家用小型風力發(fā)電系統(tǒng)的初步設(shè)計

2023年度本科生畢業(yè)論文〔設(shè)計〕家用小型風力發(fā)電系統(tǒng)的初步設(shè)計院－系：工學院專業(yè)：電氣工程及其自動化年級：2023級學生姓名：學號：導師及職稱：2023年6月2023AnnualGraduationThesis(Project)oftheCollegeUndergraduateThepreliminarydesignof

smallhousehold

windpowergenerationsystemDepartment:ElectricalEngineeringandAutomationMajor:InstituteGrade:2023Student’sName:XuYunDongStudentNo.:202301030020Tutor:ThelecturerHuaJingFinishedbyJune,2023摘要風能作為一種清潔的可再生能源正逐漸受到了人們的重視，風力發(fā)電也成為了時下的朝陽產(chǎn)業(yè)。本論文詳細說明了小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計方案，對風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)和電能的變換及繼電控制電路做了初步的研究。本論文首先介紹了課題的目的和意義，綜述了國內(nèi)外風力發(fā)電的開展概況，簡要概括了風力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的開展狀況，論述了常見小型風力發(fā)電系統(tǒng)的根本組成和各局部的作用，同時對本論文的系統(tǒng)方案做了簡要的概括，著重分析了整流電路與Buck降壓電路的配合，蓄電池充放電繼電保護以及電能輸出的有效性等。還引入了市電切換電路，作為在發(fā)電機故障或蓄電池電量缺乏的情況下為負載供電。為了使能量的利用到達最大化，本系統(tǒng)還引入了并網(wǎng)電路。所以本論文設(shè)計的小型風力發(fā)電機組不但適合偏遠的地區(qū)，也適合市區(qū)家庭使用。本文提出的解決方案為：風力傳動裝置帶動三相永磁交流發(fā)電機，然后通過AC—DC—DC—AC變換為交流電，并且考慮到風力的不穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中并入蓄電池組和穩(wěn)壓器，通過繼電控制電路的監(jiān)控以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，同時并入市電投切，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。本論文的重點在于繼電控制電路的設(shè)計，并對各種不同風力情況下系統(tǒng)的運行狀況進行了全面而嚴謹?shù)姆治?。關(guān)鍵詞：小型風力發(fā)電機組；整流：逆變；繼電控制：蓄電池ABSTRACTWindenergyasacleanandrenewableenergyhasbeenpaidmoreandmoreattention,windpowergenerationhasbecomethesunriseindustry.Thispaperexpoundsthedesignschemeofsmallindependentwindpowergenerationsystem,transformandrelaycontrolcircuitandthepowerstructureofthewindturbinetodoin-depthstudy.Thispaperfirstlyintroducesthepurposeandsignificanceofthetopic,summarizesthegeneralsituationofdevelopmentofwindpowerathomeandabroad,summarizedthedevelopmentsituationofwindpowergenerationtechnology,discussesthesmallwindpowergenerationsystem,thebasiccompositionandfunctionofeachpartofthesystem,atthesametime,thispapermadeabriefsummary,focusesontheanalysisofthecoordinationrectifiercircuitandBuckcircuit,batterycharginganddischargingofrelayprotectionandelectricenergyoutputefficiency.Alsointroducedthepowerswitchingcircuit,asfortheloadofthepowersupplyinthegeneratororbatterypowershortage.Inordertomaketheuseofenergytoachievethemaximization,thissystemalsointroducedthegridcircuit.Sosmallwindturbinesaredesignedinthispaperisnotonlysuitableforremoteareas,butalsosuitableforfamilyuse.Thesolutionproposedinthispaperis:thewindturbinedrivenbythree-phaseACgenerator,andthenthroughtheAC-DC-DC-ACtransformasthestandardalternatingcurrentuserneeds,andconsideringthewindinstability,batteriesareincorporatedinthesystem,therelaycontrolcircuitofthecontrolsystemachievesautomaticcontrol,toensurethesystemcanstorageinthewindinthewindenergyisnotsufficientenough,alsotosupplypowerfortheload.Therunningstatusofthesystemwiththerelaycontrolcircuitandswitchcontrol.Thefocusofthispaper

isthedesignof

relaycontrol

circuit,

andthe

runningstateofthesystemundertheconditionsof

different

wind

hasmadeacomprehensiveand

rigorousanalysis.Keywords:Smallwindturbines;Rectifier;

relaycontrol;Battery目錄TOC\o"1-3"\h\u第一章緒論11.1小型風力發(fā)電概述11.1.1小型風力發(fā)電開展歷程與展望11.2論文系統(tǒng)概述5第二章風力機原理及其結(jié)構(gòu)72.1風力機的氣動原理72.2風力機的主要部件72.3風力機的功率82.4風力機組選型92.4.1風力機選型9第三章電氣設(shè)計局部133.1整流局部133.1.1整流電路圖和工作原理133.1.2整流管參數(shù)選擇153.2蓄電池容量選擇163.3DC/DC變換器183.3.2驅(qū)動電路223.4充放電保護電路233.7蓄電池組供電控制設(shè)計243.8驅(qū)動電路電源設(shè)計253.9逆變電路253.9.1三相電壓型橋式逆變電路263.9.2整流管選型283.9.3逆變電路主電路設(shè)計293.10穩(wěn)壓環(huán)節(jié)313.11市電切換電路323.12并網(wǎng)電路設(shè)計32結(jié)論36參考文獻37致謝38附錄39第一章緒論風能是—種可再生、無污染、取之不盡用之不竭的新能源，也稱之為“綠色能源〞。風能的特點：不需要采購、運輸，不需要開采，不消耗資源，清潔衛(wèi)生。風能具有廣闊的開展前景，在國內(nèi)外得到了廣泛的應用。它是通過空氣流動做功而產(chǎn)生的一種可利用的能量?？諝饬鲃佣a(chǎn)生的動能稱風能?？諝饬魉僭礁?，動能就越大。人們可以用風力機把空氣流的動能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機械能去帶動發(fā)電機。到2023年為止，全世界以風力產(chǎn)生的電力約有105.1百萬千瓦，供給的電力已超過全世界用量的1.5%。風能雖然對大多數(shù)國家而言還不是主要的能源，但在1999年到2023年之間已經(jīng)成長了十倍以上。1.1小型風力發(fā)電概述1.1.1小型風力發(fā)電開展歷程與展望在二十世紀80年代初，國家領(lǐng)導人視察我國的西北部地區(qū)后，向科技部提出了要解決偏遠地區(qū)農(nóng)牧民用電問題的批示?？萍疾拷M織專家考察了這些地區(qū)后，提出了使用小型風力發(fā)電系統(tǒng)解決偏遠地區(qū)農(nóng)牧民供電問題的方案，并列入了國家“六五〞科技攻關(guān)方案。當時，南京航空學院、沈陽工業(yè)大學、清華大學、長沙鐵道學院等一批院校和航空部602所、機械部呼和浩特牧機所、中科院電工所、北京農(nóng)機化研究院、浙江機電研究院、中國氣象科學院等一批院所以及中國船舶工業(yè)總公司884廠、內(nèi)蒙古動力機廠、包頭電機廠、商都牧機廠、北京聯(lián)合收割機廠、北京電機總廠、浙江電力修造廠等企業(yè)都參與了小型風力發(fā)電機的設(shè)計、研制工作。

八十年代中后期，我國的小型風力發(fā)電機已形成了規(guī)?；a(chǎn)的能力，在內(nèi)蒙古等偏遠地區(qū)推廣小型風力發(fā)電機將近二十萬臺，到1992年在丹東召開全國風力機械行業(yè)協(xié)會成立大會時，會員單位多達五十多家。但由于沒有適時建立產(chǎn)品質(zhì)量檢測體系和市場監(jiān)督機制，致使大批低質(zhì)量低價的小型風力發(fā)電機涌入市場，導致產(chǎn)品的本錢與市場價格錯位，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的企業(yè)失去了市場，也喪失了產(chǎn)品更新?lián)Q代和進一步研發(fā)的能力。又加上產(chǎn)品的售后效勞體系不完善，導致小型風力發(fā)電機產(chǎn)品大多出現(xiàn)了質(zhì)量問題，用戶對小風機產(chǎn)品失去了信心，市場急劇萎縮，從而使得整個小型風力發(fā)電機制造行業(yè)全面萎縮。根據(jù)全國風力機械行業(yè)協(xié)會2002年對全國小型風力發(fā)電機產(chǎn)品銷售量的統(tǒng)計，全國共銷售小型風力發(fā)電機產(chǎn)品15670臺套，其中3000W以下的產(chǎn)品12000臺套，并且是低質(zhì)低價的產(chǎn)品為主，工業(yè)產(chǎn)值缺乏2500萬元，不及一個中小企業(yè)的年產(chǎn)值。我國目前的新能源行業(yè)中，小型風力發(fā)電機是為數(shù)不多的與國外技術(shù)水平差距不大的產(chǎn)業(yè)，如果這個產(chǎn)業(yè)能做大，將成為極具國際市場競爭力的產(chǎn)品，為我國出口創(chuàng)匯作出奉獻。希望我國相關(guān)部門能把我國高可靠性、質(zhì)量優(yōu)良的小型風力發(fā)電機產(chǎn)品納入對外援助的產(chǎn)品目錄中。風能約3.53億千瓦〔依據(jù)地面以上10米高度風力資料計算〕，近海可開發(fā)利用的風能約10.5億千瓦(15米深的淺海地帶)，共計約14億千瓦以上。風能利用的主要方式仍是風力發(fā)電。風力發(fā)電的利用方式主要有兩類，一類是獨立運行〔離網(wǎng)型〕供電系統(tǒng)。即電網(wǎng)未通達的偏遠地區(qū)，如高山、草原和海島等，用小型風力發(fā)電機組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電向終端電器供電，單機容量一般在100W-10KW；或者采用中型風電機與柴油發(fā)電機或光伏太陽電池組成混合供電系統(tǒng)，目前系統(tǒng)的容量約10KW-200KW，解決小社區(qū)用電問題。另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，并網(wǎng)運行。商業(yè)化的機組單機容量為150KW-1700KW，既可單獨并網(wǎng)，也可以由多臺，直至成百上千臺風機組成風力發(fā)電場。目前中國風力發(fā)電并網(wǎng)起步雖然相對較晚，但增長卻十分顯著。到2005年底，我國大陸累計安裝風電機組1852臺，累計風電場總裝機容量為1264MW，新增17個風電場?？偣惨延?9個風電工程上網(wǎng)發(fā)電，預計到2023年中國風電裝機容量有望突破3000萬千瓦，其中2006－2023年底風電裝機容量復合增長率有望到達38％，2023－2023年底風電裝機容量復合增長率有望到達43.目前我國大風機的研發(fā)，走的是技術(shù)引進、與國際大公司聯(lián)合開發(fā)之路，技術(shù)水平與研究開發(fā)能力與國外相比都存在較大的差距。但在小型風機的開發(fā)上已積累了豐富的開發(fā)經(jīng)驗，與國外相比差距并不大。小型風機的未來開展方向小型風力發(fā)電機未來的開展趨勢如何？我認為應該包括以下幾個方面：小型風力機與太陽能電池相結(jié)合作為最合理的獨立發(fā)電系統(tǒng)的應用領(lǐng)域還相當廣泛，包括風光互補便攜式電源、風光互補泵水系統(tǒng)、風光互補供暖系統(tǒng)等等。隨著小型風力發(fā)電機產(chǎn)品的多樣化，風光互補獨立供電系統(tǒng)在市政工程、在邊防哨所、在偏遠地區(qū)都有著極廣的應用前景。〔2〕小型風力機并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)眾所周知，德國和日本的光伏屋頂方案促進了太陽能電池產(chǎn)業(yè)的開展。但在英國等陽光資源不好的國家，正在推廣風力發(fā)電機屋頂發(fā)電方案。小型風力發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電，不僅可以改善電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)，也是分布式可再生能源發(fā)電的理想方式。目前，國內(nèi)的小風機產(chǎn)品也開始接受英國等國外的應用測試，開始走向國外。英國、美國等國家已立法鼓勵家庭安裝小型風力發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，這樣一來就為小型風力發(fā)電機并網(wǎng)運行提供了很大的開展空間。但隨著小型風力發(fā)電機在家庭的推廣這就對產(chǎn)品提出了更高的要求，低風速發(fā)電、低噪音、高可靠性、美觀性、平安性等都有了更高的要求。小型風力發(fā)電機的技術(shù)進步是促進產(chǎn)業(yè)開展的根本保證。對我國規(guī)模化開展小型風力產(chǎn)業(yè)的建議我國的小型風力發(fā)電機產(chǎn)業(yè)是有技術(shù)根底的，而且產(chǎn)品都是自主知識產(chǎn)權(quán)和100%的國產(chǎn)化，要保證產(chǎn)業(yè)的健康開展，必須：〔1〕建立完善的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督體系小型風力發(fā)電機產(chǎn)業(yè)經(jīng)常由于產(chǎn)品質(zhì)量的問題一直不受人們重視，當下只有健全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督體系才能杜絕劣質(zhì)產(chǎn)品充滿市場，只有這樣才能給產(chǎn)業(yè)一個公平競爭、健康開展的環(huán)境?！?〕政府工程為小型風力發(fā)電機產(chǎn)品提供一個推廣的時機“送電到鄉(xiāng)〞工程采用的是太陽能發(fā)電系統(tǒng)，這讓我國的小型風力發(fā)電失去了一個推廣和開展的時機，希望“送電到村〞工程能充分考慮采用風光互補發(fā)電系統(tǒng)，給我國的小型風力機產(chǎn)業(yè)提供一個推廣和開展的時機?！?〕關(guān)注小型風力發(fā)電機產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步在我國的新能源行業(yè)中，小型風力發(fā)電機是為數(shù)不多的與國外技術(shù)水平差距不大的產(chǎn)業(yè)，如果能把這個產(chǎn)業(yè)做大，就能成為極具國際市場競爭力的產(chǎn)品，為我國出口創(chuàng)匯作出奉獻。希望我國相關(guān)部門能把我國高可靠性、質(zhì)量優(yōu)良的小型風力發(fā)電機產(chǎn)品納入對外援助的產(chǎn)品目錄中。1.1.常見的小型風力發(fā)電系統(tǒng)如圖1-1所示。圖1-1小型風力發(fā)電系統(tǒng)框圖小型風力發(fā)電是我國遠離電網(wǎng)的山區(qū)、偏遠地區(qū)、移動施工隊、牧區(qū)和特殊地區(qū)解決根本用電問題的主要方式，除具有風力發(fā)電的一般優(yōu)點外，其自身優(yōu)點主要有：小型發(fā)電機可根據(jù)需要變更組件大小，機動性高；也可根據(jù)需要隨時安裝，使用方便，快速解決日常用電問題；小型發(fā)電機能源使用多元化，可與多種不同的可再生能源組合，方便可靠。風力發(fā)電的運行方式主要有兩種：一類是離網(wǎng)獨立運行的供電系統(tǒng)，。離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)通常采用蓄電池組進行儲能，通過逆變器實現(xiàn)交流工頻電能輸出，其單機容量多在10kW以下，是遙遠缺電地區(qū)一種重要的電力生產(chǎn)方式。在缺電地區(qū)，采用小型風力發(fā)電系統(tǒng)為局部負載供電，不但減少了一次性巨額投資，還可以免除火力發(fā)電的溫室氣體排放，起到改善環(huán)境，增強能源的多樣化的作用，有益于能源的可持續(xù)性開展。目前我國小型風力發(fā)電機組的研究和制造已具備相當豐富的經(jīng)驗，技術(shù)上已日趨成熟，形成了我國的系列型譜，并有局部出口。另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運行。并網(wǎng)型發(fā)電是大規(guī)模利用風能最常見最經(jīng)濟的方式，已成為當今世界風能利用的主要形式。并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)是指風力發(fā)電機組的負載是電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)，其控制方式隨風力發(fā)電機和風力機的不同而不同。并網(wǎng)型風力發(fā)電機組的控制關(guān)鍵是功率調(diào)節(jié)，控制方式從定槳距失速控制開展到變槳距控制又開展到近年來的變速控制技術(shù)。本論文討論的是前者，即獨立運行風電系統(tǒng)的解決方案。1.2論文系統(tǒng)概述該獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示：圖1-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖風力發(fā)電系統(tǒng)的硬件構(gòu)成根本上決定了電力變換的效率和系統(tǒng)的本錢，因此如何構(gòu)造硬件結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。硬件回路設(shè)計的時候，在滿足性能要求的前提下，應使主回路的結(jié)構(gòu)盡量簡化，這樣就能夠在提高能量變換效率的同時降低系統(tǒng)本錢。主電路是指從三相永磁同步發(fā)電機發(fā)出的電能到達負載和蓄電池所經(jīng)過的電路，主要包括三相不可控整流電路，Buck變換電路和蓄電池保護電路等。系統(tǒng)主電路如圖1-3所示。圖1-3系統(tǒng)主電路圖其具體運行狀況為：〔1〕氣流吹動風輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，該軸與發(fā)電機相連?！?〕轉(zhuǎn)軸帶動三相交流發(fā)電機〔三相Y型連接〕轉(zhuǎn)動，開始發(fā)電?！泊藭r發(fā)出的是頻率和幅值都不穩(wěn)定的交流電〕?！?〕引出的三相交流電通過整流器變成穩(wěn)定的直流電?！?〕因為整流器輸出的電壓較高，不能直接與逆變器和蓄電池相連，故采用bust降壓電路將整流器輸出的電壓降至蓄電池和逆變器的額定輸入電壓范圍內(nèi)?！?〕a.假設(shè)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.假設(shè)風能缺乏，控制電路切換為蓄電池供電狀態(tài)；C.假設(shè)出現(xiàn)惡劣天氣，風速高于發(fā)電機組的最大風速時或需要檢修系統(tǒng)電路時，可手動關(guān)斷刀閘Q1，防止發(fā)電機產(chǎn)生高壓燒壞其它電子設(shè)備。直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電。此時由于逆變器輸出的電壓波動范圍較大，所以加了一個穩(wěn)壓裝置在逆變器后面，經(jīng)穩(wěn)壓器輸出的電才可供給負載使用。假設(shè)出現(xiàn)多天無風且蓄電池電量缺乏，那么自動切入市電，以保證負載的正常供電。假設(shè)出現(xiàn)系統(tǒng)故障需要檢修，又不想影響負載供電的情況，可手動閉合刀閘Q2，其設(shè)計詳見第三章。第二章風力機原理及其結(jié)構(gòu)風力機經(jīng)過多年的演變和開展，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，風輪的旋轉(zhuǎn)軸與風向平行；②垂直軸風力機，風輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向。本系統(tǒng)中采用的是水平軸風力機。2.1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，機翼附近氣流方向有所變化，在其上外表形成低壓區(qū)，在其下外表形成高壓區(qū)，產(chǎn)生向上的合力，且垂直于氣流方向。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(zhuǎn)動。2.2風力機的主要部件查閱資料可知水平軸風力機的主要部件有風輪、塔架、對風裝置和齒輪箱，其整體結(jié)構(gòu)如圖2—2所示：風輪：本論文所選風力機由3個葉片組成，用來吸收風能。當風輪轉(zhuǎn)動時，葉片受到離心力和氣動力的推動，離心力對葉片施加一個拉力，同時氣動力使葉片彎曲。為防止風速高于風力機的設(shè)計風速使葉片損壞，需對風輪進行控制，控制風輪主要有如下兩種方法：a，改變?nèi)~片角度；b，利用擾流器，產(chǎn)生阻力，以降低風輪轉(zhuǎn)速；c，使風輪偏離主方向等。圖2-2風力主要部件結(jié)構(gòu)圖〔2〕塔架：風輪需要在距地面一定高度的位置才能使風輪在較高的風速下運行。由于塔架需要承受兩個主要的載荷：一個是風力機的重量，向下壓在塔架上；另一個是阻力，使得塔架向風的下游方向彎曲。實際選擇塔架時必須考慮其本錢?！?〕對風裝置：由于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，應使風輪葉片的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準風向這就需要一個對風裝置。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。由尾翼帶動水平軸旋轉(zhuǎn)，使風輪總朝向風吹來的方向。圖2-3對風裝置〔4〕齒輪箱由于自然風帶動風輪的轉(zhuǎn)速較低，而且風速的大小經(jīng)常變化，這就使得風輪機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，不能直接帶動發(fā)電機。所以，還必須安裝一個升速齒輪箱，再加一個調(diào)速裝置使得轉(zhuǎn)速相對保持穩(wěn)定，然后才能連接到發(fā)電機上。齒輪箱的主要作用是將風輪的轉(zhuǎn)速升高并傳遞給發(fā)電機，考慮到齒輪箱的制動能力，在齒輪箱的輸入端或輸出端應設(shè)置剎車裝置配合葉尖制動裝置實現(xiàn)聯(lián)合制動。2.3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。風輪從風中吸收的功率如下：(2—1)(2—2)式中：P為輸出功率，為能利用系數(shù)，為空氣密度，R為風輪半徑，v為風速，為齒輪箱和傳動系統(tǒng)的機械效率〔0.80-0.95〕,為發(fā)電機效率〔0.7-0.98〕。眾所周知，假設(shè)接近風力機的空氣的動能全部都被風力機全部吸收，那么風輪后的空氣就不靜止了，然而空氣不可能完全停止，能量在傳遞過程中也會損失一局部，所以風力機的效率一定小于1。2.4風力機組選型2.4.1風力機選型本論文基于蒙自常年的氣象條件選取某地區(qū)一處適合架設(shè)小型風力發(fā)電系統(tǒng)的地方進行為期一年氣象考察。根據(jù)我自己考察得到的數(shù)據(jù)再與有關(guān)部門對該地區(qū)常年風速統(tǒng)計整理后如表2-1所示。表2-1氣象資料統(tǒng)計表風級名稱風速(m/s)(km/h)陸地地面物象年均天數(shù)〔天〕0無風0.0-0.2<1靜,煙直上10-201軟風0.3-1.51-5煙示風向20-302輕風1.6-3.36-11感覺有風20-503微風3.4-5.412-19旌旗展開50-1004和風5.5-7.920-28吹起塵土180-2505勁風8.0-10.729-38小樹搖擺50-806強風10.8-13.839-49電線有聲10-157疾風13.9-17.150-61步行困難1-28大風17.2-20.762-74折毀樹枝0-19烈風20.8-24.475-88小損房屋010狂風24.5-28.489-102拔起樹木011暴風28.5-32.6103-117損毀重大012颶風>32.6>117摧毀極大0由上表可知，該地區(qū)以輕風，微風，和風，勁風為主。我們又對該地區(qū)多天風速進行測量，粗略統(tǒng)計出每天的風速見表2-2。表2-2日風速持續(xù)時間表風速〔m/s〕3-88>8持續(xù)時間〔小時/天〕732本論文設(shè)計用電對象為單個家庭用戶，因此選擇風力機還必須考慮該風力機發(fā)出的電能是否能夠滿足該用戶?？梢愿鶕?jù)該地區(qū)某用戶平均每天耗電量來選擇風力機組的安裝容量，假設(shè)該用戶的家用負荷有節(jié)能燈5個，彩色電視，洗衣機，冰箱，風扇各一臺。查閱資料可得到這些負載用電量情況統(tǒng)計如表2-3所示。表2-3家用負荷原始資料統(tǒng)計表負荷節(jié)能燈彩色電視洗衣機冰箱風扇額定功率/W1520015012050平均日用電時間/h552108〔6～9月〕臺數(shù)51111日用電總量/KW.h0.37510.31.20.05日用電總計2.925KW.h由表中可以看出該用戶平均每天的用電量約3kwh。根據(jù)該地區(qū)風能資源情況，這里初步選擇額定功率為1kW、額定風速為8m/s的風力機，由風力機輸出功率的公式〔2-3〕可知，對于設(shè)計定型的風力機，其輸出功率與風速的三次方成正比關(guān)系，風機的平均輸出功率可以用下式計算〔2-4〕式中，P為實際風速，單位風力機組輸出電能為〔2-5〕式中，是機組的輸出總電能，單位h；是平均風速為m時的輸出功率，單位是平均風速為m時的時間，單位當風速為時，風力機的平均功率為〔2-6〕根據(jù)該地區(qū)每天風速變化規(guī)律可知風速為3-8m/s的持續(xù)時間為7小時，這里取4m/s代入計算，當風速為4m/s時〔2-7〕當風速大于8m/s時，這里取9m/s代入計算得該時段平均功率為〔2-8〕這樣，風力機每天發(fā)出的電能為〔2-9〕由以上計算可知，風力發(fā)電機組每天約發(fā)電，超過用戶平均每天耗電量3kWh，根本可以滿足該用戶的用電需求。因此選擇額定功率為1kW，額定風速為8m/s的風力發(fā)電機組，在當?shù)仫L能資源條件下，能滿足用戶的用電需求。2.發(fā)電機把風輪的機械能轉(zhuǎn)化為電能。其性能好壞直接影響到整個風力發(fā)電系統(tǒng)的效率。我國現(xiàn)有的小型離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機大多采用的是永磁同步發(fā)電機。永磁同步發(fā)電機采用的是永磁體勵磁，不需要外加勵磁裝置，這就減少了勵磁損耗，同時它也無需換向裝置，所以永磁同步電機一般有較高的輸出效率。圖2-4為三相異步發(fā)電機的功率流程圖，其中，P1為輸入功率；為內(nèi)機械功率；為電磁功率；P2為輸出功率；為附加損耗功率；為轉(zhuǎn)子回路的銅損耗功率；為定子回路的銅損耗功率；為鐵損耗功率。圖2-4三相異步發(fā)電機功率流程圖由于永磁同步電機的轉(zhuǎn)子是永磁體，也就不存在異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路的銅耗問題，也就沒有圖2-4上的消耗。在輸入功率相同，其他的功率損耗也大致相同的情況下，永磁同步電機的輸出功率相對較大。同時，由于不需要勵磁繞組和直流勵磁電源，也就取消了容易出問題的集電環(huán)和電刷裝置，成為無刷電機，因此，結(jié)構(gòu)簡單，運行更為可靠。假設(shè)選擇異步發(fā)電機那么必須靠電網(wǎng)或蓄電池提供勵磁，一方面消耗了蓄電池的電能，另一方面不利于風能利用的最大化。另外，由于風速變化就會影響勵磁調(diào)節(jié)過快從而影響蓄電池及勵磁調(diào)節(jié)器的壽命。雖然用并聯(lián)電容等方式也可用于離網(wǎng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，但由于電容器體積較大，投切不方便，價格較昂貴，所以就各方面考慮，本論文采用的發(fā)電機是稀土永磁發(fā)電機。根據(jù)上述風力發(fā)電機組安裝容量和選取原那么，選定型號為FD4-1/8小型風力機組作為設(shè)計依據(jù)。主要技術(shù)參數(shù)見表2-4。表2-4FD4-1/8型風力機組參數(shù)啟動風速4m/s風輪直徑4m額定風速8m/s工作風速范圍5～20m/s最高平安風速20m/s輸出電壓AC56V額定功率1000W額定轉(zhuǎn)速300r/min最大功率1500W發(fā)電機稀土永磁發(fā)電機發(fā)電機效率≥71%噪音<65dB工作環(huán)境溫度-40℃～塔架高度8m重量350kg風能利用系數(shù)0.41壽命20年GB10760.1-89規(guī)定，額定功率1kW小型風力發(fā)電機的額定電壓為56V，轉(zhuǎn)速工作范圍為65%～150%額定轉(zhuǎn)速。當風力發(fā)電機組工作在該范圍內(nèi)時輸出電壓為36V～84V。第三章電氣設(shè)計局部3.1整流局部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220V/50HZ〕的穩(wěn)定交流電，因此必須進行AC—DC—DC—AC變換，即先經(jīng)過整流變成直流電，然后經(jīng)過BUST變換器降壓，最后再經(jīng)過逆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電池組內(nèi)。3.1.1整流電路圖和工作原理整流器的主要功能是將風力發(fā)電機輸出的三相交流電變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過整流后的直流電經(jīng)過DC/DC變換器再對蓄電池進行充電。一般采用的都是三相橋式整流電路。在小型風力系統(tǒng)中整流器還有另外一個重要的用途，就是當外界風速過小或者根本沒風時，發(fā)電機的輸出功率也隨之減小，由于三相整流橋由二極管構(gòu)成，其導通方向只能是由發(fā)電機的輸出端到蓄電池，這就防止了蓄電池對發(fā)電機的反向供電，對發(fā)電機組起到了保護的作用。根據(jù)系統(tǒng)容量可將整流器分為可控和不可控兩種，可控整流器主要應用在大功率的系統(tǒng)中；不可控整流器主要應用于小功率系統(tǒng)中。因為橋式不可控整流電路由二極管組成，具有功耗低、電路簡單等優(yōu)點。是目前我國獨立運行的小型風力發(fā)電系統(tǒng)中大量使用的運行方式，其原理如圖3-1所示圖3-1三相橋式不可控整流電路如圖3—1所示，習慣將陰極連接在一起的3個二極管〔D1、D3、D5〕稱為共陰極組；陽極連在一起的3個二極管〔D2、D4、D6〕稱為共陽極組。此外，習慣上希望二極管按照從1～6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒍O管按照圖示順序編號，按此編號，二極管的導通順序為D1、D2、D3、D4、D5、D6。該電路中，對于共陰極組的3個二極管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的3個二極管，那么是陰極所接交流電壓值最低的導通。這樣任意時刻共陰極組與共陽極組中各有一個二極管處于導通狀態(tài)，施加于負載〔或者蓄電池組〕的電壓為某一線電壓。電路工作波形如圖3—2所示。圖3-2電路工作波形從相電壓波形看，共陰極組二極管導通時，整流輸出電壓Ud1為相電壓再正半周的包絡(luò)線；共陽極組導通時，整流輸出電壓Ud2為相電壓在負半周的包絡(luò)線。總的整流輸出電壓是兩條包絡(luò)線見的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。為了說明各二級管的工作情況，將波形中的一個周期分為6個階段，每段為60°，每一段中導通的二極管及輸出整流電壓的情況如表3—1所示。該表可見，6個二極管的導通順序依次為D1、D2、D3、D4、D5、D6。表3—1整流管導通順序表時段①②③④⑤⑥共陰極組導通二極管D1D1D3D3D5D5共陽極組導通二極管D6D2D2D4D4D6整流輸出電壓3.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。風力發(fā)電機組的輸出電壓經(jīng)過整流后，有以下主要數(shù)量關(guān)系：輸出電壓平均值空載時，輸出電壓平均值最大，為。隨著負載加重，輸入電壓平均值減小，至進入id連續(xù)情況后，輸入電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值為。可見，在2.34U1～2.45U1之間變化。由于整流器的輸入電壓為36V～84V，由此可得整流輸出電壓平均值最大為〔3—1〕整流輸出電壓最小值為〔3—2〕最大負載電流為〔3—3〕元件流過的平均電流為〔3—4〕由上式計算結(jié)果，可選擇富士康公司生產(chǎn)的型號為MURP20020CT，參數(shù)為200A/500V的硅二極管作為整流管。在整流回路中，經(jīng)常會出現(xiàn)操作過電壓或換向過電壓。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。電阻R和電容C的值可參照如下方法估算，即〔3—5〕〔3—6〕式中：為輸出的最大整流電壓；為輸出的最大整流電流；為風力發(fā)電機輸出功率；為整流器入口交流線電壓。此處R取10Ω，C取100。蓄電池容量選擇確定蓄電池容量的應考慮以下因素：①系統(tǒng)負荷每天需要的電量；②蓄電池的允許放電深度和自放電率；③蓄電池每天需要存儲的電量；蓄電池這一模塊的設(shè)計主要是蓄電池容量的設(shè)計計算和蓄電池組的串并聯(lián)設(shè)計。常用的蓄電池有鎳氫、鎳鎘和鉛酸蓄電池，考慮到技術(shù)成熟性和本錢等因素，本論文使用鉛酸蓄電池。3.從第二章的資料及計算結(jié)果可知，用戶平均每天用電5小時/天，總耗電約為3kWh。假設(shè)充一次電能提供3天的用電量，根據(jù)蓄電池的放電量能等于負載的耗電量的原那么，蓄電池容量計算式為〔3—7〕用于風力發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池通常工作在浮充電和循環(huán)充放電的情況下。該型號蓄電池充放電要求：浮充電流為0.01C，即為8A；恒流充電電流為0.1C，即80A。3.3DC/DC變換器DC/DC變換器是使用半導體開關(guān)器件，將直流電源能量傳送到負載并加以控制，得到另一個直流輸出電壓或電流。該電路通過控制開關(guān)器件的導通和關(guān)斷時間，從而控制從電源端傳送到負載端的能量大小。通常情況下，DC/DC變換器可根據(jù)有沒有變壓器的介入分為直接變換和間接變換兩種，直接變換就是直接進行直流電壓的變化，這種電路也被稱為非隔離型DC/DC變換器，即斬波電路；間接變換那么是先將直流電壓變換為交流電壓，再經(jīng)變壓器升壓或降壓后再變換為直流電，此種需經(jīng)過直－交－直變換的電路也稱為隔離型DC/DC變換器。相對于隔離型DC/DC變換器來說，非隔離型DC/DC變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單且輸出直流效率較高等優(yōu)點，所以本文采用的是非隔離DC/DC變換器。其根本原理圖如圖3-4所示：圖3-4Buck變換器圖中虛線框內(nèi)的全控型開關(guān)管T和續(xù)流二極管D構(gòu)成了一個最根本的開關(guān)型DC/DC降壓變換電路。這種降壓變換電路連同其輸出濾波電路LC被稱為Buck型DC/DC變換器。通過對開關(guān)管T進行周期性的通、斷控制，能將直流電源的輸入電壓變換為電壓輸出給負載。輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為〔3—8〕式中，為開關(guān)管導通時間，為開關(guān)周期，D開關(guān)管導通占空比。輸入電流與輸出電流的關(guān)系為〔3—9〕因此，可得〔3—10〕式中，為Buck變換器的輸入等效電阻，為負載等效電阻。上式說明了Buck變換器的輸入等效電阻與負載等效電阻之間的關(guān)系。在負載等效電阻一定時，調(diào)節(jié)占空比D可以改變Buck變換器的輸入等效電阻。3.3Buck變換器作為主電路的一局部，該變換器主要用于向蓄電池充電和向逆變器供電，同時還起到功率最大化的作用。Buck變換器的設(shè)計要求：①按電感電流連續(xù)模式設(shè)計，工作頻率f為20kHz；②輸入電壓為84V～205V；輸出電壓為21V～28V；最大輸出電壓就是最大充電電壓，即電池在充電過程中能到達的最大電壓值。一般在25℃的溫度下為28V。又因為放電終止電壓為21V，所以輸出電壓為21V～28V。③由蓄電池型號可知輸出電流為8A～80A，額定輸出電流為〔3—11〕④輸出紋波電壓Δ為0.24V，輸出電流紋波系數(shù)k為0.1；⑤最大占空比〔3—12〕最小占空比〔3—13〕Buck變換器主要元件有：功率開關(guān)器件Q、續(xù)流二極管D、輸出濾波電容C、電感L、輸入濾波電容C1。根據(jù)設(shè)計要求確定各元件的參數(shù)和選型。功率開關(guān)器件Q當Q截止時，由于L儲能放電，經(jīng)由D導通續(xù)流，此時，忽略D的導通壓降，那么Q承受的最大反向電壓是最大輸入電壓，考慮1.5倍的設(shè)計裕度，Q承受最大反向電壓為1.5×205=307.5V。當Q導通時，流過的電流最大為L的峰值電流，由下式計算為50.4A?！?—14〕絕緣門極雙極型晶體管IGBT是一種復合器件，它的輸入局部為MOSFET,輸出局部為雙極結(jié)型晶體管(GTR)，因此兼具有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點：高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高(10～40kHz),飽和壓降低，電壓電流容量較大，平安工作區(qū)較寬。因此，IGBT被認為是理想的新型電力電子器件。在功率電子系統(tǒng)中使用IGBT器件，可以改良系統(tǒng)的體積、重量和效率，也可以提高電氣設(shè)備的頻率、節(jié)約材料和節(jié)能。同時，對于Buck變換器設(shè)計可以減少儲能電感的體積。因此，本文功率開關(guān)器件選擇IGBT。根據(jù)上面確定的最大電壓和最大電流，功率開關(guān)器件Q選用富士康公司生產(chǎn)的IGBT(1MBH60D-100),參數(shù)為60A/1000V/260W。續(xù)流二極管D當Q導通時，二極管D承受最大反向電壓為最大輸入電壓205V。當Q截止時，流過D的最大電流為電感L的峰值電流，數(shù)值為50.4A。據(jù)此，并結(jié)合實際條件，續(xù)流二極管D選用MURP20020CT,參數(shù)200A/500V。輸出濾波電感L在Q截止期間，電感L將存儲的電能釋放，與電容C共同保持電流連續(xù)。在電感L電流連續(xù)的工作模式時，且電路處于穩(wěn)態(tài)時，根據(jù)電感電壓伏秒平衡原理，由下式確定電感量?！?—15〕式中，為最大輸出電壓。留有2倍的設(shè)計裕度，最大電感量取為0.25mH。輸出濾波電容C當Buck變換器電路到達穩(wěn)態(tài)時，根據(jù)電容C電荷平衡原理，電容C取值由下式確定〔3—16〕考慮設(shè)計裕度，計算值為692，實際選用1000。電容C兩端最大電壓即為最大輸出電壓28V，所以，選用1000/100V。輸入濾波電容在本系統(tǒng)中選用三相橋式不可控整流電路對發(fā)電機發(fā)出的交流電整流，這樣電容既是整流電路的輸出濾波電容，也是Buck變換器的輸入濾波電容。計算得到Buck變換器輸入側(cè)等效電阻為1.3?～7.1?。計算過程如下〔3—17〕〔3—18〕計算電容的容量〔3—18〕式中，為發(fā)電機的最電角速度，單位rad/s。由于額定功率1kW的風力發(fā)電機的電角速度為76.9rad/s到188rad/s，所以在這里取。計算為536，實際選用1000。電容C兩端最大電壓即為最大輸入電壓205V，所以，選用1000/250V。緩沖電路(RCD)緩沖電路對IGBT的平安工作起著重要作用，它可以有效地抑制開通時浪涌電流和關(guān)斷時浪涌電壓。根本原理如圖3-5所示：圖3-5IGBT緩沖電路RCD緩沖電路，取決于IGBT內(nèi)是否存在感性負載漏流二極管。其工作原理是：當IGBT關(guān)斷時，電容CS通過二極管DS被充電到(VC-VDS)。集電極電流有了分路，集電極電流能較快地減少。當IGBT導通時，CS通過電阻RS和IGBT放電。CS參數(shù)的選擇可按如下的經(jīng)驗公式求得〔3—19〕式中，為最大的集電極電流，單位A；為選定晶體管的額定值，單位V；為最大的集電極電壓上升時間，單位。選用型號為941C6P15K，參數(shù)為。在IGBT導通期間，電容CS通過電阻放電，假設(shè)放電時間為三倍的充電時間常數(shù)，那么電阻為〔3—20〕電阻的功率為〔3—21〕因此，實際選用35?/25W電阻。在IGBT關(guān)斷時，二極管DS電流隨電容充電過程結(jié)束到零；IGBT關(guān)斷后，二極管DS端電壓為最大，按此參數(shù)選擇二極管DS。3.3.2驅(qū)動電路IGBT是一種電壓驅(qū)動型器件，輸入為容性網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動器件時必須對輸入電容進行充放電驅(qū)動電荷負載。為了加快IGBT的開通速度(減小開通時間和開通損耗)和關(guān)斷速度〔減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗〕，在器件導通后，驅(qū)動電壓應保持足夠的幅度，保證IGBT處于飽和狀態(tài)。斷態(tài)情況下，希望柵極驅(qū)動電路能提供一定的負電壓，以保證IGBT的可靠關(guān)斷。為了改善柵極控制脈沖的前后沿和防止振蕩，減小集電極電流上升率di/dt，需要在柵極回路中串聯(lián)柵極電阻RG。RG選的大一些，對減小電流上升率、防止器件損壞有利，但會使IGBT的開關(guān)時間增加，會使開關(guān)損耗增加。根據(jù)IGBT的電流和電壓容量選擇RG。因此在本文中選用富士公司生產(chǎn)的IGBT專用驅(qū)動芯片EXB841。EXB841是一種高速驅(qū)動集成電路，最高使用頻率為40kHz，能驅(qū)動400A/600V或者300A/1200V的IGBT，驅(qū)動電路信號延遲小于1.5μs，采用單電源+20V供電。并且該芯片價格低廉，性能優(yōu)勢明顯，相對更適合用于小型風電系統(tǒng)中。EXB841具有以下功能：①內(nèi)部裝有高隔離的光電耦合信號隔離電路，可隔離交流2500V的信號。②內(nèi)部裝有過流保護電路。過電流檢測電路能按驅(qū)動信號與集電極電壓之間的關(guān)系檢測過流。如發(fā)生過流，驅(qū)動器的低速切斷電路慢速關(guān)斷開關(guān)管IGBT，以防止集電極電流尖峰脈沖損壞IGBT。③單電源電路。可以由外部+20V直流供電電壓，以保證IGBT可靠的導通和關(guān)斷。EXB841的應用電路如圖3-6所示，IGBT的柵-射極驅(qū)動回路接線應為絞線，如果在IGBT集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖，可增加IGBT的柵極串聯(lián)電阻。C7,C8用于吸收電源接線引起的供電電壓變化，一般選用的47μF/20V電容器。該電路有過流檢測輸入和過流保護輸出，當IGBT出現(xiàn)過流時，腳5出現(xiàn)低電平，光電耦合有輸出，對PWM信號提供一個封鎖信號，該信號對EXB841實行關(guān)斷。利用EXB841構(gòu)成的IGBT模塊驅(qū)動電路，具有良好的驅(qū)動特性，輸出的正向柵極電壓和反向柵極電壓均能滿足要求。電路還具有過流或短路保護和防止自通的功能。EXB841構(gòu)成驅(qū)動和保護原理圖如圖3-6所示：圖3-6EXB841構(gòu)成驅(qū)動和保護原理圖3.4充放電保護電路該控制器由電壓繼電器V1、V2和它們所控制的動開觸點V1、動合觸點V2構(gòu)成。其電路如圖3-7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30V,最低放電電壓控制在20V。圖3-7充放電保護電路充電時，當蓄電池電壓低于30V時，繼電器V1不工作，常閉觸點V1閉合，保持充電狀態(tài)；當該電壓高于30V時，繼電器V1開始工作，繼而控制常閉觸點V1斷開，切斷充電電路。放電時，當蓄電池電壓高于20V時，繼電器V2工作，其控制的常開觸點V2閉合，保持放電狀態(tài)；當該電壓低于20V時，繼電器V2停止工作，其控制的常開觸點V2斷開，從而斷開了放電電路。3.7蓄電池組供電控制設(shè)計為了判斷發(fā)電機組是否在向蓄電池和逆變器供電，我們在蓄電池組供電控制電路中接入一個逆流繼電器I1及其所控制的兩個常閉和一個常開開關(guān)?？刂齐娐啡鐖D3-8所示，在降壓線路輸出端引出一條線，與逆變器相接，其通斷狀態(tài)用動合觸點I1控制。并且在蓄電池組的輸出端引一條線亦與逆變器相接，作為風能缺乏時負載的供電電路，其通斷狀態(tài)用常開觸點I1控制。圖3-8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)生的磁力使常閉觸點I1閉合，風電向逆變器供電，同時向蓄電池充電；當風力缺乏，發(fā)電機轉(zhuǎn)速太低時，逆流繼電器產(chǎn)生的磁力消失，此時常開觸點I1閉合，同時常閉觸點I1斷開，此時即切換成蓄電池組向負載供電。3.8驅(qū)動電路電源設(shè)計一般控制系統(tǒng)的電源可以由市電經(jīng)交-直變換獲得，但由于獨立運行小型風力發(fā)電系統(tǒng)遠離電網(wǎng)，系統(tǒng)的工作電源無法由市電提供。因為風能的不確定性，只能將蓄電池作為控制IGBT的驅(qū)動芯片EXB841的來源，IGBT的驅(qū)動芯片EXB841需要+20V電源，控制器需要+5V的工作電源。電源分布情況如圖3-9所示：圖3-9電源分布DC/DC電源模塊選用35W24S5D20F，各參數(shù)見表3-3。由于獨立運行系統(tǒng)的特殊性，蓄電池為電源模塊的電源。蓄電池電壓為24V，即DC-DC電源模塊的輸入電壓為24V，在它輸入電壓V范圍之內(nèi)。表3-335W24S5D15F的參數(shù)電壓V封裝形式FT電壓5V電流5輸出電壓精度溫度系數(shù)0.03%隔離電壓>500V工作溫度3.9逆變電路逆變器就是一種將低壓(12或24伏或48伏)直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20伏交流電的電子設(shè)備。根據(jù)輸入直流電源的性質(zhì)、逆變器的直流輸入波形和交流輸入波形，可以把逆變器分成電壓型逆變器和電流型逆變器。電流型逆變器采用自然換流的晶閘管作為功率開關(guān)，其直流側(cè)電感比擬昂貴，而且應用于雙饋調(diào)速中，在過同步速時需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比擬差，電壓型逆變器整流變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點。電壓型逆變電路有以下主要特點：(1)直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側(cè)電壓根本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻態(tài)。(2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗角情況不同而不同。(3)當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反應的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反應二極管。綜上考慮，本文采用三相電壓型逆變器。3.9.1三相電壓型橋式逆變電路用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖3-10所示，可以看成是由三個半橋逆變電路組成。圖3-10三相電壓型橋式逆變電路電路的直流側(cè)通常只有一個電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個電容器并標出假想中點。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的根本工作方式也是導電方式，即每個橋臂的導電角度為，同一相〔即同一半橋〕上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度以此相差。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通?？赡苁巧厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行，因此也被稱為縱向換流。負載線電壓可由下式求出〔3—22〕設(shè)負載中點N與直流電源假想中點之間的電壓為，那么負載各相的相電壓分別為：〔3—23〕三相電壓型橋式逆變電路的工作波形如圖3-11所示。圖3-11三相電壓型橋式逆變電路的工作波形把上面各式相加并整理可求得〔3—24〕OOOOOOOOOOOO〔3—25〕從波形圖中可以看出。對于U相輸出來說，當橋臂1導通時，，當橋臂4導通時，。因此，的波形是幅值為的矩形波。V、W兩相的情況和U相類似，、的波形形狀和相同，只是相位依次差120°負載參數(shù)時，可以由的波形求出U相電流的波形。3.9.2整流管選型由上面我們知道，逆變電路的輸入電壓即為蓄電池或降壓電路的輸出電壓，蓄電池的放電電壓范圍是21V~28V，這里留2V的裕量，最低放電電壓取20V，最高放電電壓取30V。所以逆變電路的輸入電壓的范圍是20V~30V。根據(jù)三相電壓型橋式逆變電路的原理可得到如下數(shù)量關(guān)系：把輸出線電壓展開成傅里葉級數(shù)得〔3—26〕式中，，k為自然數(shù)。輸出線電壓有效值為〔3—27〕基波幅值和基波有效值分別為〔3—28〕〔3—29〕接下來，我們再對負載相電壓進行分析。把展開成傅里葉級數(shù)得〔3—30〕式中，，k為自然數(shù)。負載相電壓有效值為〔3—31〕由上述計算結(jié)果可知，二極管承受的最大反向電壓為33V，最大反向電流為蓄電池的最大放電電流，即80A，所以這里選用深圳森隆科技公司生產(chǎn)的型號為MR758，參數(shù)為100A/500V的整流管。3.9.3逆變電路主電路設(shè)計圖3-12是SPWM逆變器的主電路設(shè)計圖。圖中VD1—VD6是逆變器的六個功率開關(guān)器件，各由一個續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個逆變器由蓄電池供電。逆變器的作用主要是將直流電變換為交流電，同時，因為我們需要的是220V/50HZ的家庭用電，所以還必須經(jīng)過變壓的環(huán)節(jié)和驅(qū)動環(huán)節(jié)。圖3-12SPWM逆變器的主電路設(shè)計圖(1)變壓環(huán)節(jié)圖3-12給出了逆變電路的根本構(gòu)成，該電路由蓄電池供電，逆變電路輸出電壓再通過變壓器T1變壓才能供給穩(wěn)壓器。變壓器的接線方式采用連接。該逆變電路為導通方式，經(jīng)過高頻功率開關(guān)后，輸出線電壓根本為正弦波。我們已經(jīng)知道逆變電路的輸入電壓是蓄電池的輸出電壓，范圍在20V~30V之間，由此可以算出該逆變電路的輸出最大線電壓有效值為〔3—32〕輸出最小線電壓有效值〔3—33〕可知，變壓器一次側(cè)的輸入電壓范圍為16.5V~24.5V之間，為了方便計算變壓器變比及變壓器輸出電壓范圍，這里取21V，這樣就可以得到變壓器變比K為〔3—34〕那么變壓器二次側(cè)輸出最高相電壓為〔3—35〕最小相電壓為〔3—36〕由上述計算結(jié)果可知，該變壓器的輸出相電壓的范圍為165V~245V。(2)驅(qū)動環(huán)節(jié)由于三相橋式逆變電路中采用的是IGBT管，它在使用的時候需要有驅(qū)動電路，才能使IGBT管子正常地開通和關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動電路必須具備2個功能：一是實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極的電隔離；二是提供適宜的柵極驅(qū)動脈沖。實現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器，微分變壓器及光電耦合器。本論文只是家用小型風力發(fā)電系統(tǒng)的初步設(shè)計，又因為時間有限，所以這里對驅(qū)動電路不在做詳細的介紹，根據(jù)設(shè)計要求本系統(tǒng)直接采用富士康公司生產(chǎn)的M57962L芯片及其附件組成的驅(qū)動電路。3.10穩(wěn)壓環(huán)節(jié)我們已經(jīng)計算得到變壓器的輸出電壓為165V~245V，這還不能直接供給負載使用，所以我們還需要在逆變電路后再加一個三相穩(wěn)壓器。其接線圖如圖3-13所示圖3-13穩(wěn)壓器接線圖根據(jù)本系統(tǒng)的特殊要求和變壓器的輸出電壓范圍，這里我們采用上海環(huán)矛生產(chǎn)的型號為TNDSVC的感應式交流穩(wěn)壓器。該產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)見表3-4。表3-4穩(wěn)壓器主要技術(shù)參數(shù)表輸入電壓160V-250V

〔三相四線〕

調(diào)整時間<1秒(輸入電壓變化10%時)輸出電壓

單相220V〔5kVA-30kVA〕

三相線電壓380V相電壓220V環(huán)境溫度-10℃溫

升<60穩(wěn)壓精度相電壓220V±3%波形失真無附加波形失真頻率50Hz/60Hz負載功率因素0.8過壓保護246V±4V抗電強度1500V/1min

絕緣電阻單相>5MΩ

三相>2MΩ產(chǎn)品概述SVC系列單、三相高精度全自動交流穩(wěn)壓器〔穩(wěn)壓電源〕，由接觸式自耦高壓器、伺服式電動機、自動控制電路等組成，當電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定或負載變化時，自動采樣穩(wěn)壓器控制電路發(fā)出信號驅(qū)動伺服電機，調(diào)整穩(wěn)壓器自耦調(diào)壓器碳刷的位置，使穩(wěn)壓器輸出電壓調(diào)整到額定值并到達穩(wěn)定狀態(tài)。

本系列穩(wěn)壓器為普通型，有市電直通功能。該系列穩(wěn)壓器產(chǎn)品品種多，規(guī)格全，外觀美等優(yōu)點。具有波形不失真，效率高，性能可靠，可長期運行等特點，本穩(wěn)壓器設(shè)有短延時、過壓等保護功能，根據(jù)用戶的需要可增設(shè)長延時與欠壓保護功能。本穩(wěn)壓器可廣泛應用于任何用電場所，是一種理想的穩(wěn)壓電源〔穩(wěn)壓器〕，確保用電設(shè)備正常運行。3.11市電切換電路本系統(tǒng)有一個缺乏之處，就是必須要有風才能產(chǎn)生電能，雖然在無風的情況下可以由蓄電池供電，但如果多天無風蓄電池的電能也用完也可能是電路或某個部件出現(xiàn)故障，用戶就會停電。為了預防這樣的事情發(fā)生本系統(tǒng)電路中添加了一組市電自動投切電路。如圖3-14所示。該控制電路由電壓繼電器V3和它們所控制的常閉觸點V3、常開觸點V3構(gòu)成。其電路如下圖。以本論文相電壓220V額定電壓為例，電壓繼電器V3的整定值設(shè)為200V，當電壓繼電器輸入電壓小于200V時，常閉觸點V3斷開，常開觸點V3閉合，此時由市電向負載供電。假設(shè)出現(xiàn)系統(tǒng)故障，系統(tǒng)不能正常供電或電壓繼電器V3不能正常工作時可手動閉合聯(lián)動刀閘，此時由市電向負載供電同時切斷了系統(tǒng)供電電路。圖3-14市電切換電路3.12并網(wǎng)電路設(shè)計由式2-9可知，該發(fā)電系統(tǒng)在持續(xù)有風的情況下每天可發(fā)電6.7KWh，而負載每天消耗的電能為3KWh,那么余下的3.7KWh的電能也不會憑空消失，所以我們必須為多出來的電能找到出路。為了使能量利用的最大化，系統(tǒng)引入了并網(wǎng)運行的策略，其原理如圖3-15所示。其中，I2是逆流繼電器及其所控制的開關(guān)，以防止能量倒流。同時接入熔斷器防止負荷側(cè)短路和孤島效應。圖3-15并網(wǎng)電路原理圖根據(jù)國家電網(wǎng)公司對《小型電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定〔試行〕》中的相關(guān)規(guī)定可知，小型電源接入電壓等級宜按照：200kW及以下小型電源接入0.38kV電壓等級電網(wǎng)；200kW以上小型電源接入10kV〔6kV〕及以上電壓等級電網(wǎng)。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比擬，小型電源采用低一電壓等級接入優(yōu)于高一電壓等級接入時，可采用低一電壓等級接入。由于穩(wěn)壓器輸出線電壓為380V，為防止能量倒流，該電路中參加一個380V變400V的變壓器。因為發(fā)電機的最大功率為1500W，理論上該變壓器的額定容量是1.5KVA。實際選用2KVA。根據(jù)上述要求，選用上海璞諾電氣公司生產(chǎn)的型號為SG-380/400V，容量為2KVA的三相雙繞組變壓器。其相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表3-5所示。表3-5并網(wǎng)變壓器相關(guān)技術(shù)參數(shù)輸入電壓額定電壓±10%輸出電壓額定電壓+5%〔容載〕聯(lián)接方式△/Y〔或其它〕頻

率≥96%頻

率50Hz±5%絕緣電阻≥50MΩ絕緣等級H級噪

音≤55dB(A計權(quán))溫

升≤80K阻抗壓降≤4%結(jié)

構(gòu)