毕业设计（论文）-小型独立运行风力发电系统研究.doc

黑龙江大学本科生黑龙江大学本科生 毕业论文（设计）档案毕业论文（设计）档案 编码：编码：jx21-045-080602-20063613jx21-045-080602-20063613 学院：电子工程学院学院：电子工程学院 专业：自动化专业：自动化 年级：年级：20062006 学生姓名：学生姓名： 毕业论文题目：小型独立运行风力发电系统研毕业论文题目：小型独立运行风力发电系统研 究究 指导教师：指导教师： 装订日期：装订日期： 20102010 年年 5 5 月月 3030 日日 备注栏备注栏 i 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 ACDC 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 ii Abstract As a clean and renewable energy, Wind power has aroused more and more attention and gradually become a sunrise industry nowadays. The thesis clarifies the design of the small independent wind power generation system in detail and makes a deep research about the structure of the wind turbine system, power transformation and the relay control circuit. In view of the author, the solution is: wind turbine generators drive three-phase AC electric generator, then the power is transformed into standard AC power through the AC- DC-AC system. And considering instability of the wind, we must install batteries in this system so that we can ensure normal power supply. The operation of the system is monitored and switched by the relay control circuit. The paper focus on the control circuit part. And make a specific analysis about the operation of the system in all different conditions. In the end, the paper made simulation to support the theories. Keyword Wind Turbine System; AC-DC-AC;Relay Control Circuit. iii 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 3.4.2 IGBT 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 iv 4.3 系统仿真.21 结论24 致谢26 参考文献25 小型独立运行风力发电系统研究 1 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 53106 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 22.5 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 20082012 年期间装机容量增长率为 20%，以后到 2015 年期间为 15%，20172020 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 0.43104 亿 kWh，2020 年风电装机 12.45 亿 KW，风电电量 3.05104 亿 kWh，占当时世界总电消费量 25.58104 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 20005000KW,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 20002200KW 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， 小型独立运行风力发电系统研究 2 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（GE Wind Energy） 、德国 REpower（REpower Systems AG） 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 19861990 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 19911995 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 小型独立运行风力发电系统研究 3 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 11 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。 小型独立运行风力发电系统研究 4 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： 水平轴风力机，风伦的旋转转轴与风向平行；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 22 所示：5 （1）风轮：由 13 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 小型独立运行风力发电系统研究 5 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 24 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： (21) 3 p PC A v (22) 2 AR 式中：P 为输出功率，为风轮机的功率系数， 为空气密度，R 为风轮半径， p C 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。 小型独立运行风力发电系统研究 6 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 31 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。 小型独立运行风力发电系统研究 7 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 32 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 33 所示。 小型独立运行风力发电系统研究 8 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 ACDCAC 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。 小型独立运行风力发电系统研究 9 图 3-4 三相桥式全控整流电路 其电路图如图 34 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 16 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 35 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 1d U 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 2d U 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 12ddd UUU 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， 小型独立运行风力发电系统研究 10 每一段中导通的二极管及输出整流电压的情况如表 31 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 31 时段 共阴极组 导通二极管 VD1VD1VD3VD3VD5VD5 共阳极组 导通二极管 VD6VD2VD2VD4VD4VD6 整流输出电压 Ua-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-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 28 zm UV 0 4.6 z IA 1 所示计算出，元件承受的最大正、反向峰值电压为 （31）1.051.05 2829.4( ) mzm UUV 元件流过的最大电流为 （32） 0 0.5870.587 4.62.7( ) mz IIA 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 43 所 示方法估算，10即 （34） 10 5( ) zz RUI （35） 2 70/()CUuF 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 1z U 0z I 功率，VA；为整流器入口交流线电压，V。 2 U 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 小型独立运行风力发电系统研究 11 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 36、37 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 小型独立运行风力发电系统研究 12 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 38 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 2829V,最低放电电压控制在 2122V。 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 39 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，其通断状态用动开触点 I2 控制。 图 3-9 蓄电池组供电控制电路 当风力充足，发电机正常工作时，逆流继电器的电压线圈和电流线圈内流过的电 流产生的磁力使动合触点 I2 闭合，风电向负载供电，同时向蓄电池充电；当风力不足， 发电机转速太低时，逆流继电器产生的磁力消失，此时动开触点 I2 闭合，同时动合触 点 I2 断开，此时即切换成蓄电池组向负载供电。 3.4 逆变电路 小型独立运行风力发电系统研究 13 在独立运行的风力发电系统中，用户负荷主要是使用交流电。由于前述原因风力 发电机发出的电能，再系统中已经过整流环节，变成了直流电。因此必须再经过逆变， 将电能变换成用户所需要的恒频（50HZ）及稳压交流电，逆变器的功能就是在系统中 实现将直流电变成交流电。本论文讨论的小型风力发电系统采用的是三相桥式逆变器。 该逆变器采用 IGBT 作为开关器件。12 3.4.1 逆变电路及其工作原理 其电路原理图如下所示。 图 3-10 逆变电路 该逆变电路的基本工作方式也是 180导电方式，即每个桥臂的导电角度为 180， 同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差 120。 这样在任意一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能 是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进 行的，因此也被称为纵向换流。 下面来分析三相桥式逆变器的工作波形。对于 U 相输出来说，当桥臂 1 导通时， ,当桥臂 4 导通时，。因此，的波形是幅值为的矩 / 2 UN uUd / 2 UN uUd UN u / 2Ud 形波。V、W 两相的情况和 U 类似，的波形和相同，只是相位依次差 120。 VN u WN u 、的波形如图 311 中 a、b、c 所示。 UN u VN u WN u 小型独立运行风力发电系统研究 14 图 3-11 三相桥式逆变器的工作波形 负载线电压、可由下式求出 UV u VW u WU u （36） UVUNVN uuu （37） VWVNWN uuu （38） WUWNUN uuu 图 d 是依照上式画出的波形。 UV u 设负载重点 N 与直流电源假想中点 N之间的电压为，则负载各相的相电压 NN u 分别为： （39） UNUNNN uuu （310） VNVNNN uuu （311） WNWNNN uuu 把上面各式相加并整理可求得 （312） ()() 33 UNVNWNUNVNWN NN uuuuuu u 设负载为三相对称负载，则有，故可得 0 UNVNWN uuu （313） () 3 UNVNWN NN uuu u 小型独立运行风力发电系统研究 15 的波形如图 e 所示，它也是矩形波，但其频率为的三倍，幅值为其 NN u UN u 1/3，即为 Ud/6。 图 f 给出了利用式 5-5 和式 5-7 绘出的的波形，、的波形形状和 UN u UN u WN u 相同，仅相位依次相差 120。 UN u 在上述 180导电方式逆变器中，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时 导通而引起直流侧短路，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信 号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应开通的器件发出开通信号，即在两 者之间留一个短暂的死区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的 开关速度越快，所留的死区时间就越短。这一“先断后通”的方法对于工作在上下 桥臂通断互补方式下的其他电路也是适用的。 3.4.2 IGBT 的驱动电路 驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，是该逆变装置的重要环节，对整个装 置的性能有很大影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的 状态， ，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率。可靠性和安全性都有重要 的意义。 简言之，驱动电路的基本任务，就是按照控制目标的要求，将单片机输出的脉冲 进行功率放大,转换为加在 IGBT 控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号， 从而驱动 IGBT，保证其可靠工作。对 IGBT 驱动电路的基本要求如下： （1） 提供适当的正向和反向输出电压,使 IGBT 可靠的开通和关断。 （2） 提供足够大的瞬态功率或瞬时电流,使 IGBT 能迅速建立栅控电场而导通。 （3） 尽可能小的输入输出延迟时间,以提高工作效率。 （4） 足够高的输入输出电气隔离性能,使信号电路与栅极驱动电路绝缘。 （5） 具有灵敏的过流保护能力。 目前，在 IGBT 的栅极驱动电路中广泛采用的是 EX840/EX841 集成电路。 其典型接线方法如图 313： 小型独立运行风力发电系统研究 16 图 3-12 EX840/EX841 集成电路接线方法 使用时注意如下几点： （1） IGBT 栅-射极驱动回路往返接线不能太长(一般应该小于 1m),并且应该 采用双绞线接法,防止干扰。 （2） 由于 IGBT 集电极产生较大的电压尖脉冲,增加 IGBT 栅极串联电阻 RG 有利于其安全工作。但是栅极电阻 RG 不能太大也不能太小,如果 RG 增大,则开通 关断时间延长,使得开通能耗增加；相反,如果 RG 太小,则使得 di/dt 增加,容易产 生误导通。 （3） 图中电容 C 用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化,并不是电源 的供电滤波电容,一般取值为 47 F。 （4） 6 脚过电流保护取样信号连接端,通过快恢复二极管接 IGBT 集电极.。 （5）14、15 接驱动信号,一般 14 脚接脉冲形成部分的地,15 脚接输入信号的 正端,15 端的输入电流一般应该小于 20mA,故在 15 脚前加限流电阻。 （6） 为了保证可靠的关断与导通,在栅射极加稳压二极管。 小型独立运行风力发电系统研究 17 第四章 系统整体运行分析及仿真 4.1 系统分析 下面对整个风力发电系统进行系统的分析，其总电路图如下所示： 图 4-1 风力发电系统总电路图 风吹动风轮转动，转轴通过齿轮箱升高转速，齿轮箱的输出端连接三相交流发电 机的励磁绕组，励磁绕组的励磁电流由蓄电池组提供。定子为电枢绕组，三相呈 Y 型 链接，输出端与整流器相接，整流器的输出直流电与逆变器相接，并向蓄电池组供电。 三相交流发电机额定功率为 500W，输出电压 28V。蓄电池组为 12 块铅酸蓄电池并 联，电压为 24V。 若此时风力过强，导致发电机输出端电压过大（高于 30V） ，电压继电器 V1 动作， 其控制的动断触点 V1 断开，此时励磁回路中即串入电阻 R2，励磁电流减小，继而降 低输出端电压；当风力不足时，发电机输出端电压较低（低于 24V） ，此时既无法向负 载正常供电，也会导致蓄电池组向电机反充电，一旦反充电，电流继电器 I2 内的电流 方向改变，停止工作，其控制的两个动合触点 I2 断开，从而断开了向负载和蓄电池供 小型独立运行风力发电系统研究 18 电回路，同时动开触点 I2 闭合，切换为蓄电池组供电回路。 若负载过多，导致负载电流过大时（高于 20A） ，电流继电器 I1 即开始动作，其 控制的动开触点 I1 断开，此时励磁回路串入电阻 R2，励磁电流减小，从而降低了发 电机输出端电压，并减小了负载电流。 向蓄电池组充电时，若蓄电池组电压达到上限值时（29V） ，电压继电器 V2 开始工 作，其控制的动开触点 V2 断开，从而切断了充电回路。当低于上限值时，V2 重新闭 合，恢复充电状态。 当蓄电池组放电时，若蓄电池组电压达到下限值时（21V） ，电压继电器 V2 停止工 作，其控制的动合触点断开，从而切断了放电回路。当高于下限值时，V3 重新闭合， 恢复放电状态。 从整流器或蓄电池组流出的直流电流向逆变器， CPU 发出有规律的驱动信号，通 过驱动电路的功率放大，转换成 IGBT 的开通或关断的信号，IGBT 有规律的开通或关 断将直流电转换为恒频交流电（50HZ 的户用型交流电） 。逆变器的引出线 U、V、W 即 为交流电的三相，途中 N点引出线即为零线。U、V、W 任意两相接入电器即为线电压， 其中任意一相与 N接入电器即为相电压。此时即完成了将风能转换为户用交流电的 全部过程。 4.2 逻辑说明 为了更好的说明系统运行方案，作者采用了逻辑编程的形式来阐述之： （1）风力正常 小型独立运行风力发电系统研究 19 （2）风力过强 （3）负载电流过大 小型独立运行风力发电系统研究 20 （4）电池组过充 （5）风力不足且电池组未过放 小型独立运行风力发电系统研究 21 （6）风力不足且电池组已过放 4.3 系统仿真 作者采用了 MATLAB 仿真软件，对所设计的系统电气部分进行了仿真。在仿真环境 下模拟了实际电路，其电路图如下所示： 小型独立运行风力发电系统研究 22 图 4-2 MATLAB 仿真搭接电路图 整流侧输出波形如下所示: 图 4-3 整流侧输出波形 当风力正常时候，触点 I2、I2、V1、I1 均为闭合状态，I2断开，负载（逆 变器）端的电压波形如下所示： 小型独立运行风力发电系统研究 23 图 4-4 负载端的电压波形 励磁绕组的电流波形如下所示： 图 4-5 励磁绕组的电流波形 当风力较大或者负载电流较大时，触点 V1 或 I1 断开，此时励磁绕组串入电阻， 励磁的电流波形为： 图 4-5 励磁绕组串入电阻电流波形 可见其电流有所降低。 当风力较弱时，I2、I2断开，I2闭合，蓄电池组供电，负载电压波形为： 小型独立运行风力发电系统研究 24 图 4-6 蓄电池组供电负载电压波形 小型独立运行风力发电系统研究 25 结论 本论文研究了小型独立运行风力发电系统的构成及其运行状况，提出了系统构成 的具体解决方案。论文的重点在于电气设计部分，因此作者对电气设计各部分进行了 具体的论证分析，用 OMRON 编程软件对系统进行了逻辑电路的设计及仿真，证明电路 的逻辑性正确无误，做到了按照作者的设计要求切换电路。然后用 MATLAB 对整个实际 电路进行了详细的仿真，结果表明，在接入仿真三相交流电的情况下，各个输出端的 输出达到了预期的要求，证明了方案的切实可行和正确无误。将该电气设计接入风机 组和逆变电路之间，即可实现将风能转化为标准户用型 50HZ 交流电。 本系统采用继电控制系统，可实现在完全的自动化，无需人工控制，方便易行。 可用于电网未通达的偏远地区的户用电力供应。 小型独立运行风力发电系统研究 26 参考文献 1 吴治坚.新能源和可再生能源的利用M.北京：机械工业出版社，2006：256-289. 2 王浩民.中国风电技术发展研究报告M.北京:水里水电出版社，2009:24-51. 3 Les&Jane oke.Home made wind generator J.Electrical.2008.5 4 (法）勒古里雷斯著，施鹏飞译.风力机的理论与设计M.北京：机械工业出版社， 1987：356-384. 5 姚兴佳，宋俊.风力发电机组原理与应用M.北京：机械工业出版社，2009:56-67. 6 秦建国，刘伟.小型风力发电机转速控制研究J.内蒙古:内蒙古工业大学信息工程学院， 2009.8 7 王承煦，张源.中国电力百科全书M. 北京:中国电力出版社.2001:221-235. 8 彭鸿才.电机原理及拖动M.北京:机械工业出版社，1996:61-85. 9 王兆安，黄俊.电力电子技术M. 北京:机械工业出版社.2008:75-116. 10 魏伟.电气技术J.华中科技大学电气与电子工程学院.2008.12. 11 王大鹏，吴璟岚.电力系统继电保护测试技术M.北京：中国电力出版社，2006：15-51. 12 曲学基,曲敬凯,于明扬.逆变技术基础与应用M.北京:电子工业出版社，2007:195-221. 13 Yang.H.T, Wang.C.Y.A. New method for detection of wind power generation systems J.Power Tech.2005.8. 14 Walker J, Jenkins N. Wind Energy Technology M. Manchester: John Wiley Sons, Inc.1997 15 Advanced Wind Energy Systems. Workshop Proceedings, Stockholm, August, 2004. Vole II 小型独立运行风力发电系统研究 27 致谢 在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师张鹏老师的热情关怀和悉心指导。 在我撰写论文的过程中，张老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构 思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了张老师 悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学 精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 在论文的设计过程中还得到了身边同学们的不少帮助，在这里一并表示感谢。 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心 地，真诚的感谢！