小型独立运行风力发电系统研究.docx
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小型独立运行风力发电系统研究
黑龙江大学本科生
毕业论文（设计）档案
编码：
jx21-045-080602-20063613
学院：
电子工程学院
专业：
自动化
年级：
2006
学生姓名：
刘占通
毕业论文题目：
小型独立运行风力发电系统研究
指导教师：
张鹏
装订日期：
2010年5月30日
备注栏
摘要
风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视，风力发电也逐渐成为了时下的朝阳产业。
本论文详细阐明了小型独立风力发电系统的设计方案，对风力发电机组的结构和电能的变换及继电控制电路做了深入的研究。
本文提出的解决方案为，风力发电机组带动三相交流发电机，然后通过AC—DC—AC变换为用户需要的标准交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组，通过控制电路的监控实现系统的控制，保证系统在风能充足时可蓄能，在风能不充足时亦可为负载供电。
系统的运行状况采用继电控制电路监控和切换。
本论文的重点在于继点控制电路的设计，并对各种不同风力情况下系统的运行状况进行了全面而严谨的分析，最后电气控制部分进行了系统仿真。
关键词
风力发电机组；整流——逆变；继电控制
Abstract
Asacleanandrenewableenergy,Windpowerhasarousedmoreandmoreattentionandgraduallybecomeasunriseindustrynowadays.Thethesisclarifiesthedesignofthesmallindependentwindpowergenerationsystemindetailandmakesadeepresearchaboutthestructureofthewindturbinesystem,powertransformationandtherelaycontrolcircuit.
Inviewoftheauthor,thesolutionis:
windturbinegeneratorsdrivethree-phaseACelectricgenerator,thenthepoweristransformedintostandardACpowerthroughtheAC-DC-ACsystem.Andconsideringinstabilityofthewind,wemustinstallbatteriesinthissystemsothatwecanensurenormalpowersupply.Theoperationofthesystemismonitoredandswitchedbytherelaycontrolcircuit.
Thepaperfocusonthecontrolcircuitpart.Andmakeaspecificanalysisabouttheoperationofthesysteminalldifferentconditions.Intheend,thepapermadesimulationtosupportthetheories.
Keyword
WindTurbineSystem;AC-DC-AC;RelayControlCircuit.
目录
摘要i
Abstractii
第一章绪论1
1.1风力发电概述1
1.1.1风力发电现状与展望1
1.1.2风力发电的原理和特点2
1.2论文系统概述3
第二章风力机原理及其结构4
2.1风力机的气动原理4
2.2风力机的主要部件4
2.3风力机的功率5
第三章电气设计部分6
3.1发电机6
3.1.1发电机结构、工作原理及电路图6
3.1.2励磁调节器的工作原理7
3.2整流部分8
3.2.1电路图和工作原理8
3.2.2参数选择10
3.3蓄电池10
3.3.1蓄电池的性能10
3.3.2充放电保护电路11
3.4逆变电路12
3.4.1逆变电路及其工作原理12
3.4.2IGBT的驱动电路14
第四章系统整体运行分析及仿真17
4.1系统分析17
4.2逻辑说明18
4.3系统仿真21
结论24
致谢26
参考文献25
第一章绪论
风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。
而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。
因此风力发电正越来越引起人们的关注。
[1]
1.1风力发电概述
1.1.1风力发电现状与展望
全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53×106亿kWh/年。
作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。
近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。
而风能售价也已能为电力用户所承受：
一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到2～2.5美分/kWh，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。
2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12——关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。
按照风电目前的发展趋势，预计2008～2012年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，2017～2020年期间为10%。
其推算的结果2010年风电装机1.98亿KW，风电电量0.43×104亿kWh，2020年风电装机12.45亿KW，风电电量3.05×104亿kWh，占当时世界总电消费量25.58×104亿kWh的11.9%。
[2]
世界风电发展有如下特点：
（1）风电单机容量不断扩大。
风电机组的技术沿着增大单机容量、提高转换效率的方向发展。
风机的单机容量已从600KW发展到2000～5000KW,如德国在北海和易北河口已批量安装了单机5000KW的风机,丹麦已批量建设了单机容量2000～2200KW的风机。
新的风电机组叶片设计和制造广泛采用了新技术和新材料，有效地改善并提高了风力发电总体设计能力和水平。
另外,可变桨翼和双馈电机的采用,使机组更能适应风速的变化,大大提高了效率。
最近,又发展了无齿风机等,进一步提高了安全性和效率。
（2）风电制造企业集中度较高。
目前，主要风电设备制造企业集中在欧美国家，全世界风电机组供应商的前10位供应了世界新增装机容量的90%以上的份额，集中度比较高。
近来，GE风能（GEWindEnergy）、德国REpower（REpowerSystemsAG）和三菱重工（MHI）的市场份额提高迅速。
（3）风电电价快速下降。
由于新技术的运用，风电的电价呈快速下降趋势，且日益接近燃煤发电的成本。
以美国为例，风电机组的造价和发电成本正逐年降低，达到可与常规发电设备不相上下的水平。
有关专家预测，世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降15%。
中国的风能资源十分丰富。
根据全国900多个气象站的观测资料进行估计，中国陆地风能资源总储量约32.26亿KW，其中可开发的风能储量为2.53亿KW，而海上的风能储量有7.5亿KW，总计为10亿KW。
我国的风电开发起步较晚，大体分为三个阶段。
第一阶段是1986～1990年我国并网风电项目的探索和示范阶段。
其特点是项目规模小，单机容量小，最大单机200KW，总装机容量4.2千KW。
第二阶段是1991～1995年示范项目取得成效并逐步推广阶段。
共建5个风电场，安装风机131台，装机容量3.3万KW，最大单机500KW。
第三阶段是1996年后扩大建设规模阶段。
其特点是项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量6.18万KW，最大单机容量达到1300KW。
随着风电技术的日趋成熟和电力规模的扩大，风力发电机的功率在向大型化方向发展。
风力发电这一朝阳产业必将蓬勃发展，成为将来能源供给的支柱产业！
1.1.2风力发电的原理和特点
风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。
风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。
桨叶具有良好的动力外形，在气流的作用下能产生空气动力是风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。
然后在依据具体要求需要，通过适当的变换将其存储为化学能或者并网或者直接为负载供电。
[3]
风力发电有如下特点
（1）可再生，且清洁无污染。
（2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。
（3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。
风力发电的运行方式主要有两种：
一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。
本论文讨论的是前者，即独立运行风电系统的解决方案。
1.2论文系统概述
该独立运行的风力发电系统结构图如下1—1所示：
图1-1独立运行的风力发电系统结构图
其具体运行状况为：
（1）风力吹动风轮转动。
（2）风力发电机组通过连接的齿轮变速箱来提高输出端转轴的转速，该轴与发电机相连。
（3）转轴带动三相交流发电机（三相Y型连接）转动，开始发电。
（此时发出的是频率和幅值都不稳定的交流电）。
（4）引出的三相交流电通过整流器变成稳定的直流电。
（5）a.若风能充足，直流电经控制电路流向逆变器，并向蓄电池充电；
b.若风能不足，控制电路切换为蓄电池供电状态。
（6）直流电经逆变器变换为恒频稳定交流电。
此时即可实现为负载供电。
第二章
风力机原理及其结构
风力机经过多年的发展和演变，已经有很多形式，但是归纳起来，可分为两类：
①水平轴风力机，风伦的旋转转轴与风向平行；②垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直与地面或气流方向。
本系统中采用的是水平轴风力机。
2.1风力机的气动原理
风力发电机组主要利用气动升力的风轮。
气动升力是由飞行器的机翼产生的一种力，如图2--1。
图2-1气动升力图
从图可以看出，机翼翼型运动的气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，在其下表面形成高压区，产生向上的合力，并垂直于气流方向。
在产生升力的同时也产生阻力，风速也会有所下降。
升力总是推动叶片绕中心轴转动。
[4]
2.2风力机的主要部件
水平轴风力机主要由风轮、塔架、对风装置、齿轮箱组成，整体结构如图2—2所示：
[5]
（1）风轮：
由1~3个叶片组成，这是吸收风能的主要部件。
当风轮旋转时，叶片受到离心力和气动力的作用，离心力对叶片是一个拉力，而气动力使叶片弯曲。
当风速高于风力机的设计风速时，为防止叶片损坏，需对风轮进行控制，控制风轮有三种方法：
a，使风轮偏离主方向；b，改变叶片角度；利用扰流器，产生阻力，以降低风轮转速。
（2）塔架：
为了让风轮能在较高的风速中运行，需要塔架把风轮支撑起来。
这时塔架需要承受两个主要的载荷：
一个是风力机的重力，向下压在塔架上；另一个是阻力，使图2-2风力主要部件结构图
塔架向风的下游方向弯曲。
选择塔架时要必须考虑其成本，根据实际情况而定。
（3）对风装置：
自然界的风向及风速一直变化，为了得到较高的风能利用率，应使风能的旋转面经常对准风向为此需要对风装置。
本论文只介绍小型风力机的对风装置，如图2—4所示，利用尾舵控制对风。
由尾翼带东水平轴旋转，是风轮总朝向风吹来的方向。
图2-4对风装置
（4）齿轮箱
由于风轮的转速比较低，而且风力的大小经常变化着，这又使得转速不稳定。
所以，在带动发电机之前，还必须附加一个齿轮箱，再加一个调速装置使得转速保持稳定，然后在连接到发电机上。
齿轮箱的主要作用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，通过齿轮副的增速作用使其得到相应的转速。
在装机是应使其与轮毂相连。
为了增加齿轮箱的制动能力，在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置配合叶尖制动装置实现联合制动。
[6]
2.3风力机的功率
风的动能和风速的平方成正比，功率是力和速度的乘积，也可用于风轮功率的计算。
风力与速度平方成正比，所以风的功率与风度的三次方成正比。
如果风速增加一倍，风的功率便会增加8倍。
风轮从风中吸收的功率如下：
（2—1）
（2—2）
式中：
P为输出功率，
为风轮机的功率系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速。
众所周知，如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机的效率总是小于1。
第三章电气设计部分
3.1发电机
在本论文讨论的独立风力发电系统中，采用的是硅整流自励三相交流发电机。
（整流部分将在下一节作详细介绍）
3.1.1发电机结构、工作原理及电路图
本论文提出的系统采用蓄电池组为励磁功供电，并在蓄电池组合励磁绕组之间串联励磁调节器。
其电路图如图3—1所示。
发电机的定子由定子铁心和定子绕组组成，定子绕组为三相，Y型连接，放在定子铁芯内圆槽内。
转子由转子铁芯、转子绕组（即励磁绕组）和转子轴组成，转子铁芯可做成凸极式或形，一般都用爪形磁极，转子励磁绕组的两端接到滑环上，通过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连，从而获得直流励磁电流。
[7]
图3-1串联励磁调节器
独立运行的小型风电机组的风力机叶片多数是固定桨距的，当风力变化时风力机转速随之变化，与风力机相连的发电机的转速也随之变化，因而发电机的出口电压也会产生波动，这将导致硅整流器输出的直流电压及发电机励磁电流的变化，并造成励磁磁场的变化，这样又造成发电机出口电压的波动。
这种连锁反应是的发电机的出口电压的波动范围不断增加。
显而易见，如果电压的波动得不到控制，在向负载供电的情况下，将会影响供电质量，甚至损坏用电设备。
此外独立运行的风力发电系统都带有蓄电池组，电压的波动会导致蓄电池组的过充电，从而降低蓄电池组的使用寿命。
为了消除发电机输出端电压的波动，该硅整流交流发电机配有励磁调节器，如图所示，励磁调节器由电压继电器V1、电流继电器I1、逆流继电器I2及其所控制的动断触电V1、I1和动合触电I2以及电阻R2等组成。
3.1.2励磁调节器的工作原理
励磁调节器的作用是使发电机能自动调节其励磁电流（即励磁磁通）的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响。
[8]
当发电机转速较低，发电机端电压低于额定值时，电压继电器V1不动作，其动断触点V1闭合，硅整流器输出端电压直接施加在励磁绕组上，发电机属于正常励磁状态；当风速加大，发电机转速增高，发电机端电压高于额定电压时，动断触电V1断开，励磁回路中被串入了电阻R2，励磁电流及磁通随之减小，发电机输出端电压随之下降；当发电机电压降至额定值时，触点V1重新闭合，发电机恢复到正常励磁状态。
电压继电器工作时发电机端电压与发电机转速的关系如图3—2所示。
图3-2发电机端电压与发电机转速的关系
风力发电机组运行时，当用户投入的负载过多时，可能出现负载电流过大超过额定值的状况，如果不加以控制，使发电机过负荷运行，会对发电机的使用寿命有较大的影响，甚至损坏发电机的定子绕组。
电流继电器的作用是为了抑制发电机过负荷运行。
电流继电器I1的动断触点I1串接在发电机的励磁回路中，发电机输出的负荷电流则通过电流继电器的绕组；当发电机的输出电流低于额定值时，继电器不工作，动断触点I1闭合，发电机属于正常励磁状态；当发电机输出电流高于额定值时，动断触点I1断开，电阻R2被串入励磁回路，励磁电流减小，从而降低了发电机输出端的电压，并减小了负载电流。
电流继电器工作时，发电机负载电流与发电机转速的关系如图3—3所示。
图3-3发电机负载电流与发电机转速的关系
为了防止无风或风速太低时，蓄电池组向发电机励磁绕组送电，及蓄电池组由充电运行变为反响放电状态，这不仅会消耗蓄电池组所储电能，还可能烧毁励磁绕组，因此在励磁调节器装置内，还装有逆流继电器I2。
发电机正常工作时，逆流继电器的电压线圈及电流线圈内流过的电流产生的吸力是动合触点I2闭合；当风速太低，发电机端电压低于蓄电池组电压时，继电器电流线圈瞬间流过反向电流，此电流产生的磁场与电压线圈内流过的电流产生的磁场作用相反，而电压线圈内流过的电流由于发电机电压下降也减小了，由其产生的磁场也减弱了，故由电压线圈及电流线圈内电流所产生的总磁场的吸力减弱，是的动合触点I2断开，从而断开了蓄电池想发电机励磁绕组送电的回路。
采用励磁调节器的硅整流交流发电机，与永磁发电机比较，其特点是能随风速变化自动调节输出端电压，防止产生对蓄电池组过充电，延长蓄电池组的使用寿命；同时还实现了对发电机的过负荷保护，但由于励磁调节器的动断、动合触点动作频繁，需对出头材质及断弧性能做适当的处理。
而且用该交流发电机进行发电时，发电机的转速必须达到在该转速下的电压时才能对蓄电池组充电。
3.2整流部分
由于自然界风力的不稳定性，交流发电机输出的是不稳定的交流电，频率和幅值都在不断地变化，而用户需要的是正常频率（即50HZ）的稳定交流电，因此必须进行AC—DC—AC变换，即先经过整流变成直流电，之后在经过你变电路将之变成标准的交流电。
如果电能足够充足的话或者空载时还可以将多余的直流电储存在蓄电池组内。
3.2.1电路图和工作原理
目前在所有的整流电路中采用最广泛的是三相桥式全波整流电路，本系统亦采用了该整流电路。
图3-4三相桥式全控整流电路
其电路图如图3—4所示，习惯将阴极连接在一起的3个二极管（VD1、VD3、VD5）称为共阴极组；阳极连在一起的3个二极管（VD2、VD4、VD6）称为共阳极组。
此外，习惯上希望二极管按照从1~6的顺序导通，为此将二极管按照图示顺序编号，按此编号，二极管的导通顺序为VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。
该电路中，对于共阴极组的3个二极管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。
而对于共阳极组的3个二极管，则是阴极所接交流电压值最低的导通。
这样任意时刻共阴极组与共阳极组中各有一个二极管处于导通状态，施加于负载（或者蓄电池组）的电压为某一线电压。
电路工作波形如图3—5所示。
图3-5电路工作波形
从相电压波形看，共阴极组二极管导通时，整流输出电压
为相电压再正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压
为相电压在负半周的包络线。
总的整流输出电压
是两条包络线见的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。
[9]
为了说明各二级管的工作情况，将波形中的一个周期分为6个阶段，每段为60°，每一段中导通的二极管及输出整流电压的情况如表3—1所示。
该表可见，6个二极管的导通顺序依次为VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。
表3—1
时段
①
②
③
④
⑤
⑥
共阴极组
导通二极管
VD1
VD1
VD3
VD3
VD5
VD5
共阳极组
导通二极管
VD6
VD2
VD2
VD4
VD4
VD6
整流输出电压
Ua-Ub=Uab
Ua-Uc=Uac
Ub-Uc=Ubc
Ub-Ua=Uba
Uc-Ua=Uca
Uc-Ub=Ucb
3.2.2参数选择
由于风力发电机组的输出电压与输出电流是会随着风速的波动而发生很大变化的。
如果整流管的参数选择不当，将使元件遭到破坏。
整流管的参数应根据其在电路中可能承受的最大正、反向峰值电压和流过的最大工作电流来选择。
假设100W风力发电机组的输出电压经过整流后，负荷的额定直流电压Uz0=24V，带负荷运行时的最高电压
，最大负载电流
，依式4—1所示计算出，元件承受的最大正、反向峰值电压为
（3—1）
元件流过的最大电流为
（3—2）
由上式计算结果，可选择最大电流5A，最大反向电压50V的硅二极管。
在整流回路中，经常会出现操作过电压获换向过电压。
为了防止过电压破坏元件，通常在整流回路的直流侧接入阻容过电压保护。
电阻R和电容C的值可参照式4—3所示方法估算，[10]即
（3—4）
（3—5）
式中：
为输出的整流电压，V；
为输出的整流电流，A；P为风力发电机输出功率，VA；
为整流器入口交流线电压，V。
3.3蓄电池
在独立运行的小型风力发电系统中，广泛使用蓄电池组作为蓄能装置，蓄电池组的作用是当风力较强或用电负荷减小时，可以将来自风力发电机发出的电能中的一部分储存在蓄电池中，也就是向蓄电池充电；当风力较弱、无风或者用电负荷增大时，储存在蓄电池中的电能向负荷供电，以弥补风力发电的不足，达到维持向负荷持续稳定供电的目的。
本系统采用的是铅蓄电池。
3.3.1蓄电池的性能
单格铅蓄电池的电动势约为2V，将多个单格蓄电池串联组成蓄电池组，可获得不同的蓄电池组电动势。
本论文采用12节铅蓄电池串联，组成24V的蓄电池组。
当外电路闭合时，蓄电池组正负两极间的电位差即为蓄电池组的端电压。
蓄电池组在充电和放电的过程中，端电压是不相等的，充电时端电压高于电动势，放电时端电压低于其电动势。
这是由于蓄电池组存在内阻的原因所致。
蓄电池的容量以Ah表示，其端电压随着放电而逐渐降低，且蓄电池组存在最佳充放电电流，其具体参数将在实际应用中再做具体分析。
蓄电池经过多次充放电后，其容量会降低，当蓄电池的容量敬爱那个地道其额定值的80%以下时，就再不能使用了，也就是说蓄电池有一定的使用寿命。
影响其寿命的原因有很多，如充放电过度、蓄电池的电解液浓度太大或者纯度降低以及在高温环境下使用等都会是蓄电池的性能变坏，降低蓄电池的使用寿命。
蓄电池的充放电电压不仅直接影响蓄电池性能，也会影响用电器的寿命与安全。
图3—6、3—7分别是蓄电池典型的充放电曲线。
图中纵坐标为蓄电池充、放电端电压，曲线标号数字为相应小时的充、放电曲线。
图3-6蓄电池充电曲线图3-7蓄电池放电曲线
从蓄电池充放电曲线可见，如果充电电压过高，将会严重损坏用户的电器；若放电电压过低（放电电流太大或放电时间过长），不仅影响到用户电器的正常使用，而且会缩短蓄电池的使用寿命。
充放电控制器可防止蓄电池的过充与过放。
3.3.2充放电保护电路
该控制器由电压继电器V2、V3和它们所控制的动开触点V2、动合触点V3构成。
其电路如图3—8所示。
下面以本论文24V额定电压为例，负荷最高充电电压限制在28~29V,最低放电电压控制在21~22V。
图3-8充放电保护电路
充电时，当蓄电池电压低于29V时，继电器V2不工作，触点V2闭合，保持充电状态；当该电压高于29V时，继电器V2开始工作，继而控制动断触点V2断开，切断充电电路。
放电时，当蓄电池电压高于21V时，继电器V3工作，其控制的动合触点V3闭合，保持放电状态；当该电压低于21V时，继电器V3停止工作，其控制的动合触点V3断开，从而断开了放电电路。
[11]
3.3.3蓄电池组供电控制设计
控制电路如下图3—9所示，在整流输出端引出两线，与逆变器相接，为负载供电，其通断状态用动合触点I2控制。
并且在蓄电池组的输出端引出两线亦与逆变器相接，作为风能不足时负载的供电电路，其通断状态用动开
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