风力发电电能变换装置的研究 电气工程及其自动化专业毕业设计 毕业论文

精品文档 毕 业 设 计 论 文题 目 风力发电电能变换装置的研究 （院）系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0004 学号 0001120531 学生姓名 郭 莹 辉 导师姓名 浣 喜 明 完成日期 2004年6月17日 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 风力发电电能变换装置的研究 姓名 郭莹辉 系别 电气与信息工程系专业 电气工程及其自动化 班级0004学号 0001120531指导老师 浣喜明 教研室主任 一、 基本任务及要求： 在规定时间内，完成以下工作： 1整体方案的确定； 2主电路设计、元器件选择；软件设计； 3装置工艺设计：画出布置图和电气接线图； 4装置调试与实验：写出调试和实验报告。 5提交设计说明书和图纸。 二、 进度安排及完成时间： （1）第二周至第四周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告； （2）第五周至第六周：毕业实习； （3）第六周至第七周：总体方案的确定； （4）第八周至十二周：主电路设计与元器件的选择；软件设计； （5）第十三周至第十四周：装置工艺设计； （6）第十五周至第十六周：装置调试与实验； （7）第十七周至第十九周：撰写设计说明书 （8）第二十周：毕业设计答辩 目 录摘要1概述1第1章 风力发电的电能变换装置及其工作原理 11.1 风力发电的特点和风力发电机的系统11.2 风力发电的电能变换装置的组成21.3 风力发电的电能变换装置的工作原理4第2章 整流电路52.1 单相可控整流电路52.2 三相可控整流电路72.3 三相不可控整流电路92.4 直流滤波电路 11第3章 蓄电池组 143.1 蓄电池的种类和特性 143.2 铅酸蓄电池的基本概念 143.3 免维护铅酸蓄电池的特性 173.4 铅酸蓄电池的工作原理 18第4章 充电电路 194.1 充放电装置的设计要求 194.2 充放电控制过程分析 20第5章 斩波电路 225.1 Cuk变换器工作原理225.2 有变压隔离器的Cuk变换器 255.3 DC/DC变换器主回路的线路结构275.4 DC/DC的驱动电路28第6章 逆变电路 296.1 换流方式 296.2 电压型逆变电路 306.3 电流型逆变电路 346.4 PWM控制技术在逆变电路中的应用36 第7章 静态开关 387.1单继电器做静态开关 387.2 电子式静态开关 39第8章 控制检测保护电路 428.1单相正弦脉宽调制(SPWM)电路 428.2三相正弦脉宽调制(SPWM)电路 458.3 保护电路 46第9章 结束语 48致谢参考文献摘要风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁、可再生的新型能源，而且无污染，因此当今世界各国都把开发风力发电作为现代科技的新兴产业。本文主要研究风力发电的电能变换及其装置，介绍和比较各电力电子电路的特性，选择风力发电电能变换装置适合的电路，使风能通过整流，充电电路，蓄电池组的储能，逆变器电路和斩波电路再通过静态开关的切换和控制电路的控制检测保护电路的控制监测使其能够输出恒久稳定的电压，从而利用风力发电电能变换装置达到风力发电的要求和目标。 关键词：风力发电 电能变换 整流 逆变 静态开关 Abstract Wind power is a kind of regeneration new energy sources which supply is inexhaustible and inexhaustible. Because of no pollution, all of the countries take the development of wind power electricity as modern science and technology of new rising estate in modern time. The Electric power transformation and its devices of the main research in this text wind power, introduction with the characteristic of each electric power electronics electric circuit, choose the electric circuit that wind power electric power transformation equip in keeping with, make wind energy passed to commutate, refresh the electric circuit, storage battery a control for keeping can, changing machine electric circuit with an electric circuit again passing the switch of static state cutting over with controlling electric circuit examination protection the control of the electric circuit monitors to make its can output the endurable and stable electric voltage, from but make use of the wind power electric power transformation equip to attain the request of the wind power with target. Keywords: The Wind Power Electric, Power Transformation Commutates, Rectification, Inversion, Static State Switching 第1章 风力发电的电能变换装置及其工作原理1.1 风力发电的特点和风力发电机的系统1.1.1 风力发电的特点由于风能的特殊性，与常规的水火电系统相比风电系统具有很大的差别，主要表现在三个方面：(1)风能的随机性风速随着大气的气温、气压、湿度、干度、太阳及月亮的活动和风电场地形地貌等因素的不同而不同，是随机和不可控的，这样作用在风力机叶片上的风能也就是随机的和不可控制的。(2) 风力机转动惯量大风能密度分布相对比较低，为了尽可能捕获较多的风能，风力机转动的叶片直径必须做的很大，典型的商业化中大型风力发电机组转动叶片直径大概在20m60m之间。显然，巨大的转子叶片的直径，必然使得风力机具有较大的转动惯量。(3) 风力机与发电机之间的柔性连接为了有效的转换风能，风力机转子由于受到风能转换效率（理论极限值是0.59）的限制，叶尖速率比不可能很大，风力机的转子转动的速度不会很高，与发电机转动的速度相差比较大，发电机与风力机之间不能直接相连，必须通过一定变比的升速齿轮箱进行传动。这样发电机与风力机之间的刚性度大大降低。换句话说，风力机和发电机两大系统之间是柔性连接的。(4) 异步发电机目前，大规模的风力发电机系统一般采用异步发电机直接并网的运行方式。通常机端配备有补偿电容器组，以提供异步发电机在启动和运行时所需要的激磁无功。异步发电机的频率由大系统来决定，风能的变化将引起异步发电机转差的变化，相应地其注入电网的有功和吸收的无功也要随着风速的变化而变化，这将导致系统，特别是风电场附近电网母线电压的波动，严重时还可能引起电压闪变。随着电力电子的发展，新型的风力发电机可以选用变速恒频交流励磁双馈发电机，则无须配备补偿电容器组。这种交流励磁双馈发电机不仅能发有功功率，而且还能发无功功率，且能方便地调节有功功率，使得风力发电系统具有良好的性能1.1.2 风力发电机的系统目前风力发电机技术越来越得到风力发电工作者的注意，因此都考虑采用交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统。变速恒频风力发电机采用采用双馈型发电机，它与饶县型感应电机相似，其定子接入电网，转子绕组由频率、相位、幅值都可调节的电源供给三相低频交流励磁电流(如图1.1所示)。低频励磁电流在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场旋转速度wS与转子机械转速wr相加等于定子磁场的同步转速w1，即w1=wr+wS，从而发电机定子感应出共频电压。当风速变化引起发电机转速wr变化时，改变转子绕组电流的频率和旋转磁场的转速ws，可是定子旋转磁场w1保持恒定，达到变速恒定的目的。图1.1 交流励磁双馈风力发电机原理图由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，因此图1.1中所示的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。另外发电机运行时，既可超同步速运行，也可亚同步速运行，变速运行的范围比较宽。这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷。1.2 风力发电的电能变换装置的组成风力发电的电能变换装置主要由输入整流电路、蓄电池组、充电电路、斩波电路、逆变器电路、静态开关和控制检测保护电路七个部分组成。1.2.1 输入整流电路整流电路主要是将交流电变为直流电，在风力发电的电能变换装置中，蓄电池组、逆变器及其控制电路均需要直流电，因此，整流电路的主要作用就是将交流电变为直流电为其提供稳定的直流电，保持电压稳定的输出以及抑制电网的干扰信号。1.2.2 蓄电池组蓄电池组是风力发电电能变换装置的心脏，没有蓄电池组的装置只能称作交流稳压稳频电源。目前在不间断供电中，广泛使用蓄电池作为储存电能的装置。当风力发电正常时，蓄电池由直流电源对其充电，将电能转换成化学能而储存起来；当风力发电供应中断时，装置用储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作，此时蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给系统使用，因此蓄电池是一种可逆电源。目前在中小型风力发电电能变换装置中广泛使用的是所谓的免维护的密封式铅酸蓄电池，它的价格较贵，一般占UPS总生产成本的1/42/5。在返修的UPS中，由于蓄电池的故障而引起的风力发电电能变换装置不能正常工作的比例占1/3。由此可见，正确的使用并维护好蓄电池组，对延长蓄电池使用寿命极大，如果正确使用，蓄电池的寿命一般可达到35年。1.2.3 充电电路风力发电电能变换装置中充电电路将蓄电池放电后损失的能量重新补充，一般充电电路是独立于逆变器而工作的，也就是说即使不用逆变器，只要将电源接通，充电电路就可以工作。在充电过程中，充电器的控制电路检测整流充电过程，一般在充电阶段是恒流充电过程，随着电池电压的上升，当蓄电池的电压达到浮充电压以后，充电器工作在恒压阶段，直到电池被充满。因此，充电电路的反馈回路一般有两个，一个作为电流反馈，另一个是电压反馈。主电路一般采用开关型电路，其类型一般有降压电路和升压电路两种。这些电路称为基本充电电路。为了减少充电时间，各种快速充电电路在风力发电电能变换装置中也得到了应用。1.2.4 斩波电路风力发电电能变换装置中的斩波器即DC/DC，就是利用晶闸管或自关断器件来实现通断控制，将直流电源电压加到负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值。它具有效率高、体积小、重量轻、成本底等优点，现在广泛地用于USP和风力发电电能变换装置的直流直流变换器和功率因数校正电路中，对整流电压或蓄电池电压进行升、降压和稳压。1.2.5 逆变器电路风力发电电能变换装置逆变器的功能是将风力发电整流所得的直流电压或蓄电池电压逆变成频率稳定、电压稳定、波形失真小的交流电压。目前在风力发电电能变换装置的逆变器中，逆变原理普遍采用脉宽调制技术（SPWM技术）及波形叠加技术，该波形经过LC低通滤波器滤波得到标准正弦波。1.2.6 静态开关静态开关是风力发电电能变换装置的保护设备和供电转换器件，它一方面保护装置和负载，另一方面作为风力发电和蓄电池供电的转换器件。由于静态开关转换时间很短，因此在转换过程中不会出现间断。在风力发电电能变换装置一般采用一对反向并联的快速可控硅作为静态开关。1.2.7控制检测保护电路控制检测保护电路主要由保护、监测和报警电路组成。控制电路是风力发电电能变换装置的神经中枢，其输出电压精度高低、波形失真大小以及长期工作可靠性的高低均与控制电路密切相关。为了使装置可靠工作，应具有较为完善的保护电路，一般的风力发电电能变换装置都具有电池电压过低自动保护、逆变器输出过载或短路自动保护电路、逆变器过压输出自动保护电路、输入电压过高自动保护电路等保护电路。监测和报警电路则是为了随时的掌握和了解装置的工作状态和运行情况。1.3 风力发电的电能变换装置的工作原理风力发电电能变换装置原理: 当风力发电正常时，输出电压经过整流滤波电路，一路经过斩波器给逆变器提供电压，逆变器输出变压器和输出滤波电路将SPWM波形变换成隔离的纯正弦波，另一路送入充电器给蓄电池补充能量。这种工作状态时，静态开关切换到逆变器。风电经整流滤波器、逆变器及静态开关给负载供电，并且由逆变器来完成稳压和频率跟踪的功能。 当风力发电不足或输出故障或输出过载时，工作在后备状态，静态开关仍然切换到逆变器端，由蓄电池经逆变器将蓄电池的直流电压转换成交流电压通过静态开关输出到负载。 在风力发电正常，逆变器出现故障或输出过载时，装置工作在旁路状态，静态开关切换到市电直接给负载供电。如果静态开关的转换是由逆变器故障引起，装置会发出报警信号；如果是由过载引起，当过载消失以后，静态开关重新切换回逆变器端。整流电路DC/DC蓄电池组充电电路逆变电路静态开关控制检测保护电路输入输出控制电路控制、监测、显示、告警及保护电路提供逆变、充电、静态开关转换所需的控制信号，并显示其各工作状态，当出现过电压、过电流、短路、过热时及时报警，同时提供相应的保护。比如当负载发生短路是，保护电路会很快将逆变器关断，使其免受损坏，短路消失后逆变器会重新自动启动，恢复风力发电。由此可见，无论风力是否正常，其输出总是由逆变器提供，所以在风力不正常的时候，其输出不会有任何间断。其原理框图如图1.2所示。(主线路图见附录)图1.2 风力发电电能变换装置框图第2章 整流电路整流电路是电力电子电路中出现的最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。整流电路主要的分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。2.1 单相可控整流电路单相可控整流电路的交流侧接单相电源，它包括半波可控整流、全波可控整流、桥式全控整流和桥式半控整流。2.1.1 单相半波可控整流单相半波整流电路，是电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，支流输出电压Ud 为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在正半周内出现，所以叫半波整流。如图所示2.1。图2.1 单相半波可控整流电路及波形半波整流在负载R上的直流电压U的数值，为半波电压在整个周期的平均电压值，即：半波整流中，流过整流元件的平均电流Id与流过阻感负载的直流电流Ir相等，即： 式中，；整流元件承受的最大反向电压U反，就是变压器次级电压U2的最大值，即： U反=2.1.2 单相全波整流电路单相全波整流电路，由两个单相半波整流电路组合而成,由于加在负载上的电压有两个波，包括了电源电压的整流波形，所以叫做全波整流。变压器次级有个中心抽头，上下两部分匝数相等，即变压器的输出电压U2与U2/的大小相等，相位相反，彼此相差180o。如图所示2.2。图2.2 单相全波可控整流电路及波形单相全波整流电路，在负载电阻R上得到的单方向的半波电压是半波整流电路的2倍，因为两个整流元件是轮流导通的，所以流过每个整流元件的电流只有负载电流的一半，然而，加在整流元件上的反向电压，却比半波整流增加了一倍，也就是说，在单相全波整流中，每个整流元件所承受的最大反向电压，是变压器次级电压最大值的两倍。2.1.3 单相桥式全控整流电路在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为。如图所示2.3。图2.3 单相桥式全控整流电路及波形由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高，整流电压平均值为： 当电路中带有阻感负载时，电感的存在使负载电流不能突变，对负载电流起平波作用，其电压平均值为： 2.1.4 单相桥式半控整流电路在单相桥式半控电路中，每个导电回路中只需1个晶闸管导通以控制导电回路，另1个则用1个二极管代替，从而简化整个电路。如图所示2.4。图2.4 单相桥式半控整流电路及波形半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同，在电感负载工作时，当处给晶闸管VT1加触发脉冲时，u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但电流不再流过变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。此时，ud=0,不像全控桥电路那样出现负值。当突然增大至180o或触发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的失控现象，因此在电路中加设续流二极管VDR以避免此失控现象，同时，续流期导电回路中只有一个管压降，少了一次管压降，有利于降低损耗。2.2 三相可控整流电路当整流负载容量教大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。在三相控整流电路中，应用最为广泛的就是三相桥式全控整流电路，以及双反星形可控整流电路，均可在三相半波的基础上进行分析。一般三相桥式整流电路是由三相输入变压器、六只整流二极管、及负载组成，三相变压器的初级和次级既可接成星形，也可接成三角形。这里主要介绍三相桥式全控整流电路，其电路和波形如图所示2.5。图2.5 三相桥式全控整流电路及波形目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。当电路中带有电阻负载时，三相桥式全控整流电路在每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同1相的晶闸管。6个晶闸管的脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序，相位依次差60。；共阴极组的脉冲依次差120。，共阳极组也依次差120。；同一相的上下两个桥臂的脉冲相差180。整流输出电压ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。在整流电路合闸启动过程中或电流续流时，同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲，以确保电路的正常工作。当电路中带有阻感负载时，60。时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于得到的负载电流id波形不同，阻感负载时由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，近似为一条水平线。当60。时，阻感负载由于电感L的作用，ud的波形会出现负的部分。若电感L足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90。当60。时，整流输出电压平均值为： 当60。时,整流电压平均值为： 三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电动势阻感负载时的Id为： ；2.3 三相不可控整流电路在三相不控整流电路中，使用最多的也是三相桥式整流电路，一般三相桥式整流电路是由三相输入变压器、六只整流二极管、及负载组成。三相桥式不控整流电路与三相桥式可控整流电路的区别在于可控整流电路可以通过触发脉冲来控制触发角从而达到控制电压大小的目的。但在风力发电电能变换装置中，要将风能尽可能的转化为电能，因此选用三相不可控整流电路，因为三相不可控整流电路是直接由电流来控制二极管导通的，不用考虑触发角的问题。三相桥式不可控整流电路和波形如图2.6所示。图2.6三相桥式不控整流电路及其波形从图中可以看出：在t1t2时间内，变压器次级a相电压与b相电压的差值最大，因此整流二极管VD1、VD2导通，其通路为abVD1RVD2b，其他整流元件受反向电压作用而不导通，整流器的输出电压为变压器次级电压uab。在t2t3时间内，a相电压虽然仍为正值，且与t1t2时间内电压值大小一样（变化的趋势则不相同），但b相电压已经高于c相电压，所以此时是a 相电压与c相电压的差值最大，因此D4截止，VD1、VD6导通，其通路为aVD1RVD6b，其他整流元件则受到反向电压作用而不导通，整流输出电压为变压器次级电压uca。在t3t4时间内，b相电压为正值，c相电压为负值，线电压ubc最大，因此整流元件VD3与VD6导通，其他整流元件则受到反向电压作用而不导通，整流输出为线电压ubc。依次类推，负载R上得到的脉动直流电压U在一个周期内，有6次为变压器次级电压的线电压值，而每一次的线电压均为两相相电压之和，即故在任意时间里，整流电压的瞬时值等于对应的两相电压瞬时值之和。因此可得：即：从图中还可以看出任何时间里均由两个整流元件串联导通，而在一个周期里，每个整流元件只导通一次，连续导通时间为2/3，所以通过每个整流元件的平均电流Icp为负载电流IR的1/3，即: 而加在整流元件上的最大反向电压为变压器的次级电压的线电压uab（或ubc或uca），即:2.4 直流滤波电路整流电路将交流电变成直流电，并不是一个纯粹的直流电压，而是一个脉动的直流电压，它除了直流成分外，还包括着不同频率、不同振幅的交流成分（通常称为谐波）。也就是说，整流器输出的电压，可以看成的一个直流成分和多个不同交流成分之和，而且频率越低者，振幅越大，频率愈高者，振幅愈小。人们通常说交流成分的大小，就是指最低次谐波或基波的大小，交流成分越大，对设备的干扰也越大。滤波电路是接在整流电路之后，起着减少交流成分，有使整流器输出的脉动电流变成平滑的直流电流（仍包括一定的交流成分）的作用。滤波电路一般由电感线圈、电容器、电阻等电气元件组合而成。常用的滤波电路有电容滤波电路、L型滤波电路、型滤波电路、RC滤波电路等。 2.4.1 电容滤波电路 CRL电容滤波电路是利用电容器对直流不能通过，而对交流成分呈现较小的阻抗，以达到短路交流，减少整流器的输出电压脉动成分的目的而且电容器越大，效果越好。当然，电容器大了以后，为防止加电瞬间电容器的过大充电电流，在电路设计时必须采用限流措施。电容滤波电路如图所示2.7。 图2.7 电容滤波电路2.4.2 L型滤波电路RLCL由电感电容组成倒L字型的滤波电路，称L型滤波电路或倒L型滤波电路。其电路如图所示2.8图2.8 L形滤波电路L型滤波电路利用扼流圈L对脉动电流的交流成分产生较大的衰减，而电容又对交流成分旁路的特点，使电容电感相互配合，大大改善滤波效果。L型滤波电路的滤波效果，主要取决于LC的乘积，即LC愈大，滤波效果愈好。2.4.3 型滤波电路由电感，电容器组成型滤波电路，其电路如图所示2.9RLCL1L2图2.9 形滤波电路型滤波电路的滤波效果，等于整流器输出电压中的脉动交流成分先由电容器旁路，再经L型滤波器将其部分进行衰减。因此，它是各类无源滤波电路中滤波效果中最好的一种。2.4.4 RC滤波电路将L型滤波电路或型滤波电路中的电感L用电阻R代替，即由电阻R和电容器C组成的滤波电路，称RC滤波器。其电路如图所示2.10。RC滤波电路在自动控制电路与小功率整流电路中经常用到，因为它不需要体积大、绕线麻烦的电感线圈L。RC滤波电路的滤波效果取决于电阻R和电容器的大小，电阻R、电容器C愈大则滤波效果愈好。但电阻R和电容器C不能过大，因为电容器C值过大则体积和重量增大，成本提高。电阻R太大，在电阻R上的损耗也大。因此，要综合考虑。为了能较好地旁路交流电流，一般满足1/mCR(m为整流相数，对于单相全波与单相桥式整流电路：m=2，对于三相半波整流电路：m=3，对于三相桥式整流电路：m=6)。因此风力发电电能变换装置的选用该滤波电路作为三相不可控整流电路的滤波电路，在电路中选用1000的电阻，在“速度相等”恰好发生，则可得：因为RLC1C2RRLCR因此： 图2.10 RC 滤波电路第3章 蓄电池组3.1 蓄电池的种类和特性蓄电池是化学电池的一种，所谓化学电池是指能将化学能直接转换为电能的装置。一般使用的化学电池分为原电池和蓄电池两种。原电池只能使用一次，即我们所说的干电池，蓄电池可以多次反复使用。当蓄电池使用一段时间后，即部分放电或完全放电，用适当的反向电流通入电池，则蓄电池可以再次将电能转化为化学靛储存起来。这种反向充电补充能量的过程即是电池充电过程，而电池将自身的能量以电能的形式供给外线路的过程即放电过程。目前主要的蓄电池有多种，如：密封铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池等。这四种蓄电池具有相同的功能就是为最终产品提供可补充的电能，但不同的电池具有不同的特性，适用的对象和场合也是不同的。各种不同电池的特性如表格3.1所示： 特性铅酸蓄电池 镍镉电池 镍氢电池锂离子电池能量Wh/Kg密度 30 40 60 90能量Wh/l密度 60 100 140 210单电池电压(V) 2.0 1.2 1.23.6(平均) 放电曲线 缓慢倾斜 平直 平直 倾斜 自放电 30%/月 15%/月 20%/月 6%/月 内阻 低 最低 中 最高 放电阻率 10C 3C 2C表格3.1各种蓄电池的特性比较选择蓄电池的主要依据是电池的能量密度、电池的容量及电压等级的选取，它们决定了电池为负载提供电能的速度和大小。对于放电速率要求不高的产品，如便携式计算机、蜂窝电话机和手提式视频设备，可以使用镍金属氧化物电池和锂离子电池。因为它们具有较大的内阻，从而限制了峰值放电电流，使它们比较适用子长期电流消耗要求较小的产品。而密封铅酸蓄电池和镍镉电池由子内阻较小，可以提供较大的电流，所以适用子放电速率要求较高的产品。因此，在风力发电的电能变换装置中，选用铅酸蓄电池。3.2 铅酸蓄电池的基本概念 由于蓄电池的充电本身涉及到许多相关的专业知识，为了能够更好的理解本课题，本节将简要介绍铅酸蓄电池有关的一些知识。1. 电池容量 电池容量是蓄电池使用过程中的一个重要参数，它指蓄电池充足电后放电到终止电压时所输出的电量，也就是在一定的放电条件下可以从电池中获得的电量。单元电池内活性物质的数量决定了单元电池含有的电荷量，因此，电池越大，它的容量越高。电池容量用C表示，其单位用Ah、mAh表示。2. 充电速率和放电速率 为了对不同容量的电池加以比较，蓄电池的充电电流不用电流的绝对值来表示，而是用电池的额定容量C和放电时间t的比来表示，称为电池的充电速率或放电倍率。例如一个额定容量C为100Ah的电池，充电2小时后，电池完全充满，则它的充电电流为： I=C/2=0.5C（A） (3.l)即它的充电速率为0.5C：若用1O小时就达到充满状态，则它的充电电流为： I=C/10=0.1C（A） (3.2)即它的充电速率为0.1C。放电速率的描述和充电速率相同。3. 充电终止电压和放电终止电压蓄电池充足电时，极板上的活性物质己达到保护状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。放电终止电压是指蓄电池可放电的最低电压，如果电压低于放电终止电压后继续放电，电池两段电压会迅速下降，形成过放电。这极易对电池造成永久性损害，影响蓄电池的使用寿命。放电终止电压和放电率有关。4. 电池的过充电当高速率充电而又不能及时地在满充电后结束充电过程，电池则很容易存在大电流过充电的问题。过充电会使电池内部的温度和压力都急剧上升，造成对电池的损害。这是因为在过充电阶段电池内部所进行的反应为消耗反应，它会增大电池内部的压力，同时，由于氧气的产生和吸收都是放热反应，这就使电池温度迅速上升。因此在电池充电接近满充点时，只能采用低速率充电。这是因为电池在低电流过充电时所产生的极化现象较轻，同时电池的热量可以及时地向空中散发，基本上不会对电池造成伤害。5. 电池的内阻 当电流流过蓄电池时，蓄电池两端所呈现出来的电阻称为蓄电池的内阻，这个内阻与其它电源的内阻有所不同，它包含两个部分，即： RRO十RN (3.3)其中RO为电极与电解液的内阻之和，该电阻遵守欧姆定律，是不变的量；RN是由干电流流过蓄电池时两电极的电位有所改变而表现出来的，因此又称为极化电阻或假电阻，其值与流过电池的电流强度有关，电流越大，RN越大。6. 电池的极化现象由干蓄电池内阻并不是纯电阻，所以蓄电池的端电压也与其它电源有所不同。该值与蓄电池的工作状态有关，它一般有三种状态的值：1. 当蓄电池为开路状态时，所测得的电池两极间的电压称为电池的开路电压； 2. 当蓄电池充电时所测得的电压称为电池的充电电压；3. 电池放电时测得的电压称为放电电压。这三种状态的电压具有下述特点：充电电压高干开路电压，而且随着充电时间的增加而略有升高；放电电压则低于开路电压，而且随着放电时问的增加而略有降低，这种现象称为电池的极化。这种现象的产主，主要是因为一般的密封式蓄电池在充电过程中，内部会产生氧气和氢气，其中主要是氧气，氢气只占一小部分，当产生的氧气不能被及时吸收时，它便堆积在正极饭上，使得电池内部压力增大，电池温度上升，同时缩小了电池正极板的板面积，表现为电池内阻上升，即使得电池出现了所谓的极化现象。上面提到的蓄电池的极化电阻正是由子电池的极化现象所表现出来的。当充电速率较低时，充电时所产生的氧气可以被及时吸收，因此电池的极化现象很轻，一般不会对电池造成很大的伤害；当高速率恒流充电时，这一现象则不容忽视。蓄电池的极化现象对蓄电池的工作是不利的。它不仅使电池发热，而且降低了电池的效率，同时也加速了电池的老化。7. 电池的老化电池的老化是指另外一种现象：电池在开始使用的一段时间内，电池容量增加大约510，接下来的一段时间，电池的容量大约不变，然后开始慢慢减少，即开始了电池的老化过程。当电池的老化达到一定程度时，这个电池就报废了。一般经验来讲，当电池的容量达到额定容量的80时，就可以认为电池的寿命基本结束了。8. 循环寿命循环寿命是指在其实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电循环的次数，通常用宋定义蓄电池的使用寿命。根据前面所介绍的放电深度的概念中可以看出，放电深度不同，电池的循环寿命是不同的。在正常维护条件下，蓄电池浮充供电的时间，称为浮充寿命。9. 自放电现象当电池处于闲置不用（非工作状态）时，虽然没有电流流过蓄电池，但电池内的活性物质与电解液间自发的反应却一直在进行，这造成了电池内的化学能量无益的损耗，使电池的容量下降，通常将这种现象称为电池的自放电。自放电的大小一般用单位时间的电池容量下降的百分比来表示，见公式2-4：自放电（Q0-Qr）/Q0*100 (3.4)其中，Q。为蓄电池在规定条件下的容量，Qr为电池存储一段时间后，在同样规定条件下的容量。自放电通常与环境温度有密切关系。但环境温度较高时，电池的自放电现象比较明显。所以电池应在适宜的温度和适度下保存。自放电一般不会损伤电池，只要重新充足电量，还可以照常使用。铅酸蓄电池的自放电相对镍镉电池来讲比较严重，经验表明，铅酸蓄电池在闲置一个月后，自放电达30左右。考虑到这一点，在设计蓄电池充电装置时，应在电池长时间不用的情况下对电池进行补充充电。3.3 免维护铅酸蓄电池的特性3.3.1 免维护铅酸蓄电池的特点与普通蓄电池相比，免维护铅酸蓄电池具有以下特点：(1) 由于是全密封结构，使用中不会发主漏液现象，充电时几乎不产主酸雾或其它有害气体，在寿命期内无需加液，真正做到了免维护，十分适合于无人值守变电的运行。(2) 自放电速率也较小。(3) 有良好的放电性能。由子采用了先进的工艺和配方，其高倍率放电性能明显优于旧式开口铅酸蓄电池，而接近于中倍率镍镉电池的水平，可以满足电磁式操作机构的合闸要求。(4) 使用寿命长。由子采用了耐腐蚀的铅钙合金板栅，其寿命要高于铅酸蓄电池，而与镍镉电池相当。一般50Ah/12V蓄电池浮充设计寿命可达5年，100Ah/12V蓄电池在7年左右，300Ah/2V蓄电池浮充设计寿命可达1015年。对于不同蓄电池生产厂家，蓄电池的浮充设计寿命也会不同。3.3.2 铅酸蓄电池的充放电特性1. 充电特性充电过程通常要完成两个任务，首先是使电池恢复额定容量，另一个是补充电池因自放电而产生的容量损失，以维持电池的额定电量。常温下的最佳浮充电压约为2.25V/单体。电池充足电后，维持电池容量的最佳方法是在电池组两端加入恒定的电压。这就是说，电池充足电后，充电装置应输出恒定的浮充电压（2.25V/单体）。图3.2是按10小时率额定容量50及100放电后的恒压限流充电的充电特性图。放电后的蓄电池充满电所需时间随放电量、充电初期电流、温度而变化。如图3.2中100放电后的电池在250C时进行恒压限流充电（电压为2.25V/单体、电流为0.1C10），24小时时左右可以充电至放电量100以上。浮充电压不能过高，以免因严重过充电而缩短电池的寿命。采用适当的浮充电压，免维护铅酸蓄电池的浮充寿命可达10年以上。实践证明，实际的浮充电压与规定的浮充电压相差5时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半。 图3.2 铅酸蓄电池的充电特性2放电特性放电电流越小放电容量越大；反之，放电电流越大放电容量越小。放电容量还会随着环境温度的降低而减少。图3.3为250C温度下01C10-2.OC10的放电电流放电至终止电压时的恒流放电特性图。 图3.3 铅酸蓄电池的放电特性3.4 铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池由正极板（二氧化铅）、负极板(海棉状铅)以及电解液（硫酸）组成。充电时，硫酸铅通过氧化还原反应分别恢复成二氧化铅和铅，电解液中的硫酸浓度增大；放电时，正极板的二氧化铅和负极板的铅与电解液中的硫酸反应，生成硫酸铅，电解液中的浓度降低。在充放电状态下，铅酸蓄电池的正、负极板上在进行不同的化学反应，产生正负离子形成电流，称为成流反应。正极的成流反应为公式3.5： PbO23H+HSO42e=PbSO4 2H2O (3.5)负极的成流反应为公式3.6： PbHSO4-= PhSO42eH+ (3.6)电池的总反应如公式3.7： PbO2Pb 2H2SO4=2PbSO42H2O (3.7)反应的中间过程可以表示如公式3.8和公式3.9，式中左方向为放电反应，右方向为充电反应。 PbPb2+2 (3.8) Pb2+HSO4-PbSO4+H+ (3.9)对于老式铅酸式蓄电池，其中电解液中的水分，在浮动充电及均衡充电末期都会产生电解分离反应而被电解成氢气和氧气，这些氢气和氧气将慢慢消失在空气中。因此每隔一定时间必须对蓄电池进行定期补水，以补充电解液中水分的损夫，否则蓄电池中的电解液浓度将大大超过规定值。对于免维护铅酸蓄电池，它采用了先进的阴极吸收式密封技术，可把这种定期补水的间隔时间延长到五年以上。生成的氧气在电场作用下移向电池组的阴极，在阴极催化剂的作用下，重新与氢气化合成水。在理想的工作状态下，它可维持蓄电池的电解液中水的含量保持不变，为了使得电池内部的这种气体阴极吸收方式能够充分进行，它要求在电解过程中水的电解反应要尽可能进行的缓慢，还要求电池内部的阳极、阴极及中间隔离板的结构必须易于气体通过和传输。因此，要想提高电池的使用寿命，必须严格遵循充电电流不得超过电池所允许的最大充电电流的规定，过大的充电电流会导致蓄电池使用寿命的缩短。第4章 充电电路无论在变电站还是发电厂，直流电源系统都是一种重要的装备。它既可作为正常运行时的操作（合闸等）电源，又可作为事故停电后的后备电源，在变电站的安全运行中起着不可替代的作用。因而对直流供电系统进行不断的研究、改造，使之更加完善、可靠是一项重要工作。蓄电池充电装置是直流电源系统的核心部件之一，其性能的优劣直接决定了直流电源的水平。人们对充电装置的要求主要有两方面：其一是要有较高的性能指标，如由平均无故障运行时间所表达的可靠性，由稳压稳流精度、动态调整速度及纹波系数等所表达的动、静态特性；其二是要有较为完善的自我检测与控制功能，有较高的智能水平，可以根据蓄电池的特性和用户的具体需要，选择最佳的充电规律，以提高蓄电池的蓄电容量和使用寿命。并能对充电电压、电流，进行监视、显示等。后者正是智能充电装置的控制器要完成的功能。4.1 充放电装置的设计要求4.1.1 装置的基本功能.实时监控蓄电池的充电电压和充电电流。.实时监测蓄电池组的环境温度。.具有掉电记忆保护功能。.具有恒流放电的功能。.充电过程可以在控制器的控制下智能地快速地完成。4.1.2 装置的设计技术指标根据实际需要，本装置应该在一定的使用条件下按要求的技术指标对免维护铅酸蓄电池进行理想的快速充电：.电网频率波动范围不超过额定值的士2；.输出电压：DC10V300V；.输出电流：5A10OA，连续可调；4.2 充放电控制过程分析4.2.1 铅酸蓄电池的充电工艺要求1. 充电电流应小于或等于蓄电池可接受充电电流。充电过程中，如果充电电流大于可接受充电电流，过剩的电流将以有害的负反应过程电解水消耗掉。在大量析气的状态下，用于有效充电消耗的电能，还不到总消耗量的10（即浪费的电能超过了90），这样既延长了工作时间，严重的析气也使正极板腐蚀，损坏了蓄电池。2. 深放电后，充电参数的选择原则是防止过大的热冲击。蓄电池温度应不超过450C。3. 防止充电不足。长期充电不足使得蓄电池容量下降，造成蓄电池的早期损坏。对存放中的电池和处于潺流充电过程中的电池，应定期进行活化充电。4. 防止过充电。过充电时有大量气体析出，这时正极板活性物质要遭受气体的冲击，这种冲击会使活性物质脱落；此外，正极板栅合金也遭受严重的阳极氧化而腐蚀，所以电池过充电时会使用寿命缩短 。4.2.2 充电过程对于免维护铅酸蓄电池来讲，常用的充电方式有恒流限压和恒压限流两种充电方式，然而，单独采用其中的一种充电方式，没有动态跟踪电池的实际状态和可接受充电电流大小的技术，对免维护铅酸蓄电池的充电效果不是很理想。鉴于免维护铅酸蓄电池的充放电特性，我们采用微机控制的智能充电方法对兔维护铅酸蓄电池充电，这种方法是在模拟图4.l所示最佳充电曲线的基础上，动态跟踪电池可接受的充电电流，应用dV/dt技术，采用主充、均充和浮充三个阶段进行充电。充电系统由充电装置和被充蓄电池组组成二元闭环回路，充电装置根据电池的状态确定充电工艺参数，充电电流从始至终处在电池的可接受充电电流曲线附近，使电池几乎在无气体析出的条件下充电，做到既节约用电又对电池无损伤。整个充电过程如图4.1所示。1. 主充当系统检测到蓄电池亏电时，首先以恒流方式充电。为了避免产生剧烈的化学反应而影响寿命，主充