小型風力發(fā)電
小型風力發(fā)電,小型,風力,發(fā)電
山東農業(yè)大學
畢 業(yè) 論 文
小型風力發(fā)電
院 部 機械與電子工程學院
專業(yè)班級 電氣工程及其自動化2班
屆 次 2015屆
學生姓名 李函朔
學 號 20110827
指導教師 李有安 教授
二О一五年六月五日
目錄
摘要： I
Abstract II
引言 1
1 緒論 1
1.1我國的風能資源 1
1.2風力發(fā)電的原理和特點 2
1.3 論文方案概述 2
2 風力機的原理與結構 3
2.1 風力機的原理 3
2.2 風力發(fā)電機的主要部件 4
3 電氣設計部分 6
3.1 發(fā)電機 6
3.1.1發(fā)電機的結構與原理 6
3.1.2發(fā)電機的勵磁 7
3.2整流 10
3.3蓄電池 12
3.3.1蓄電池的分類 13
3.3.2 蓄電池的充放電 13
3.3.3蓄電池供電控制設計 14
3.4 逆變電路 14
3.4.1逆變電路及其工作原理 14
3.4.2逆變器的控制 15
3.4.3電流波形的跟蹤控制 17
3.5驅動電路 19
4結論 21
參考文獻 22
致謝 23
Contents
Abstract II
1 Introduction 1
1.1Our wind resource 1
1.2Principles and characteristics of wind power 1
1.3 Paper Solution Overview 2
2 Principle and structure of the wind turbine 3
2.1 Principle of wind turbines 3
2.2 The main components of the wind machine 4
3 Electrical Design section 6
3.1 generator 6
3.1.1Structure and principle of the generator 6
3.1.2Excited generator 7
3.2Rectification 10
3.3Battery 12
3.3.1Battery Categories 13
3.3.2 Battery charge and discharge 13
3.3.3Battery-powered control design 14
3.4 Inverter 14
3.4.1Inverter circuit and how it works 14
3.4.2Inverter control technology 15
3.4.3Current waveform tracking control 17
3.5Drive circuit 19
4 Conclusion 21
Reference 22
Acknowledgement 23
小型家用風力發(fā)電畢業(yè)論文
李函朔
（山東農業(yè)大學 機械與電子工程學院 泰安 20110827）
摘要：風能以一種清潔的 可再生能源的身份走進人們的視野，風力發(fā)電也慢慢地成為了前途光明的新興產業(yè)。本論文闡述了小型風力獨立發(fā)電的設計方案，對風力發(fā)電機組的結構和電能變換以及繼電控制電臺做一些探討。以風力發(fā)電機帶動單項交流發(fā)電機，通過AC—DC—AC交直交變換，轉化為用戶所需的標準交流電?？紤]到風力發(fā)電的不穩(wěn)定性，在電路系統中加入蓄電池組，通過控制電路的監(jiān)控來實現對系統的控制，確保在風力資源充足的情況下將多余的電能進行儲能，在風力不足時為系統供電。系統的運行狀況采用繼電控制電路進行監(jiān)控和切換。
關鍵詞：風力發(fā)電 整流 逆變
I
Household wind Graduation Thesis
Hanshuo Li
(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 20110827)
Abstract Wind energy in a clean and renewable energy identity into the spotlight, wind power has slowly become a promising new industry. This paper describes the design of small wind power independent of the structure and the wind turbine power conversion and control relay stations do some research.In the individual wind turbine drive alternators, by AC - DC - AC conversion, the conversion to AC required by the user. Taking into account the instability of wind power, adding battery in the circuit system, monitored by the control circuit to achieve control of the system, to ensure that sufficient wind resources in the case of the excess energy in the energy storage, when the wind is insufficient power the system. The health system adopts relay control circuit for monitoring and switching.
Keywords：wind Power rectification inverter
II
引言
隨著社會工業(yè)化的腳步不斷加快，全球自然資源消耗不斷增加，各類工廠所排放的工業(yè)有害物質的排放量也與日俱增，我們周圍遍布著各類顆粒、細菌，從而造成了疾病的多發(fā)、氣候的變換異常、自然災害的增多；因此，環(huán)境和能源的問題成了當前的首要難關。日益惡劣的環(huán)境問題和有能源問題引發(fā)的危機，讓人們意識到開發(fā)清潔能源和可再生能源已經是刻不容緩。對風力能源的開發(fā)和應用就是一個不錯的方向。
1 緒論
風能是一種清潔的、可再生資源在自然資源中儲量豐富，但和自然資源中的礦物質燃料如：煤、油、天然氣等不同，它不會隨著自身的使用而減少，所以可以說它是一種取之不盡用之不竭的自然資源。從第一次工業(yè)革命開始，煤等礦物質燃料進入人們的視線便被大量開采，但是礦物質需要大量時間和空間的累積才能形成，是屬于不可再生資源；而且燃料的燃燒帶來的嚴重污染問題和溫室效應也是刻不容緩的問題；因此風力發(fā)電走進人們的視野。
風力發(fā)電現狀與展望
全球的風力資源非常豐富風力發(fā)電是當今非水可再生資源發(fā)電技術中最成熟最具有大規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化前景的發(fā)展方式,風力發(fā)電在我國已經成為繼水電之后最重要的可再生能源,是近期發(fā)展的重點。以下詳細介紹了我國風能資源分布,風力發(fā)電的現狀,并展望了風力發(fā)電的發(fā)展前景。
1.1我國的風能資源
我國風能資源比較豐富。根據全國第2次風能資源普查結果,中國陸地風能離地面10m高度的經濟可開發(fā)量2.53億kW,離地面50m估計可能增大一倍。近海資源估計比陸地上大3倍,10m高經濟可開發(fā)量約7.5億kW,50m高約15億kW。
我國的風力資源主要分布在兩大風帶:一是三北地區(qū)?(東北、華北和西北地區(qū))。包括東北3省和河北、內蒙古、甘肅、青海、西藏、等省區(qū)近200km千米寬的地帶,可開發(fā)利用的風能儲量約2億kW,約占全國可利用儲量的79%。該地區(qū)風電場地形平坦,交通方便,沒有破壞性風速,是我國連成一片的最大風能資源區(qū),有利于大規(guī)模地開發(fā)風電場。二是東部沿海陸地、島嶼及近岸海域。冬春季的冷空氣、夏秋的臺風,都能影響到沿海及其島嶼,是我國風能最佳豐富區(qū),年有效風功率密度在200W/m2以上。如臺山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等,可利用小時數約在7000至8000h。這一地區(qū)特別是東南沿海,由海岸向內陸丘陵連綿,風能豐富地區(qū)僅在距海岸50km之內。
1.2風力發(fā)電的原理和特點
風力發(fā)電是利用風能來發(fā)電，而風力發(fā)電機組是是將風能轉化為機械能再轉化為電能的裝置。風輪是風力發(fā)電機組的重要組成部分。風輪有兩大類，水平式風車（主軸垂直安裝）還有垂直式風車（即一直旋轉的）， 由葉片和輪轂組成。槳葉片具有良好的動力外形 ，在氣流的作用下使風輪旋轉將風能轉化成機械能，再通過齒輪箱（或是一加速變速箱）增速驅動發(fā)電機，將機械能轉化為電能。然后緊接著是一臺異步發(fā)電機（風車通常使用異步發(fā)電機，而不是同步發(fā)電機，因為同步發(fā)電無法保證輸出得到頻率和轉速相同，風車的轉速不是一成不變的。）風力帶動異步發(fā)電機，當槳葉轉的快時，產生的電流較大，否則較小；當轉速比較小時被檢測電路測到，就分離發(fā)電機與電網系統的連接，如果不分離，發(fā)電機轉子轉速小于同步轉速就變成了電動機，即異步發(fā)電機就是異步電動機。按照具體要求具體操作，通過適當的變換調節(jié)將電能儲存為化學能或并網使用或直接給負載充當電源。
風力發(fā)電的特點有：
（1）清潔、無污染、可再生；
（2）分布廣泛、適應能力強；
（3）風力能量密度低，風能來自空氣的流動，風的能量密度只有水的1/816；
（4）風力發(fā)電的不穩(wěn)定性，給負荷或電網帶來一定的影響；
(5)風速的隨時變化，發(fā)電機要承受交變負荷。
風力發(fā)電的運行方式主要有兩種：一種是獨立運行的供電系統，即在沒有通電的地方，用小型發(fā)電機組為蓄電池充電，再通過逆變器轉化為交流電向負載供電；另一種是作為電網的電源，與電網并聯運行。
本次討論的是前者，即獨立風力發(fā)電系統方案。
1.3 論文方案概述
該獨立風力發(fā)電系統結構圖如下圖1—1所示。
圖1—1 獨立風力發(fā)電系統結構簡圖
系統的具體運行情況如下：
（1） 風力吹動槳葉片的轉動；
（2） 通過齒輪箱的變速功能來提高輸出端轉軸的轉速，轉軸與交流發(fā)電機相連；
（3） 轉軸帶動三相交流發(fā)電機轉動，開始發(fā)電（此時交流電的頻率和幅值都不穩(wěn)定）；
（4） 三項交流電經過整流器的整定變成穩(wěn)定的直流電；
（5） 此時出現兩種情況：
a 如果風力充足，直流電經過控制電路一部分流向逆變器，另一部分流向蓄電池；
b 如果風力不足，控制電路切換至蓄電池供電狀態(tài)；
(6)直流電經逆變器變換為恒頻穩(wěn)定的交流電，向負載供電。
2 風力機的原理與結構
風力的使用經過多年的發(fā)展和演變，已經形成了很多的形式，但綜述歸納起來有兩類：a水平軸風力機，槳葉平的旋轉轉軸與方向平行；b垂直軸風力機，槳葉片的轉軸垂直于地面或氣流方向。本文采用水平軸風力機。如圖2—1所示。
（a）高速風力機 （b）低速風力機
圖2—1 水平軸風力機
2.1 風力機的原理
風力發(fā)電機主要是利用氣動升力的槳葉，升力，就是向上的力。 使上升的力。 有很多種了。一般都是說在空氣中。 也就是向上的力大于向下的力，其合力可以使物體上升。 這個力就是升力。如下圖2—2所示。
圖2—2 氣動升力圖
該圖是一張機翼圖。從圖中可以看出機翼翼型運動的氣流方向有所改變，在機翼的上表面層形成了低壓區(qū)而下表面層形成高壓區(qū)，產生了向上的合力，并垂直于氣流方向。產生升力的同時也產生了阻力使風速有所下降，但升力總是推動葉片繞中心軸轉動。
2.2 風力發(fā)電機的主要部件
風力發(fā)電機通常由風輪（槳葉片）、調速裝置、調向裝置、傳動裝置、發(fā)電機、塔架等組成。下面以一張水平軸風力發(fā)電機圖（圖2—3）為例，介紹它的主要組成器件和功能。
圖2—3小型獨立發(fā)電機簡化圖
1—風輪 2—發(fā)電機 3—回旋體
4—調速裝置 5—調向裝置6—手剎車裝置
7—塔架 8—蓄電池組 9—逆變器
（1） 風輪：有2或3個將葉片組成，它是用來捕捉和吸收風能的主要器件。當風輪旋轉的時候，葉片會受到離心力和氣升動力的作用，離心力對葉片是拉力而氣升動力會使葉片彎曲。當風力大于風輪的使用設計風速時，為防止葉片損壞，需要對風輪進行控制，控制風輪的方法有兩種：a使風輪偏離主要方向；b改變葉片的偏斜角度，利用擾流器，產生阻力，從而降低風輪轉速。
（2） 調速裝置：自然界的風速經常變換。風輪的轉速隨風速的增大而變快，使發(fā)電機的輸出電壓、頻率、功率增大。風力是不穩(wěn)定的，不但會影響發(fā)電機電流的輸出，超大強風時會導致發(fā)電機的燒毀，當風輪的轉速超過設計允許值時，極有可能導致機組的損壞和壽命減少。為了使風輪能在一定轉速內工作，風力發(fā)電機必須安裝調速裝置（調速裝置是在風速大于設計允許額定風速時才使用，又稱為限速裝置）。國內外的風力發(fā)電機的調速裝置，歸納整理按調速原理可分為三類：減少風輪迎風面積、改變葉片翼型攻角值、利用風輪圓周切線方向的阻力進行限制風速。
（3） 調向裝置：自然界中風速和風向一直都是變化的，為了使風力發(fā)電機更有效地利用風，提高風能的利用效率，，就應該安裝對風裝置跟蹤風向的變化，確保風輪的旋轉面始終處于迎風狀態(tài)。風力機的調向裝置主要有尾翼（尾舵）自動對風、電動機機構和舵輪四種本文主旨只是家用的小型風力發(fā)電機，可利用尾翼的控制帶動水平軸旋轉，使風輪總是朝向風流風向。如下圖2—4所示。
圖2—4所示 調向裝置
（4）傳動裝置：風力機的傳動裝置包括增速器和聯軸器等。通常風輪的轉速低于發(fā)電機轉子所需的轉速，所以要進行增速（若是較小型的風力發(fā)電機可不設置增速器直接連接）。增速器和發(fā)電機之間用聯軸器連接，且風輪與增速器之間也用聯軸器連接，有時候為了減少占用空間，通常將聯軸器和制動器設計在一起。
（5）發(fā)電機：發(fā)電機將由風輪通過聯軸器傳來的機械能轉換為電能的設備風力發(fā)電機上長用的發(fā)電機有四種：直流發(fā)電機、永磁發(fā)電機、同步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機。如下：
a 直流發(fā)電機常用在微、小型風力發(fā)電機上。直流電壓為12V、24V、36V等，有時候中型風力機上也有直流發(fā)電機；
b 永磁式發(fā)電機常用在小型風力發(fā)電機上，中、大型風力機一般不用，其電壓等級有115V、127V等。永磁式發(fā)電機有交流有直流，比如我國交流電壓440/240的高效永磁式交流發(fā)電機，能制造出多級低轉速，比較適合安裝在風力發(fā)電機中；
c 同步交流發(fā)電機 它的電樞磁場和主磁場同步（同時旋轉、同量轉速）；
d 異步交流發(fā)電機 它的電樞磁場和主磁場不進行同步旋轉，而且轉速比同步磁場低，當并網時轉速提高。
交流發(fā)電機和直流發(fā)電機相比，有體積小、結構簡單、重量輕、對周圍的無線電設備干擾少、低速發(fā)電性能好等優(yōu)點。所以，在獨立運行的小容量發(fā)電系統中，經常采用自勵式或者永磁式交流發(fā)電機；當在并網運行系統中，通常采用同步發(fā)電機或異步發(fā)電機。
（6）塔架 為了讓風輪能夠在較高的風速中運行，必須用塔架將風輪支撐起來。此時，塔架需要承受兩個負載：一是風力機的重量，方向向下壓在塔架之上；二是阻力，塔架向風流的下方向收力，選擇塔架時必須考慮它的成本和受力情況，根據具體情況具體分析，選擇合適的塔架。
3 電氣設計部分
3.1 發(fā)電機
本文采用可控硅整流器控制的自勵交流發(fā)電機。
3.1.1發(fā)電機的結構與原理
硅整流交流發(fā)電的結構圖和工作原理如下：
可控硅硅整流交流發(fā)電機的結構硅整流交流發(fā)電機由一臺三相同步交流發(fā)電機和二極管整流器組成?。發(fā)電機工作時產生的三相交流電通過整流器進行三相橋式全波整流后轉變?yōu)橹绷麟?。硅整流交流發(fā)電機是由轉子、定子、整流器、端蓋、風扇葉輪等組成?。如下圖3—1所示。
圖3—1 發(fā)電機結構圖
（1）定子：定子(又稱電樞)由定子繞組和定子鐵芯組成。定子鐵芯是有內圈帶槽、相互絕緣的硅鋼片相疊組成。定子繞組有三組線圈，對稱的嵌入定子鐵芯的槽中。三相繞組必須按照一定的要求繞制，才能使發(fā)電機獲得相同頻率、相等幅值，相位角互差120度的三相電動勢。
（2）整流器：將三相交流電變?yōu)橹绷麟?。整流器可分：機械整流器和電子整流器。通常在風力發(fā)電系統中通常采用后者。電子整流器又可以分成可控整流和不可控整流兩類?？煽卣髌饔删чl管組成，常見電路形式有單相橋式、單相全波、三相半波可控、三相橋式半控和三相橋式全控整流電路；不可控整流器由二極管組成，常見的電路形式有單相半波、單相全波、單相橋式、三相半波和三相橋式整流電路。本文為方便起見，采用由六個或八個硅二極管分別焊接在兩塊整流板（極板）上組成的三相橋式全波整流電路。
（3） 風扇和帶輪 交流發(fā)電機的前端安裝帶輪和風扇，有發(fā)電機通過傳動帶驅動發(fā)電機的轉子軸和風扇一起旋轉。風扇的轉動是為發(fā)電機散熱，轉子的轉動是發(fā)電機發(fā)電。
（4）電刷 電刷將電源引入轉子的線圈（勵磁繞組）中，使內部的電磁鐵（磁軛與爪極）產生較強的磁場。
（5）轉子 轉子用來在發(fā)電機工作時產生旋轉磁場。它是由安裝在轉子軸上的兩塊爪型磁極、兩磁極直接的勵磁繞組和轉子軸上的兩個滑環(huán)組成。兩個滑環(huán)彼此絕緣并且與轉子軸也絕緣，勵磁繞組的兩端焊接在兩個滑環(huán)上。
電機工作時，通過電刷和滑環(huán)將直流電壓作用于勵磁繞組的兩端，則在勵磁繞組中有電流通過，并在其周圍產生磁場，使轉子軸和軸上的兩塊爪形磁極被磁化，一塊為N極，另一塊為S極。由于它們的電極爪相間排列，便形成了一組交錯排列的磁極。當轉子旋轉時，在定子中間形成旋轉的磁場，使安裝在定子鐵心上的三相定子繞組中感應生成三相交流電，經過整流器整定為直流電。
三只正二極管負極端連在一起時，正極端電位最高者導通；
三只負二極管正極端連在一起時，負極端電位最低者導通；
每一時刻都有一正二極管和負二極管導通，使電路處于通電狀態(tài)。
二極管相當于晶閘管觸發(fā)角α=0度的情況。
3.1.2發(fā)電機的勵磁
除永磁式交流發(fā)電機不必勵磁外，其它形式的發(fā)電機都需要精心勵磁；必須要給磁場繞組通電才會有磁場產生。交流發(fā)電機有自勵和他勵兩種方式。
本文提出的系統采用他勵（即蓄電池儲存的電一部分供給磁場繞組生磁），且在蓄電池組和勵磁繞組之間串聯勵磁調節(jié)器。如電路圖3—3所示。通過與滑環(huán)接觸的電刷和硅整流器的直流輸出端口相連，從而獲得直流勵磁電流。
圖3—3 串聯勵磁調節(jié)器電路圖
獨立運行的小型風力發(fā)電機的風輪漿葉片大部分是固定漿距的。隨著風力的變換，風輪轉速隨之變化，通過軸承連的發(fā)電機轉子轉速也隨之變化，所以發(fā)電機的輸出端口電壓也會上下波動，因而會導致可控硅整流器的輸出電壓和發(fā)電機勵磁電流發(fā)生變化；并會再成勵磁磁場的變化，就會反過來造成發(fā)電機輸出端口的電壓發(fā)生變動；這種連鎖反應一旦發(fā)生就會使輸出端口電壓的動蕩范圍不斷加劇。顯而易見，若電壓的波動得不到有效的控制，在向負載供電時就會降低供電質量，甚至會損壞用電設備。而且獨立風力發(fā)電系統都有蓄電池組，電壓的波動會導致蓄電池壽命減少。
為了減小輸出電壓波動，該可控硅整流交流發(fā)電機配備勵磁調節(jié)器。如圖，有電壓繼電器V1、電流繼電器I1、逆流繼電器I2和它所控制的動斷觸點V1、I1和動合觸點I2與電阻組成的勵磁調節(jié)器。
勵磁調節(jié)器的功能是使發(fā)電機自動調節(jié)勵磁電流（勵磁磁通）的大小，用來抵消風速變化導致的發(fā)電機轉速對發(fā)電機輸出電壓的影響。
（1）根據發(fā)電機發(fā)出的電壓大小相應的的反調這勵磁電壓（勵磁電壓）讓發(fā)電機發(fā)的電壓值恢復到正常（規(guī)定）。由負載的擾動引起發(fā)電機輸出端電壓和功率的變換，由擾動量形成了勵磁控制分量，用補償饒動量來增加勵磁電流。穩(wěn)定器和補償器
（2）按照偏差量進行調節(jié)。按照被調節(jié)器與實際值間的差值，來控制調節(jié)器的勵磁輸出；實際是反饋調節(jié)。
分析運行過程：當風速較小發(fā)電機轉子轉速比較低時，發(fā)電機輸出端口電壓低于額定電壓，電壓繼電器V1不動作，動作觸點V1閉合，整流器輸出端電壓直接加在勵磁繞組上，發(fā)電機處于正常勵磁狀態(tài)；當風力加大發(fā)電機轉子轉速增大，發(fā)電機輸出端電壓大于額定電壓時，動斷觸點V1斷開，勵磁回路網絡中被串入電阻R2，勵磁電流（勵磁磁通）會隨著減小，發(fā)電機輸出端口的電壓低于設計規(guī)定額定值，動斷觸點V1將重新閉合，轉子恢復正常勵磁狀態(tài)。勵磁調節(jié)器正常工作時，發(fā)電機輸出端口電壓和轉子轉速的關系如下圖3—4所示。
圖3—4 發(fā)電機端口電壓與轉子轉速關系圖
當風力發(fā)電機正常運行時，如果負載的負荷過多時，有可能會出現負載電流過大甚至超過設計規(guī)定額定值的情況。若不及時進行控制，發(fā)電機會持續(xù)過負荷運行，發(fā)電機的使用壽命必定會大大打折，甚至會損壞發(fā)電機的定子繞組。電流繼電器I1的動斷觸點I1串聯在發(fā)電機勵磁回路中，發(fā)電機輸出端口的負荷電流流經電流繼電器的繞組。當輸出端口的電流小于設計額定值，電流繼電器不工作，觸點I1閉合，發(fā)電機處于規(guī)范勵磁狀態(tài)。當發(fā)電機的輸出電流大于額定值，觸點I1斷開，電阻R2串聯勵磁回路，勵磁電流逐漸減小，降低發(fā)電機的輸出電壓并且減少負載電流。電流繼電器正常工作時，發(fā)電機的負載電流和發(fā)電機轉子轉速關系如下圖3—5所示。
圖3—5 發(fā)電機負載電流與轉子轉速關系圖
為了防止風速太低或者無風的情況下，蓄電池向勵磁繞組供電，蓄電池由充電運行狀態(tài)轉變?yōu)榉错懛烹姞顟B(tài)。不但會消耗蓄電池中儲存的電量而且還會對勵磁繞組造成傷害甚至燒毀，所以勵磁調節(jié)裝置中還應該裝備逆流繼電器。發(fā)電機正常工作的情況下，逆流繼電器的電壓線圈和電流線圈中通過的電流使觸點I2閉合；風速太低的情況下，發(fā)電機輸出端口電壓小于蓄電池兩端的電壓時，繼電器電流線圈電流立刻反向，反向電流產生的磁場和電壓線圈產生的磁場作用相反，磁場作用的總和也降低，導致發(fā)電機電動勢降低因而電壓線圈流經的電流也減少，線圈電流作用產生的吸引力隨著降低，使觸點I2斷開，蓄電池支路斷開，使蓄電池不再向電機勵磁繞組供電。
可控硅整流交流發(fā)電機采用勵磁調節(jié)器，和永磁式發(fā)電機相比較，它的特點是：(1)在風速變化的情況下能及時通過調節(jié)磁場強度來調節(jié)發(fā)電機電壓，防止對蓄電池的過度充電，延長蓄電池的使用年限；（2）通過勵磁調節(jié)器觸點的關、斷，實現對發(fā)電機的過負荷保護。由于觸點的開合相當的頻繁，必須對觸點的材質和反射弧做對應處理。
3.2整流
因為自然當中風速和風向的不穩(wěn)定性，發(fā)電機輸出的是不均衡的交流電，且交流電的頻率和幅值都在不斷的變換，但負載的電器設備都是按照我國規(guī)定的正常頻率（50HZ）的穩(wěn)定交流電，因而必須進行AC——DC——AC的電流變換。整流器是將發(fā)電機發(fā)出的交流電轉換成直流電，再經過濾波，供給逆變器流向電網或者儲存在蓄電瓶中。整流器按照組成器件可分為全控、半控與不可控三種；按照交流輸入相數可分單相與多相；按照電路結構可分零式電路和橋式電路；按照變壓器二次側電流方向是單向還是雙向可分單拍電路與雙拍電路。本文采用的是三相橋式整流電路。三相橋式整流電路簡化圖如圖3—6所示。
圖3—6 三相橋式整流電路
習慣將其中的陰極連在一起的3個晶閘管（、、）稱為共陰極組，陽極連在一起的3個晶閘管（、、）稱為共陽極組。習慣是希望晶閘管按照從1到6的順序導通，所以晶閘管按照如圖所示的順序編號，即共陰極組和a、b、c三相電源相接的3個晶閘管依次為、、，共陽極組和a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別是、、。按照這個編號，晶閘管的導通編號為—————。
整流電路的負載是帶反電動勢的阻感負載。晶閘管的觸發(fā)角α=。共陰極的3個晶閘管，陽極所接交流電電動勢最高的一個導通；共陽極的3個晶閘管，陰極所接交流電電動勢最低的一個導通。任意時刻都有共陽極組和共陰組各有一個晶閘管導通，施加在負載上的電壓為線電壓。電路工作時候的波形圖如下圖3—7所示。
圖3—7 電路工作波形圖
由于觸發(fā)角α=，各個晶閘管都在自然換相點處換相。由變壓器二次繞組的線電壓與相電壓波形的對應關系可知，相電壓的交點即自然換相點，同時也是線電壓的交點。分析線電壓的波形圖時，既可以從相電壓波形分析，又可以從線電壓波形分析。從相電壓波形圖看，以變壓器二次側的中性點n為參考點，共陰極組晶閘管導通時，整流輸出電壓為相電壓在第一象限的圖形，共陽極組晶閘管導通時，整理輸出電壓為線電壓在第四象限的圖形；兩者之間的差值為總的整流輸出電壓=-，對應到相應的線電壓波形圖上。
從線電壓波形圖來看，有共陰極中處于導通狀態(tài)的陽極二極管對應最大的相電壓，和共陽極中處于導通狀態(tài)的陰極二極管最小的那個，輸出整流電動勢為這兩個相電壓之差。
為了詳細說明各個晶閘管的工作情況，將波形圖的一個周期分為6個小段，每段為，如圖所示，每一小段當中導通的晶閘管和輸出整流電壓的情況如表所示。由表可見6支晶閘管的導通順序為V1—V2—V3—V4—V5—V6。
表3—1 三相橋式整流電路α=時晶閘管工作情況
時段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
共陰極組中導通的晶閘管
共陽極組中導通的晶閘管
整流輸出電壓
3.3蓄電池
在獨立的家用風力發(fā)電機系統中，通常使用蓄電池組作為儲能裝置，蓄電池組的作用是當風力較強或者負載較小時，能將來自風力發(fā)電機的電能中的一部分儲存在蓄電池中（即向蓄電池充電）；當無風或者風力較小或者負載增大時，蓄電池中儲存的電能向負載提供一部分的電能，彌補風力的不足，達到向負載平穩(wěn)供電運行的功能。本系統采用的是鉛蓄電池組。
3.3.1蓄電池的分類
蓄電池是電池中的一種，它的作用是能把有限的電能儲存起來，在合適的地方使用。它的工作原理就是把化學能轉化為電能。在蓄電池當中應用最廣泛的是鉛蓄電池。
鉛蓄電池正極板是二氧化鉛板，負極板是金屬鉛，通過互插式結構，就是一層正極板緊接著一層負極板的排列，兩極板之間有間隔，填充稀硫酸作為電解液，并用22～28％的稀硫酸作電解質。在充電時，電能轉化為化學能，放電時化學
13
能又轉化為電能。電池在放電時，金屬鉛是負極，發(fā)生氧化反應，被氧化為硫酸鉛；二氧化鉛是正極，發(fā)生還原反應，被還原為硫酸鉛。電池在用直流電充電時，兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源后，它又恢復到放電前的狀態(tài)，組成化學電池。鉛蓄電池是能反復充電、放電的電池，叫做二次電池。單個鉛蓄電池的電壓是2V，通常把多個鉛蓄電池串聯起來使用，獲得不同的電動勢。汽車上通常用的是6個鉛蓄電池串聯成12V的電池組。將所有的正極板連通出來到正極，所有負極板連接作為負極。特別注意，鉛蓄電池在使用一段時間后要補充硫酸，使電解質保持含有22～28％的稀硫酸。
本文采用的是18節(jié)鉛蓄電池組串聯，組成36V的蓄電池組。當外電路閉合時，蓄電池組正負極之間的電勢差為蓄電池組的端口電壓。蓄電池在充放電過程中，正負極之間端口電壓是不相同的，充電時端口電壓大于電動勢，放電時端口電壓小于電動勢，這是因為蓄電池組中有內阻。
蓄電池的容量用Ah表示。蓄電池組的端口電壓隨著發(fā)電過程而降低，而且蓄電池存在最佳充放電時刻。
3.3.2 蓄電池的充放電
蓄電池經過多次充放電過程，蓄電池容量將會降低，當容量小于其額定值的80%時，蓄電池就不能再使用了（即蓄電池有一定的使用年限）蓄電池使用壽命的影響因素有：高溫、高壓環(huán)境下使用、過度充放電、蓄電池電解液的濃度大小和過度放電燈因素。
蓄電池的充放電電壓不但能直接影響蓄電池工作性能，也會影響負載的壽命和安全。圖3—8和圖3—9分別表示蓄電池充放電曲線圖。
圖3—8 蓄電池充電曲線圖
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圖3—9 蓄電池放電曲線圖
3.3.3蓄電池供電控制設計
控制電路如圖3—10所示。整流器輸出端引出兩根線，和逆變器相連，對負載供電，通斷狀態(tài)由動合觸點I2來控制。蓄電池輸出端引出兩根線和逆變器相連，當風力不足或者無風狀態(tài)下對負載供電，通斷狀態(tài)由動開觸點I2來控制。
圖3-10 蓄電池組供電控制電路
當風力充足的情況下，發(fā)電機平穩(wěn)工作，動合觸點I2閉合，直接向負載供電，同時一部分電能儲存在蓄電池中。當風力不足或者無風條件下，發(fā)電機轉子轉速太低，動開觸點I2閉合，由蓄電池向負載供電。
3.4 逆變電路
因為家用電器比如電視、冰箱、白熾燈等都是以交流電工作，所以在獨立風力發(fā)電系統當中需要將直流電轉化為交流電，這個轉化過程叫做逆變。逆變電路即將以直流電路逆變成某一頻率或可變頻率交流電的電力電子電路。
3.4.1逆變電路及其工作原理
本文采用的逆變電路如下圖3—11所示。
逆變電路當中V1—V6為開關器件，—為續(xù)流二極管，每個橋臂都是有一個IGBT開關器件和反并聯二極管組成，后面接L、C組成濾波器過濾交流電的高次諧波。利用導電方式，在一個開關周期當中，開關導通順序為V1—V2—V3—V4—V5—V6，各相角度相差，任意時刻都有三個開關導通。
圖3—11所示 三相橋式逆變電路
3.4.2逆變器的控制
逆變器控制技術的進程。
逆變器控制技術從實現方法中可分為數字控制技術和模擬控制技術。模擬控制技術有單周期控制、三角波電流控制，滯環(huán)電流控制、PWM控制等，數字控制技術有模糊控制、神經網絡控制、無差拍控制、PID控制等。在逆變器電路中使用最多的是PWM控制技術（即利用開通和關斷來對輸出波形進行調解，也就是調節(jié)占空比來達到控制輸出的波形）?，F在最常用的是SPWM波即脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。
SPWM控制原理是：通過調節(jié)逆變電路的開閉得到等幅卻不等寬的矩形脈沖，用矩形脈沖等效正弦波（等效原理：逆變器的輸出波形為一系列與正弦波等效的等幅而不等寬的矩形脈沖波形），如下圖3—12所示。將正弦半波電壓等分為N份，每一等分區(qū)間內矩形波的面積與正弦波的面積相等。SPWM控制技術又分單極性和雙極性SPWM技術。
圖3—12 脈沖面積等效原理
本文采用的是雙極性SPWM技術。其工作原理如圖3—13所示。其工作特點：雙極性調節(jié)時，某一橋臂上、下兩個開關交替通斷，處于互補狀態(tài)。比如A相VT1VT4交替通斷，當參考電壓>三角波電壓時，導通，=+/2；當<時，V導通，=-/2。且相電壓在+/2和-/2之間躍變脈沖波，線電壓幅值為+與-的脈沖波，和單極性調制時候相同。
圖3—13 雙極性SPWM 工作原理圖
SPWM與PWM相比的優(yōu)點：
（1） 能在可控功率級別內調壓、調頻，簡化控制電路的結構，優(yōu)化體積，減小造價；
（2） 輸出電壓和輸出頻率在逆變器內部進行控制和調節(jié)，輸出響應速度取決于控制回路，SPWM控制調節(jié)過程中速度快，能獲得及時的動態(tài)性能；
（3） 輸出波形圖接近正弦波，減小諧波分量。
（4） PWM是脈沖寬度調制也就是具有一定脈沖寬度的方波組成。SPWM是在PWM的基礎上用正弦波來調制合成的具有正弦波規(guī)律變化的方波。
3.4.3電流波形的跟蹤控制
即把期望得到的波形作為指令，把實際輸出的波形作為反饋，將兩者瞬時值相比較，利用比較得來的結果來控制逆變器當中開關的開合狀態(tài)，使實際輸出波形能隨規(guī)定指令做出相應的變化。
滯環(huán)的比較原理：將指令電流規(guī)定為、反饋電流規(guī)定為，將兩者之間的差值-為滯環(huán)的比較器的輸入，利用滯環(huán)比較器的輸出結果來控制逆變器開關的開合狀態(tài)。如圖3—14。設比較器的滯環(huán)的寬度為h 。當給反饋電流比規(guī)定電流大時，且誤差大于0.5h，比較器輸出負電平，開關器件斷開、閉合，使實際輸出電流減少。當實際輸出電流減少到和指令電流值相同時，滯環(huán)比較器仍然輸出負電平，持續(xù)斷開狀態(tài)、持續(xù)閉合狀態(tài)，實際輸出電流一直減少，一直到誤差大于0.5h，滯環(huán)控制器翻轉，比較器輸出正電平，轉換為導通狀態(tài)轉換為斷開狀態(tài)，使反饋電流增大，一直增大到比規(guī)定電流高0.5h。過程無限重復，實際輸出電流與指令電流的誤差保持在-0.5h—0.5h之間，而且輸出電流隨反饋電流上下做鋸齒狀變化，實現對電流的跟蹤。
如圖3—15所示。
圖3—14 電流滯環(huán)跟蹤控制原理圖
圖3—15 電流滯環(huán)跟蹤控制波形圖
滯環(huán)電流控制特點：
(1) 較快的瞬間響應；
(2) 較高的穩(wěn)定性；
(3) 有快速限流能力，但開關損耗大。
3.5驅動電路
驅動電路：主電路和控制電路之間，對控制電路的信號進行放大處理的中間電路（即放大控制電路的信號使其能夠驅動功率晶體管）。按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質，可以將電力電子器件分為電流驅動型和電壓驅動型兩類。晶閘管是半控型器件，一般其驅動電路成為觸發(fā)電路，下面分別分析晶閘管的觸發(fā)電路，GTO、GTR、電力MOSFET和IGBT的驅動電路。
驅動電路特點：
（1） 驅動電路既能保證器件的充分導通又能可靠關斷以減低器件的導通和開關損耗；
（2） 具有可靠的保護能力，當主電路或驅動電路自身出現故障時，驅動電路應迅速封鎖輸出正向驅動信號并正確關斷器件以保障器件的安全；
（3） 實現與主電路的電隔離；
（4） 具有較強的抗干擾能力，目的是防止器件在各種外擾下的誤開關。
本文采用的是IGBT驅動電路。
驅動電路是主電路與控制電路之間的接口，是逆變裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大影響。采用性能良好的驅動電路，可使電力電子器件工作在較理想的狀態(tài)，縮短開關時間，減少開關損耗，對裝置的運行效率?？煽啃院桶踩远加兄匾囊饬x。
驅動電路的基本任務，就是按照控制目標的要求，將單片機輸出的脈沖進行功率放大,轉換為加在IGBT控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號，從而驅動IGBT，保證其可靠工作。對IGBT驅動電路的基本要求如下：
a提供適當的正向和反向輸出電壓使IGBT可靠的開通和關斷。?
b提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流,使IGBT能迅速建立柵控電場而導通。
c盡可能小的輸入輸出延遲時間,以提高工作效率。
d足夠高的輸入輸出電氣隔離性能,使信號電路與柵極驅動電路絕緣。?
e具有靈敏的過流保護能力。
目前，在IGBT的柵極驅動電路中廣泛采用的是EX840/EX841集成電路。其典型接線方法如圖3—16。
圖3—16 EX840/EX841集成電路
注意如下幾點：
? (1)IGBT柵-射極驅動回路往返接線不能太長(一般應該小于1m),并且應該采用雙絞線法,防止干擾。
?（2）由于IGBT集電極產生較大的電壓尖脈沖,增加IGBT柵極串聯電阻RG有利于其安全作。但是柵極電阻RG不能太大也不能太小,如果RG增大,則開通關斷時間延長,使得開通能耗增加；相反,如果RG小,則使得di/dt增加,容易產生誤導通。
?（3）圖中電容C用來吸收由電源連接阻抗引起的供電電壓變化,并不是電源的供電濾波容,一般取值為47F。??
（4）6腳過電流保護取樣信號連接端,通過快恢復二極管接IGBT集電極。
?（5）14、15接驅動信號,一般14腳接脈沖形成部分的地,15腳接輸入信號的正端,15端的輸入流一般應該小于20mA,故在15腳前加限流電阻。
(6)為了保證可靠的關斷與導通,在柵射極加穩(wěn)壓二極管。
4 結論
本論文研究了小型獨立運行風力發(fā)電系統的構成及其運行狀況，提出了系統構成的具體解決方案，論文的重點在于電氣設計部分，因此作者對電氣設計各部分進行了具體的論證分析，用OMRON編程軟件對系統進行了邏輯電路的設計及仿真，證明電路的邏輯性正確無誤，做到了按照作者的設計要求切換電路。然后用MATLAB對整個實際電路進行了詳細的仿真，結果表明，在接入仿真三相交流電的情況下，各個輸出端的輸出達到了預期的要求，證明了方案的切實可行和正確無誤。將該電氣設計接入風機組和逆變電路之間，即可實現將風能轉化為標準戶用型50HZ交電。
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致謝
在論文完成之際，我要特別感謝我的指導老師李有安老師的熱情關懷和悉指導。在我撰寫論文的過程中，李有安老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了李老師悉心細致的教誨和無私的幫助，特別是他廣博的學識、深厚的學術素養(yǎng)、嚴謹的治學精神和一絲不茍的工作作風使我終生受益，在此表示真誠地感謝和深深的謝意。??
在論文的設計過程中還得到了身邊同學們的不少幫助，在這里一并表示感謝。
? 最后，向在百忙中抽出時間對本文進行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地，真誠的感謝！
李函朔
2015年6月5號
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