(lián)勵磁調(diào)節(jié)器。如電路圖3—3所示。通過與滑環(huán)接觸的電刷和硅整流器的直流輸出端口相連，從而獲得直流勵磁電流。
圖3—3 串聯(lián)勵磁調(diào)節(jié)器電路圖
獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪漿葉片大部分是固定漿距的。隨著風(fēng)力的變換，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨之變化，通過軸承連的發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之變化，所以發(fā)電機的輸出端口電壓也會上下波動，因而會導(dǎo)致可控硅整流器的輸出電壓和發(fā)電機勵磁電流發(fā)生變化；并會再成勵磁磁場的變化，就會反過來造成發(fā)電機輸出端口的電壓發(fā)生變動；這種連鎖反應(yīng)一旦發(fā)生就會使輸出端口電壓的動蕩范圍不斷加劇。顯而易見，若電壓的波動得不到有效的控制，在向負載供電時就會降低供電質(zhì)量，甚至?xí)p壞用電設(shè)備。而且獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都有蓄電池組，電壓的波動會導(dǎo)致蓄電池壽命減少。
為了減小輸出電壓波動，該可控硅整流交流發(fā)電機配備勵磁調(diào)節(jié)器。如圖，有電壓繼電器V1、電流繼電器I1、逆流繼電器I2和它所控制的動斷觸點V1、I1和動合觸點I2與電阻組成的勵磁調(diào)節(jié)器。
勵磁調(diào)節(jié)器的功能是使發(fā)電機自動調(diào)節(jié)勵磁電流（勵磁磁通）的大小，用來抵消風(fēng)速變化導(dǎo)致的發(fā)電機轉(zhuǎn)速對發(fā)電機輸出電壓的影響。
（1）根據(jù)發(fā)電機發(fā)出的電壓大小相應(yīng)的的反調(diào)這勵磁電壓（勵磁電壓）讓發(fā)電機發(fā)的電壓值恢復(fù)到正常（規(guī)定）。由負載的擾動引起發(fā)電機輸出端電壓和功率的變換，由擾動量形成了勵磁控制分量，用補償饒動量來增加勵磁電流。穩(wěn)定器和補償器
（2）按照偏差量進行調(diào)節(jié)。按照被調(diào)節(jié)器與實際值間的差值，來控制調(diào)節(jié)器的勵磁輸出；實際是反饋調(diào)節(jié)。
分析運行過程：當(dāng)風(fēng)速較小發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比較低時，發(fā)電機輸出端口電壓低于額定電壓，電壓繼電器V1不動作，動作觸點V1閉合，整流器輸出端電壓直接加在勵磁繞組上，發(fā)電機處于正常勵磁狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)力加大發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大，發(fā)電機輸出端電壓大于額定電壓時，動斷觸點V1斷開，勵磁回路網(wǎng)絡(luò)中被串入電阻R2，勵磁電流（勵磁磁通）會隨著減小，發(fā)電機輸出端口的電壓低于設(shè)計規(guī)定額定值，動斷觸點V1將重新閉合，轉(zhuǎn)子恢復(fù)正常勵磁狀態(tài)。勵磁調(diào)節(jié)器正常工作時，發(fā)電機輸出端口電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下圖3—4所示。
圖3—4 發(fā)電機端口電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速關(guān)系圖
當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機正常運行時，如果負載的負荷過多時，有可能會出現(xiàn)負載電流過大甚至超過設(shè)計規(guī)定額定值的情況。若不及時進行控制，發(fā)電機會持續(xù)過負荷運行，發(fā)電機的使用壽命必定會大大打折，甚至?xí)p壞發(fā)電機的定子繞組。電流繼電器I1的動斷觸點I1串聯(lián)在發(fā)電機勵磁回路中，發(fā)電機輸出端口的負荷電流流經(jīng)電流繼電器的繞組。當(dāng)輸出端口的電流小于設(shè)計額定值，電流繼電器不工作，觸點I1閉合，發(fā)電機處于規(guī)范勵磁狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機的輸出電流大于額定值，觸點I1斷開，電阻R2串聯(lián)勵磁回路，勵磁電流逐漸減小，降低發(fā)電機的輸出電壓并且減少負載電流。電流繼電器正常工作時，發(fā)電機的負載電流和發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速關(guān)系如下圖3—5所示。
圖3—5 發(fā)電機負載電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速關(guān)系圖
為了防止風(fēng)速太低或者無風(fēng)的情況下，蓄電池向勵磁繞組供電，蓄電池由充電運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉错懛烹姞顟B(tài)。不但會消耗蓄電池中儲存的電量而且還會對勵磁繞組造成傷害甚至燒毀，所以勵磁調(diào)節(jié)裝置中還應(yīng)該裝備逆流繼電器。發(fā)電機正常工作的情況下，逆流繼電器的電壓線圈和電流線圈中通過的電流使觸點I2閉合；風(fēng)速太低的情況下，發(fā)電機輸出端口電壓小于蓄電池兩端的電壓時，繼電器電流線圈電流立刻反向，反向電流產(chǎn)生的磁場和電壓線圈產(chǎn)生的磁場作用相反，磁場作用的總和也降低，導(dǎo)致發(fā)電機電動勢降低因而電壓線圈流經(jīng)的電流也減少，線圈電流作用產(chǎn)生的吸引力隨著降低，使觸點I2斷開，蓄電池支路斷開，使蓄電池不再向電機勵磁繞組供電。
可控硅整流交流發(fā)電機采用勵磁調(diào)節(jié)器，和永磁式發(fā)電機相比較，它的特點是：(1)在風(fēng)速變化的情況下能及時通過調(diào)節(jié)磁場強度來調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓，防止對蓄電池的過度充電，延長蓄電池的使用年限；（2）通過勵磁調(diào)節(jié)器觸點的關(guān)、斷，實現(xiàn)對發(fā)電機的過負荷保護。由于觸點的開合相當(dāng)?shù)念l繁，必須對觸點的材質(zhì)和反射弧做對應(yīng)處理。
3.2整流
因為自然當(dāng)中風(fēng)速和風(fēng)向的不穩(wěn)定性，發(fā)電機輸出的是不均衡的交流電，且交流電的頻率和幅值都在不斷的變換，但負載的電器設(shè)備都是按照我國規(guī)定的正常頻率（50HZ）的穩(wěn)定交流電，因而必須進行AC——DC——AC的電流變換。整流器是將發(fā)電機發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再經(jīng)過濾波，供給逆變器流向電網(wǎng)或者儲存在蓄電瓶中。整流器按照組成器件可分為全控、半控與不可控三種；按照交流輸入相數(shù)可分單相與多相；按照電路結(jié)構(gòu)可分零式電路和橋式電路；按照變壓器二次側(cè)電流方向是單向還是雙向可分單拍電路與雙拍電路。本文采用的是三相橋式整流電路。三相橋式整流電路簡化圖如圖3—6所示。
圖3—6 三相橋式整流電路
習(xí)慣將其中的陰極連在一起的3個晶閘管（、、）稱為共陰極組，陽極連在一起的3個晶閘管（、、）稱為共陽極組。習(xí)慣是希望晶閘管按照從1到6的順序?qū)?，所以晶閘管按照如圖所示的順序編號，即共陰極組和a、b、c三相電源相接的3個晶閘管依次為、、，共陽極組和a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別是、、。按照這個編號，晶閘管的導(dǎo)通編號為—————。
整流電路的負載是帶反電動勢的阻感負載。晶閘管的觸發(fā)角α=。共陰極的3個晶閘管，陽極所接交流電電動勢最高的一個導(dǎo)通；共陽極的3個晶閘管，陰極所接交流電電動勢最低的一個導(dǎo)通。任意時刻都有共陽極組和共陰組各有一個晶閘管導(dǎo)通，施加在負載上的電壓為線電壓。電路工作時候的波形圖如下圖3—7所示。
圖3—7 電路工作波形圖
由于觸發(fā)角α=，各個晶閘管都在自然換相點處換相。由變壓器二次繞組的線電壓與相電壓波形的對應(yīng)關(guān)系可知，相電壓的交點即自然換相點，同時也是線電壓的交點。分析線電壓的波形圖時，既可以從相電壓波形分析，又可以從線電壓波形分析。從相電壓波形圖看，以變壓器二次側(cè)的中性點n為參考點，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時，整流輸出電壓為相電壓在第一象限的圖形，共陽極組晶閘管導(dǎo)通時，整理輸出電壓為線電壓在第四象限的圖形；兩者之間的差值為總的整流輸出電壓=-，對應(yīng)到相應(yīng)的線電壓波形圖上。
從線電壓波形圖來看，有共陰極中處于導(dǎo)通狀態(tài)的陽極二極管對應(yīng)最大的相電壓，和共陽極中處于導(dǎo)通狀態(tài)的陰極二極管最小的那個，輸出整流電動勢為這兩個相電壓之差。
為了詳細說明各個晶閘管的工作情況，將波形圖的一個周期分為6個小段，每段為，如圖所示，每一小段當(dāng)中導(dǎo)通的晶閘管和輸出整流電壓的情況如表所示。由表可見6支晶閘管的導(dǎo)通順序為V1—V2—V3—V4—V5—V6。
表3—1 三相橋式整流電路α=時晶閘管工作情況
時段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管
共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管
整流輸出電壓
3.3蓄電池
在獨立的家用風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)中，通常使用蓄電池組作為儲能裝置，蓄電池組的作用是當(dāng)風(fēng)力較強或者負載較小時，能將來自風(fēng)力發(fā)電機的電能中的一部分儲存在蓄電池中（即向蓄電池充電）；當(dāng)無風(fēng)或者風(fēng)力較小或者負載增大時，蓄電池中儲存的電能向負載提供一部分的電能，彌補風(fēng)力的不足，達到向負載平穩(wěn)供電運行的功能。本系統(tǒng)采用的是鉛蓄電池組。
3.3.1蓄電池的分類
蓄電池是電池中的一種，它的作用是能把有限的電能儲存起來，在合適的地方使用。它的工作原理就是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。在蓄電池當(dāng)中應(yīng)用最廣泛的是鉛蓄電池。
鉛蓄電池正極板是二氧化鉛板，負極板是金屬鉛，通過互插式結(jié)構(gòu)，就是一層正極板緊接著一層負極板的排列，兩極板之間有間隔，填充稀硫酸作為電解液，并用22～28％的稀硫酸作電解質(zhì)。在充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，放電時化學(xué)
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能又轉(zhuǎn)化為電能。電池在放電時，金屬鉛是負極，發(fā)生氧化反應(yīng)，被氧化為硫酸鉛；二氧化鉛是正極，發(fā)生還原反應(yīng)，被還原為硫酸鉛。電池在用直流電充電時，兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源后，它又恢復(fù)到放電前的狀態(tài)，組成化學(xué)電池。鉛蓄電池是能反復(fù)充電、放電的電池，叫做二次電池。單個鉛蓄電池的電壓是2V，通常把多個鉛蓄電池串聯(lián)起來使用，獲得不同的電動勢。汽車上通常用的是6個鉛蓄電池串聯(lián)成12V的電池組。將所有的正極板連通出來到正極，所有負極板連接作為負極。特別注意，鉛蓄電池在使用一段時間后要補充硫酸，使電解質(zhì)保持含有22～28％的稀硫酸。
本文采用的是18節(jié)鉛蓄電池組串聯(lián)，組成36V的蓄電池組。當(dāng)外電路閉合時，蓄電池組正負極之間的電勢差為蓄電池組的端口電壓。蓄電池在充放電過程中，正負極之間端口電壓是不相同的，充電時端口電壓大于電動勢，放電時端口電壓小于電動勢，這是因為蓄電池組中有內(nèi)阻。
蓄電池的容量用Ah表示。蓄電池組的端口電壓隨著發(fā)電過程而降低，而且蓄電池存在最佳充放電時刻。
3.3.2 蓄電池的充放電
蓄電池經(jīng)過多次充放電過程，蓄電池容量將會降低，當(dāng)容量小于其額定值的80%時，蓄電池就不能再使用了（即蓄電池有一定的使用年限）蓄電池使用壽命的影響因素有：高溫、高壓環(huán)境下使用、過度充放電、蓄電池電解液的濃度大小和過度放電燈因素。
蓄電池的充放電電壓不但能直接影響蓄電池工作性能，也會影響負載的壽命和安全。圖3—8和圖3—9分別表示蓄電池充放電曲線圖。
圖3—8 蓄電池充電曲線圖
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圖3—9 蓄電池放電曲線圖
3.3.3蓄電池供電控制設(shè)計
控制電路如圖3—10所示。整流器輸出端引出兩根線，和逆變器相連，對負載供電，通斷狀態(tài)由動合觸點I2來控制。蓄電池輸出端引出兩根線和逆變器相連，當(dāng)風(fēng)力不足或者無風(fēng)狀態(tài)下對負載供電，通斷狀態(tài)由動開觸點I2來控制。
圖3-10 蓄電池組供電控制電路
當(dāng)風(fēng)力充足的情況下，發(fā)電機平穩(wěn)工作，動合觸點I2閉合，直接向負載供電，同時一部分電能儲存在蓄電池中。當(dāng)風(fēng)力不足或者無風(fēng)條件下，發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速太低，動開觸點I2閉合，由蓄電池向負載供電。
3.4 逆變電路
因為家用電器比如電視、冰箱、白熾燈等都是以交流電工作，所以在獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中需要將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，這個轉(zhuǎn)化過程叫做逆變。逆變電路即將以直流電路逆變成某一頻率或可變頻率交流電的電力電子電路。
3.4.1逆變電路及其工作原理
本文采用的逆變電路如下圖3—11所示。
逆變電路當(dāng)中V1—V6為開關(guān)器件，—為續(xù)流二極管，每個橋臂都是有一個IGBT開關(guān)器件和反并聯(lián)二極管組成，后面接L、C組成濾波器過濾交流電的高次諧波。利用導(dǎo)電方式，在一個開關(guān)周期當(dāng)中，開關(guān)導(dǎo)通順序為V1—V2—V3—V4—V5—V6，各相角度相差，任意時刻都有三個開關(guān)導(dǎo)通。
圖3—11所示 三相橋式逆變電路
3.4.2逆變器的控制
逆變器控制技術(shù)的進程。
逆變器控制技術(shù)從實現(xiàn)方法中可分為數(shù)字控制技術(shù)和模擬控制技術(shù)。模擬控制技術(shù)有單周期控制、三角波電流控制，滯環(huán)電流控制、PWM控制等，數(shù)字控制技術(shù)有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、無差拍控制、PID控制等。在逆變器電路中使用最多的是PWM控制技術(shù)（即利用開通和關(guān)斷來對輸出波形進行調(diào)解，也就是調(diào)節(jié)占空比來達到控制輸出的波形）?，F(xiàn)在最常用的是SPWM波即脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。
SPWM控制原理是：通過調(diào)節(jié)逆變電路的開閉得到等幅卻不等寬的矩形脈沖，用矩形脈沖等效正弦波（等效原理：逆變器的輸出波形為一系列與正弦波等效的等幅而不等寬的矩形脈沖波形），如下圖3—12所示。將正弦半波電壓等分為N份，每一等分區(qū)間內(nèi)矩形波的面積與正弦波的面積相等。SPWM控制技術(shù)又分單極性和雙極性SPWM技術(shù)。
圖3—12 脈沖面積等效原理
本文采用的是雙極性SPWM技術(shù)。其工作原理如圖3—13所示。其工作特點：雙極性調(diào)節(jié)時，某一橋臂上、下兩個開關(guān)交替通斷，處于互補狀態(tài)。比如A相VT1VT4交替通斷，當(dāng)參考電壓>三角波電壓時，導(dǎo)通，=+/2；當(dāng)<時，V導(dǎo)通，=-/2。且相電壓在+/2和-/2之間躍變脈沖波，線電壓幅值為+與-的脈沖波，和單極性調(diào)制時候相同。
圖3—13 雙極性SPWM 工作原理圖
SPWM與PWM相比的優(yōu)點：
（1） 能在可控功率級別內(nèi)調(diào)壓、調(diào)頻，簡化控制電路的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化體積，減小造價；
（2） 輸出電壓和輸出頻率在逆變器內(nèi)部進行控制和調(diào)節(jié)，輸出響應(yīng)速度取決于控制回路，SPWM控制調(diào)節(jié)過程中速度快，能獲得及時的動態(tài)性能；
（3） 輸出波形圖接近正弦波，減小諧波分量。
（4） PWM是脈沖寬度調(diào)制也就是具有一定脈沖寬度的方波組成。SPWM是在PWM的基礎(chǔ)上用正弦波來調(diào)制合成的具有正弦波規(guī)律變化的方波。
3.4.3電流波形的跟蹤控制
即把期望得到的波形作為指令，把實際輸出的波形作為反饋，將兩者瞬時值相比較，利用比較得來的結(jié)果來控制逆變器當(dāng)中開關(guān)的開合狀態(tài)，使實際輸出波形能隨規(guī)定指令做出相應(yīng)的變化。
滯環(huán)的比較原理：將指令電流規(guī)定為、反饋電流規(guī)定為，將兩者之間的差值-為滯環(huán)的比較器的輸入，利用滯環(huán)比較器的輸出結(jié)果來控制逆變器開關(guān)的開合狀態(tài)。如圖3—14。設(shè)比較器的滯環(huán)的寬度為h 。當(dāng)給反饋電流比規(guī)定電流大時，且誤差大于0.5h，比較器輸出負電平，開關(guān)器件斷開、閉合，使實際輸出電流減少。當(dāng)實際輸出電流減少到和指令電流值相同時，滯環(huán)比較器仍然輸出負電平，持續(xù)斷開狀態(tài)、持續(xù)閉合狀態(tài)，實際輸出電流一直減少，一直到誤差大于0.5h，滯環(huán)控制器翻轉(zhuǎn)，比較器輸出正電平，轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)，使反饋電流增大，一直增大到比規(guī)定電流高0.5h。過程無限重復(fù)，實際輸出電流與指令電流的誤差保持在-0.5h—0.5h之間，而且輸出電流隨反饋電流上下做鋸齒狀變化，實現(xiàn)對電流的跟蹤。
如圖3—15所示。
圖3—14 電流滯環(huán)跟蹤控制原理圖
圖3—15 電流滯環(huán)跟蹤控制波形圖
滯環(huán)電流控制特點：
(1) 較快的瞬間響應(yīng)；
(2) 較高的穩(wěn)定性；
(3) 有快速限流能力，但開關(guān)損耗大。
3.5驅(qū)動電路
驅(qū)動電路：主電路和控制電路之間，對控制電路的信號進行放大處理的中間電路（即放大控制電路的信號使其能夠驅(qū)動功率晶體管）。按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，可以將電力電子器件分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型兩類。晶閘管是半控型器件，一般其驅(qū)動電路成為觸發(fā)電路，下面分別分析晶閘管的觸發(fā)電路，GTO、GTR、電力MOSFET和IGBT的驅(qū)動電路。
驅(qū)動電路特點：
（1） 驅(qū)動電路既能保證器件的充分導(dǎo)通又能可靠關(guān)斷以減低器件的導(dǎo)通和開關(guān)損耗；
（2） 具有可靠的保護能力，當(dāng)主電路或驅(qū)動電路自身出現(xiàn)故障時，驅(qū)動電路應(yīng)迅速封鎖輸出正向驅(qū)動信號并正確關(guān)斷器件以保障器件的安全；
（3） 實現(xiàn)與主電路的電隔離；
（4） 具有較強的抗干擾能力，目的是防止器件在各種外擾下的誤開關(guān)。
本文采用的是IGBT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)時間，減少開關(guān)損耗，對裝置的運行效率?？煽啃院桶踩远加兄匾囊饬x。
驅(qū)動電路的基本任務(wù)，就是按照控制目標(biāo)的要求，將單片機輸出的脈沖進行功率放大,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：
a提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷菏笽GBT可靠的開通和關(guān)斷。?
b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(dǎo)通。
c盡可能小的輸入輸出延遲時間,以提高工作效率。
d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。?
e具有靈敏的過流保護能力。
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3—16。
圖3—16 EX840/EX841集成電路
注意如下幾點：
? (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)斷時間延長,使得開通能耗增加；相反,如果RG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容,一般取值為47F。??
（4）6腳過電流保護取樣信號連接端,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。
4 結(jié)論
本論文研究了小型獨立運行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及其運行狀況，提出了系統(tǒng)構(gòu)成的具體解決方案，論文的重點在于電氣設(shè)計部分，因此作者對電氣設(shè)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(shè)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(shè)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(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到了預(yù)期的要求，證明了方案的切實可行和正確無誤。將該電氣設(shè)計接入風(fēng)機組和逆變電路之間，即可實現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)戶用型50HZ交電。
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致謝
在論文完成之際，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師李有安老師的熱情關(guān)懷和悉指導(dǎo)。在我撰寫論文的過程中，李有安老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、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，我都得到了李老師悉心細致的教誨和無私的幫助，特別是他廣博的學(xué)識、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，在此表示真誠地感謝和深深的謝意。??
在論文的設(shè)計過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，向在百忙中抽出時間對本文進行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地，真誠的感謝！
李函朔
2015年6月5號
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