風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)蓄電池系統(tǒng)20112104425

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)蓄電池系統(tǒng)學(xué)號：20112104425 姓名：艾熱拉提.馬木西風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)蓄電池系統(tǒng)【摘要】 風(fēng)能是可再生能源中最重要的能源之一,風(fēng)力發(fā)電對于改善能源結(jié)構(gòu)、推動生態(tài)和環(huán)境建設(shè)具有十分重要的意義。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有投資小、使用靈活的特點,非常適合于解決居住相對分散、風(fēng)力資源較好的無電地區(qū)居民的用電問題,具有廣闊的市場前景。 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雖然已經(jīng)在國內(nèi)外大規(guī)模使用,但由于存在效率低和可靠性不高的問題,直接限制了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用和發(fā)展。本文引入能量管理集成控制的思想,從分析系統(tǒng)工作原理、能量流動關(guān)系和工作模式轉(zhuǎn)換入手,通過系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模、仿真研究和實驗研究,以期實現(xiàn)小型

2、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運行。論文首先簡述了風(fēng)力發(fā)電的意義和風(fēng)能利用及風(fēng)力發(fā)電歷史,綜述了美國、加拿大、歐洲和我國的小型風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,總結(jié)了小型風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用狀態(tài)及存在問題,概括了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的國內(nèi)外研究狀況。其次,為了提高小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率和可靠性,采用了定槳距風(fēng)力機(jī)直接耦合永磁同步發(fā)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在二極管整流橋與蓄電池之間插入DC/DC變換器實現(xiàn)功率調(diào)節(jié),結(jié)合機(jī)械折尾翼與耗能電阻方式進(jìn)行風(fēng)力機(jī)限速保護(hù)。介紹了研究的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各組成部分的工作原理,闡述了風(fēng)力機(jī)運行特性、DC/DC變換器阻抗變換原理及通過DC/DC變換器實現(xiàn)最大功率跟蹤控制和負(fù)載跟蹤控制的功率調(diào)

3、節(jié)原理。第三,分析了傳統(tǒng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作特性,指出了系統(tǒng)無功率調(diào)節(jié)及風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)功率匹配不盡合理是系統(tǒng)效率低的主要原因,系統(tǒng)不對充放電電流進(jìn)行控制會引起蓄電池提前損壞。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運行,將能量管理集成控制思想引入小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),完成對系統(tǒng)內(nèi)部能量變換、流動及設(shè)備安全保護(hù)的檢測和控制。分析了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的能量流動關(guān)系以及系統(tǒng)可能的工作模式,找出能量在系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換的規(guī)律和工作模式轉(zhuǎn)換條件,建立了工作模式轉(zhuǎn)換圖。第四,介紹了最大功率跟蹤控制方法的原理,給出了一種無機(jī)械傳感器的最佳功率給定法,針對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的非線性和時變性特點,設(shè)計了一種自整定型模糊PID控制器進(jìn)行功

4、率調(diào)節(jié)。第五,分析了鉛酸蓄電池的工作特性和影響蓄電池壽命的各種因素,結(jié)合快速充電原理和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)特性,提出了一種變電流快速充電和基于電流補(bǔ)償?shù)幕夭铍妷悍烹娍刂撇呗?。變電流快速充電控制既能夠快速儲存能?又可以避免過充電;具有電流補(bǔ)償功能的回差電壓放電控制能夠保證在不同放電電流下蓄電池放出相同的能量,同時又避免過放電。2.3 風(fēng)力機(jī)工作原理 風(fēng)力發(fā)動機(jī)的風(fēng)輪與紙風(fēng)車轉(zhuǎn)動原理一樣，但是，風(fēng)輪葉片具有比較合理的形狀。為了減小阻力，其斷面呈流線型。前緣有很好的圓角，尾部有相當(dāng)尖銳的后緣，表面光滑，風(fēng)吹來時能產(chǎn)生向上的合力，驅(qū)動風(fēng)輪很快地轉(zhuǎn)動。對于功率較大的風(fēng)力發(fā)動機(jī)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速是很低的，而與之聯(lián)合工

5、作的機(jī)械，轉(zhuǎn)速要求較高，因此必須設(shè)置變速箱，把風(fēng)輪轉(zhuǎn)速提高到工作機(jī)械的工作轉(zhuǎn)速。風(fēng)力發(fā)動機(jī)只有當(dāng)風(fēng)垂直地吹向風(fēng)輪轉(zhuǎn)動面時，才能發(fā)出最大功率來，由于風(fēng)向多變，因此還要有一種裝置，使之在風(fēng)向變化時，保證風(fēng)輪跟著轉(zhuǎn)動，自動對淮風(fēng)向，這就是機(jī)尾的作用。風(fēng)力發(fā)動機(jī)是多種工作機(jī)械的原動機(jī)。利用它帶動水泵和水車，就是風(fēng)力提水機(jī)；帶動碾米機(jī)，就是風(fēng)力碾米機(jī)；此類機(jī)械統(tǒng)稱為風(fēng)能的直接利用裝置。帶動發(fā)電機(jī)的就叫風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它們均由兩大部分組成，一部分是風(fēng)力發(fā)動機(jī)本體和附件，是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置；另一部分是電氣部分，包括發(fā)電機(jī)及電氣裝置，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并可靠地提供給用戶。小風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量不大，功率一般

6、從幾瓦到幾千瓦，大都具有結(jié)構(gòu)簡單，搬運方便的優(yōu)點。按風(fēng)力發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)的連接方式分，有變速連接的和直接連接的兩種。3.2 運行方式 風(fēng)能發(fā)電的主要形式有三種：一是獨立運行；二是風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式(如柴油機(jī)發(fā)電)相結(jié)合；三是風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電。 小型獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)： 小型獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般不并網(wǎng)發(fā)電，只能獨立使用，單臺裝機(jī)容量約為100 瓦-5千瓦，通常不超過10 千瓦。它的構(gòu)成為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)充電器數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。葉片用來接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永

7、磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。因風(fēng)量不穩(wěn)定，故小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的是1325V 變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能。然后用有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V 市電，才能保證穩(wěn)定使用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)蓄電池的合理配置有了合適的風(fēng)力資源，怎樣選擇一臺合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)呢？這需要根據(jù)實際用電情況，計算需要的用電負(fù)荷，根據(jù)用電負(fù)荷來選擇合適功率的發(fā)電機(jī)。常見用電設(shè)備的功率和估計用電量參考下表：電器名稱一般電功率(W)估計用電量（度）窗式空調(diào)機(jī)800-1300最高每小時0.8-1.3燈泡60-100每小時0.06到0.1家用電冰箱65-1

8、30大約每日0.85-1.7家用洗衣機(jī)(單缸)(雙缸)加熱（滾動式）230-380850-1750最高每小時0.23最高每小時0.38最高每小時0.85-1.75微波爐950每10分鐘0.16電熱淋浴器1200每小時1.2電水壺2000每小時2電飯煲1200每小時1.2電熨斗750每20分鐘0.25理發(fā)吹風(fēng)器450每5分鐘0.04電腦300每小時0.3吸塵器400每15分鐘0.1吊扇（大型）（小型）15075每小時0.15每小時0.08其他設(shè)備如電動機(jī)、水泵、通信設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備等未列出，請根據(jù)具體設(shè)備的功率進(jìn)行計算。一般用電設(shè)備按負(fù)載分為三大類，即電阻性負(fù)載（如燈泡、熱水器、電視機(jī)）、電容性負(fù)

9、載（如交換式電源供應(yīng)器）及電感性負(fù)載（如傳動馬達(dá)、洗衣機(jī)、水泵、空調(diào)）。在計算總功率時電阻性負(fù)載和電容性負(fù)載按實際功率累加，電感性負(fù)載按三倍實際功率累加，得到的總功率再乘1.2即為所需風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率。比如1臺800W空調(diào)+3個60W燈泡+1臺200W電視機(jī)，所需的風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率為(800×3+3×60+200)×1.2=3336W。但如果當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力資源較好，或者用電時間短則可以選用更小一點功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，能夠提供每日所需總用電量即可。三、逆變器的選擇如果電器中有電感性負(fù)載，則需要使用正弦波逆變器；如果只有電阻性負(fù)載和電容性負(fù)載則只配備修正波或方波逆變器即可。這

10、是因為電感性負(fù)載的反電動勢是修正波或方波的致命傷，必須使用正弦波。而電容性負(fù)載需要較高的峰值電壓來驅(qū)動，修正波或方波恰好有高峰值的特性，無須使用正弦波。在選擇逆變器功率時需注意，一定要保證逆變器的最大輸出功率大于同時使用的用電設(shè)備的總功率（電感性負(fù)載的功率按三倍實際功率計算）。四、是否并網(wǎng)如果當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)允許用戶的發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，則可以選擇并網(wǎng)控制器和并網(wǎng)逆變器，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電并入電網(wǎng)；用戶的用電設(shè)備可連接電網(wǎng)使用，這樣就省去了蓄電池組?？蛻粼谟嗁徫覀兊漠a(chǎn)品時，只需注明是否并網(wǎng)即可，我們會根據(jù)客戶的需要來選擇控制器和逆變器。五、選擇蓄電池在離網(wǎng)環(huán)境中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用需要配合蓄電池，蓄電池組的

11、總?cè)萘堪匆韵陆?jīng)驗公式計算：總?cè)萘?（每日用電時間×用電器總功率×1.67）÷蓄電池組電壓。在實際應(yīng)用中，蓄電池組的電壓需和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出直流電壓一致。下面舉例說明：用電設(shè)備總功率800W、每天用電6小時、風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率1000W、額定電壓48V，則配套蓄電池的理論總?cè)萘?（6×800×1.67）÷48=167AH。在實際配置中應(yīng)該比計算值稍大一點，因為蓄電池是不應(yīng)該完全放電的，因此選擇200AH48V的蓄電池一塊，或100AH24V的蓄電池兩塊串聯(lián)使用。但不應(yīng)配置更大的蓄電池，以免蓄電池因長時間浮充或充不滿影響壽命。蓄電池配置說

12、明：1.蓄電池必須安放在干燥的室溫較穩(wěn)定的建筑物內(nèi)，安放蓄電池的四周要寬敞通風(fēng)，確定好蓄電池串聯(lián)的總數(shù)量，然后設(shè)計安放蓄電池和控制器、逆變器的支架。2.將蓄電池串聯(lián)起來，具體方法是：第一塊電池的正極接第二塊電池的負(fù)極，依次類推。3.把所有接線頭部位都涂上油脂或其他防腐蝕材料，在蓄電池正極安裝保險絲。風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)量不穩(wěn)定，故其輸出的是1325V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能。然后用有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。機(jī)械連接與功率傳遞水平軸風(fēng)機(jī)槳葉通過齒輪箱及其高速軸與萬能彈性聯(lián)軸節(jié)相連,將轉(zhuǎn)矩傳遞到發(fā)

13、電機(jī)的傳動軸,此聯(lián)軸節(jié)應(yīng)按具有很好的吸收阻尼和震動的特性，表現(xiàn)為吸收適量的徑向、軸向和一定角度的偏移，并且聯(lián)軸器可阻止機(jī)械裝置的過載。1. 蓄電池容量的確定 蓄電池容量配置的是否合理，直接影響風(fēng)力發(fā)電的各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。容量選的小了，多風(fēng)時發(fā)出的富余電量得不到充分儲存。容量選的太大，一則增加投資；二則蓄電池可能會長期處于充電不滿狀態(tài)，將會影響蓄電池的效率和使用壽命。表一為蓄電池在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中所占投資情況。 一般常規(guī)充電是“兩階段恒電流充電”，此法既不浪費電力，充電時間短，對延長蓄電池使用壽命有利，同時計算蓄電池容量也容易得多。風(fēng)力發(fā)電的情況，則不同于常規(guī)充電。 由于風(fēng)速經(jīng)常變化，電機(jī)輸出的電

14、流時大時小，時有時無，這樣蓄電池充電電流和所需充電時間就很難確定。針對這種實際情況，我們采用如下兩種計算方法來確定配置蓄電池容量。1.電量平衡計算法。 計算步驟如下： a.根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的風(fēng)速資料，以十天為一時度，逐旬分別統(tǒng)計風(fēng)機(jī)起始工作風(fēng)速至停機(jī)風(fēng)由范圍內(nèi)的不同風(fēng)速發(fā)生小時數(shù)。 b.根據(jù)選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的Pf(V)特性曲線和風(fēng)速資料，計算臺機(jī)逐旬所能發(fā)出的電量，并繪出其全年發(fā)電量過程曲線。圖是根據(jù)內(nèi)蒙察右后旗的風(fēng)速資料計算繪制的商都牧機(jī)廠ED1.5100型風(fēng)機(jī)的年發(fā)電量過程線。計算得出該機(jī)在當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況下，年發(fā)電量為276度。從過程線看出各旬的發(fā)電量變化很大，最多的四月下旬為19度，最少

15、的二月下旬僅0.95度、相差近20倍，說明配置蓄電池進(jìn)行儲能調(diào)節(jié)是必要的。 C根據(jù)用電信況，計算出逐旬的用電量，并給出全年用電量過程線。附圖中虛線所示。 d.比較發(fā)電量和用電量過程線，以發(fā)電少于用電差值最大的時段(圖中斜線部分)的電量來確定所需蓄電池容量。圖中差值最大的電量為2。3度。需配置2300伏安時電池，實際選用12伏48安時蓄電池4塊?？?cè)萘?304伏安時。2.經(jīng)驗計算法 根據(jù)我們試點的經(jīng)驗，在察右后旗、商都地區(qū)的風(fēng)況下，也可采用以下公式簡便估算所需電池容量。即 式中：Q所需配置蓄電池容量(安時)； p負(fù)載功率(瓦)； t日用電小時數(shù)； U標(biāo)準(zhǔn)蓄電池電壓(一般為12伏)； n電池儲備周

16、期系數(shù)；(根據(jù)風(fēng)況而確定，一般取38天) K放電控制系數(shù)、(取0.750.8) 上式考慮了：用電設(shè)備的額定功率，當(dāng)?shù)貧庀笄闆r，即無風(fēng)期平均時間，為了防止蓄電池過放電，放電應(yīng)控制在一定程度。 仍以察右后旗為例，安裝一臺100瓦機(jī)，供3戶用電，每戶裝設(shè)12伏15瓦的燈泡2只平均每天照明5小時，計算所需配置的蓄電池容量。(儲備系數(shù)取6，放電控制系數(shù)取0.8)代入公式得： 選用6塊l 2伏48安時蓄電池，總?cè)萘?88安時。 確定標(biāo)準(zhǔn)電池時，必須注意：蓄電油組的容量應(yīng)能安全接受風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的最大電流強(qiáng)度Imax。3. 蓄電池的類型選擇 蓄電池有多種類型，目前，風(fēng)力發(fā)電普通采用于荷鉛酸蓄電池。這種電池灌

17、液后，經(jīng)過30分鐘，待液溫為l 5時即可使用，不需要進(jìn)行初充電。對剛剛安裝風(fēng)力機(jī)，又不具備初充電條件的偏遠(yuǎn)地方，立即可以用電，是很優(yōu)越的。這種電池的缺點是體積和重量較大，搬運不方便。市場銷售的鋁酸蓄電池多是機(jī)動車啟動用電池，其極板結(jié)構(gòu)和制造特點，使用在風(fēng)力發(fā)電的充放運行條件下，是不適合的，使用命短，一般只有23年左右。在容量較大的風(fēng)力發(fā)電站中，最好采用固定型防酸隔爆式鉛蓄電池，這種電池具有容量大，電液比重較低(15時約在1.21左右)，減少對極板和隔板的腐蝕，可延長蒸發(fā)時間，還有防滲漏措施，減少了對地的放電。 堿性蓄電池體積小。重量輕，使用壽命可達(dá)15年左右，在我區(qū)也有少量使用。堿性電池壽命雖

18、然比酸性電池長57倍，但其價格卻高出酸性電池10幾倍。從經(jīng)濟(jì)上考慮，我們認(rèn)為在小型風(fēng)力發(fā)電中還是使用于荷鉛酸蓄電池較有利。 4. 影響蓄電池使用壽命的原因 1.在充電過程中，隨著充電時間的增加，電池電動勢E也相應(yīng)地在增大。到充電終期，若端電壓V充不變，電池電動勢E達(dá)到與V充相等時，即電池內(nèi)阻Y池也降到很小，則I充也應(yīng)很小。這是電池本身所需要的正確充電方法。 而風(fēng)力發(fā)電在充電中，沒有穩(wěn)定的較長時間的連續(xù)充電電流，不能按照一定的充電率進(jìn)行充電，而是由風(fēng)的大小來主宰著充電電壓的高低，甚至在充電終期會出現(xiàn)電流過大，不僅要多損耗發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，而且由于電液強(qiáng)烈沸騰，冒氣過甚，電液溫度太高，會使電池極板活性物質(zhì)受到?jīng)_擊而加速脫落，從而減少蓄電池的使用壽命。 2.由于用戶缺乏有關(guān)知識，對電池的正確使用與維護(hù)較差，充放電程度掌握不好，常發(fā)生過充過放現(xiàn)象，且添補(bǔ)蒸餾水不及時，造成部分極板硫化?；蛟诩右簳r不注意液溫(灌注新電瓶時)，使電池液溫升很高，產(chǎn)生過大的冒泡沸騰，運動速度加快，動能增加，將封口膠沖裂，導(dǎo)致極板活性物質(zhì)過早的脫落，這些是影響壽命的主要原因。 3.電瓶制造質(zhì)量差，其結(jié)構(gòu)和電氣性能不適合風(fēng)力發(fā)電使用條件的要求，也要降低使用壽命。5. 蓄電池的正確使用維護(hù) 在小型風(fēng)力發(fā)電個，蓄電池造價占總造價的2446%，年折舊費占成本總額的50%以上，這是由于蓄電池價格高，使用壽命短所致。因此加