家用小型风力发电系统的初步设计

2023年度本科生毕业论文〔设计〕家用小型风力发电系统的初步设计院－系：工学院专业：电气工程及其自动化年级：2023级学生姓名：学号：导师及职称：2023年6月2023AnnualGraduationThesis(Project)oftheCollegeUndergraduateThepreliminarydesignof

smallhousehold

windpowergenerationsystemDepartment:ElectricalEngineeringandAutomationMajor:InstituteGrade:2023Student’sName:XuYunDongStudentNo.:202301030020Tutor:ThelecturerHuaJingFinishedbyJune,2023摘要风能作为一种清洁的可再生能源正逐渐受到了人们的重视，风力发电也成为了时下的朝阳产业。本论文详细说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初步的研究。本论文首先介绍了课题的目的和意义，综述了国内外风力发电的开展概况，简要概括了风力发电相关技术的开展状况，论述了常见小型风力发电系统的根本组成和各局部的作用，同时对本论文的系统方案做了简要的概括，着重分析了整流电路与Buck降压电路的配合，蓄电池充放电继电保护以及电能输出的有效性等。还引入了市电切换电路，作为在发电机故障或蓄电池电量缺乏的情况下为负载供电。为了使能量的利用到达最大化，本系统还引入了并网电路。所以本论文设计的小型风力发电机组不但适合偏远的地区，也适合市区家庭使用。本文提出的解决方案为：风力传动装置带动三相永磁交流发电机，然后通过AC—DC—DC—AC变换为交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组和稳压器，通过继电控制电路的监控以实现系统的自动控制，同时并入市电投切，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电控制电路的设计，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。关键词：小型风力发电机组；整流：逆变；继电控制：蓄电池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

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relaycontrol

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runningstateofthesystemundertheconditionsof

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hasmadeacomprehensiveand

rigorousanalysis.Keywords:Smallwindturbines;Rectifier;

relaycontrol;Battery目录TOC\o"1-3"\h\u第一章绪论11.1小型风力发电概述11.1.1小型风力发电开展历程与展望11.2论文系统概述5第二章风力机原理及其结构72.1风力机的气动原理72.2风力机的主要部件72.3风力机的功率82.4风力机组选型92.4.1风力机选型9第三章电气设计局部133.1整流局部133.1.1整流电路图和工作原理133.1.2整流管参数选择153.2蓄电池容量选择163.3DC/DC变换器183.3.2驱动电路223.4充放电保护电路233.7蓄电池组供电控制设计243.8驱动电路电源设计253.9逆变电路253.9.1三相电压型桥式逆变电路263.9.2整流管选型283.9.3逆变电路主电路设计293.10稳压环节313.11市电切换电路323.12并网电路设计32结论36参考文献37致谢38附录39第一章绪论风能是—种可再生、无污染、取之不尽用之不竭的新能源，也称之为“绿色能源〞。风能的特点：不需要采购、运输，不需要开采，不消耗资源，清洁卫生。风能具有广阔的开展前景，在国内外得到了广泛的应用。它是通过空气流动做功而产生的一种可利用的能量。空气流动而产生的动能称风能。空气流速越高，动能就越大。人们可以用风力机把空气流的动能转化为旋转的机械能去带动发电机。到2023年为止，全世界以风力产生的电力约有105.1百万千瓦，供给的电力已超过全世界用量的1.5%。风能虽然对大多数国家而言还不是主要的能源，但在1999年到2023年之间已经成长了十倍以上。1.1小型风力发电概述1.1.1小型风力发电开展历程与展望在二十世纪80年代初，国家领导人视察我国的西北部地区后，向科技部提出了要解决偏远地区农牧民用电问题的批示。科技部组织专家考察了这些地区后，提出了使用小型风力发电系统解决偏远地区农牧民供电问题的方案，并列入了国家“六五〞科技攻关方案。当时，南京航空学院、沈阳工业大学、清华大学、长沙铁道学院等一批院校和航空部602所、机械部呼和浩特牧机所、中科院电工所、北京农机化研究院、浙江机电研究院、中国气象科学院等一批院所以及中国船舶工业总公司884厂、内蒙古动力机厂、包头电机厂、商都牧机厂、北京联合收割机厂、北京电机总厂、浙江电力修造厂等企业都参与了小型风力发电机的设计、研制工作。

八十年代中后期，我国的小型风力发电机已形成了规模化生产的能力，在内蒙古等偏远地区推广小型风力发电机将近二十万台，到1992年在丹东召开全国风力机械行业协会成立大会时，会员单位多达五十多家。但由于没有适时建立产品质量检测体系和市场监督机制，致使大批低质量低价的小型风力发电机涌入市场，导致产品的本钱与市场价格错位，优质产品的企业失去了市场，也丧失了产品更新换代和进一步研发的能力。又加上产品的售后效劳体系不完善，导致小型风力发电机产品大多出现了质量问题，用户对小风机产品失去了信心，市场急剧萎缩，从而使得整个小型风力发电机制造行业全面萎缩。根据全国风力机械行业协会2002年对全国小型风力发电机产品销售量的统计，全国共销售小型风力发电机产品15670台套，其中3000W以下的产品12000台套，并且是低质低价的产品为主，工业产值缺乏2500万元，不及一个中小企业的年产值。我国目前的新能源行业中，小型风力发电机是为数不多的与国外技术水平差距不大的产业，如果这个产业能做大，将成为极具国际市场竞争力的产品，为我国出口创汇作出奉献。希望我国相关部门能把我国高可靠性、质量优良的小型风力发电机产品纳入对外援助的产品目录中。风能约3.53亿千瓦〔依据地面以上10米高度风力资料计算〕，近海可开发利用的风能约10.5亿千瓦(15米深的浅海地带)，共计约14亿千瓦以上。风能利用的主要方式仍是风力发电。风力发电的利用方式主要有两类，一类是独立运行〔离网型〕供电系统。即电网未通达的偏远地区，如高山、草原和海岛等，用小型风力发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电，单机容量一般在100W-10KW；或者采用中型风电机与柴油发电机或光伏太阳电池组成混合供电系统，目前系统的容量约10KW-200KW，解决小社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源，并网运行。商业化的机组单机容量为150KW-1700KW，既可单独并网，也可以由多台，直至成百上千台风机组成风力发电场。目前中国风力发电并网起步虽然相对较晚，但增长却十分显著。到2005年底，我国大陆累计安装风电机组1852台，累计风电场总装机容量为1264MW，新增17个风电场。总共已有59个风电工程上网发电，预计到2023年中国风电装机容量有望突破3000万千瓦，其中2006－2023年底风电装机容量复合增长率有望到达38％，2023－2023年底风电装机容量复合增长率有望到达43.目前我国大风机的研发，走的是技术引进、与国际大公司联合开发之路，技术水平与研究开发能力与国外相比都存在较大的差距。但在小型风机的开发上已积累了丰富的开发经验，与国外相比差距并不大。小型风机的未来开展方向小型风力发电机未来的开展趋势如何？我认为应该包括以下几个方面：小型风力机与太阳能电池相结合作为最合理的独立发电系统的应用领域还相当广泛，包括风光互补便携式电源、风光互补泵水系统、风光互补供暖系统等等。随着小型风力发电机产品的多样化，风光互补独立供电系统在市政工程、在边防哨所、在偏远地区都有着极广的应用前景。〔2〕小型风力机并网发电系统众所周知，德国和日本的光伏屋顶方案促进了太阳能电池产业的开展。但在英国等阳光资源不好的国家，正在推广风力发电机屋顶发电方案。小型风力发电机系统并网发电，不仅可以改善电网供电结构，也是分布式可再生能源发电的理想方式。目前，国内的小风机产品也开始接受英国等国外的应用测试，开始走向国外。英国、美国等国家已立法鼓励家庭安装小型风力发电机并网发电系统，这样一来就为小型风力发电机并网运行提供了很大的开展空间。但随着小型风力发电机在家庭的推广这就对产品提出了更高的要求，低风速发电、低噪音、高可靠性、美观性、平安性等都有了更高的要求。小型风力发电机的技术进步是促进产业开展的根本保证。对我国规模化开展小型风力产业的建议我国的小型风力发电机产业是有技术根底的，而且产品都是自主知识产权和100%的国产化，要保证产业的健康开展，必须：〔1〕建立完善的产品质量监督体系小型风力发电机产业经常由于产品质量的问题一直不受人们重视，当下只有健全产品质量监督体系才能杜绝劣质产品充满市场，只有这样才能给产业一个公平竞争、健康开展的环境。〔2〕政府工程为小型风力发电机产品提供一个推广的时机“送电到乡〞工程采用的是太阳能发电系统，这让我国的小型风力发电失去了一个推广和开展的时机，希望“送电到村〞工程能充分考虑采用风光互补发电系统，给我国的小型风力机产业提供一个推广和开展的时机。〔3〕关注小型风力发电机产业的技术进步在我国的新能源行业中，小型风力发电机是为数不多的与国外技术水平差距不大的产业，如果能把这个产业做大，就能成为极具国际市场竞争力的产品，为我国出口创汇作出奉献。希望我国相关部门能把我国高可靠性、质量优良的小型风力发电机产品纳入对外援助的产品目录中。1.1.常见的小型风力发电系统如图1-1所示。图1-1小型风力发电系统框图小型风力发电是我国远离电网的山区、偏远地区、移动施工队、牧区和特殊地区解决根本用电问题的主要方式，除具有风力发电的一般优点外，其自身优点主要有：小型发电机可根据需要变更组件大小，机动性高；也可根据需要随时安装，使用方便，快速解决日常用电问题；小型发电机能源使用多元化，可与多种不同的可再生能源组合，方便可靠。风力发电的运行方式主要有两种：一类是离网独立运行的供电系统，。离网型风力发电系统通常采用蓄电池组进行储能，通过逆变器实现交流工频电能输出，其单机容量多在10kW以下，是遥远缺电地区一种重要的电力生产方式。在缺电地区，采用小型风力发电系统为局部负载供电，不但减少了一次性巨额投资，还可以免除火力发电的温室气体排放，起到改善环境，增强能源的多样化的作用，有益于能源的可持续性开展。目前我国小型风力发电机组的研究和制造已具备相当丰富的经验，技术上已日趋成熟，形成了我国的系列型谱，并有局部出口。另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。并网型发电是大规模利用风能最常见最经济的方式，已成为当今世界风能利用的主要形式。并网型风力发电系统是指风力发电机组的负载是电网的发电系统，其控制方式随风力发电机和风力机的不同而不同。并网型风力发电机组的控制关键是功率调节，控制方式从定桨距失速控制开展到变桨距控制又开展到近年来的变速控制技术。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框图如图1-2所示：图1-2系统结构框图风力发电系统的硬件构成根本上决定了电力变换的效率和系统的本钱，因此如何构造硬件结构就显得尤为重要。硬件回路设计的时候，在满足性能要求的前提下，应使主回路的结构尽量简化，这样就能够在提高能量变换效率的同时降低系统本钱。主电路是指从三相永磁同步发电机发出的电能到达负载和蓄电池所经过的电路，主要包括三相不可控整流电路，Buck变换电路和蓄电池保护电路等。系统主电路如图1-3所示。图1-3系统主电路图其具体运行状况为：〔1〕气流吹动风轮转动。〔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〕因为整流器输出的电压较高，不能直接与逆变器和蓄电池相连，故采用bust降压电路将整流器输出的电压降至蓄电池和逆变器的额定输入电压范围内。〔6〕a.假设风能充足，直流电经控制电路流向逆变器，并向蓄电池充电；b.假设风能缺乏，控制电路切换为蓄电池供电状态；C.假设出现恶劣天气，风速高于发电机组的最大风速时或需要检修系统电路时，可手动关断刀闸Q1，防止发电机产生高压烧坏其它电子设备。直流电经逆变器变换为恒频稳定交流电。此时由于逆变器输出的电压波动范围较大，所以加了一个稳压装置在逆变器后面，经稳压器输出的电才可供给负载使用。假设出现多天无风且蓄电池电量缺乏，那么自动切入市电，以保证负载的正常供电。假设出现系统故障需要检修，又不想影响负载供电的情况，可手动闭合刀闸Q2，其设计详见第三章。第二章风力机原理及其结构风力机经过多年的演变和开展，已经有很多形式，但是归纳起来，可分为两类：①水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。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，机翼附近气流方向有所变化，在其上外表形成低压区，在其下外表形成高压区，产生向上的合力，且垂直于气流方向。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。2.2风力机的主要部件查阅资料可知水平轴风力机的主要部件有风轮、塔架、对风装置和齿轮箱，其整体结构如图2—2所示：风轮：本论文所选风力机由3个叶片组成，用来吸收风能。当风轮转动时，叶片受到离心力和气动力的推动，离心力对叶片施加一个拉力，同时气动力使叶片弯曲。为防止风速高于风力机的设计风速使叶片损坏，需对风轮进行控制，控制风轮主要有如下两种方法：a，改变叶片角度；b，利用扰流器，产生阻力，以降低风轮转速；c，使风轮偏离主方向等。图2-2风力主要部件结构图〔2〕塔架：风轮需要在距地面一定高度的位置才能使风轮在较高的风速下运行。由于塔架需要承受两个主要的载荷：一个是风力机的重量，向下压在塔架上；另一个是阻力，使得塔架向风的下游方向弯曲。实际选择塔架时必须考虑其本钱。〔3〕对风装置：由于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，应使风轮叶片的旋转面经常对准风向这就需要一个对风装置。本论文只介绍小型风力机的对风装置，如图2—4所示，利用尾舵控制对风。由尾翼带动水平轴旋转，使风轮总朝向风吹来的方向。图2-3对风装置〔4〕齿轮箱由于自然风带动风轮的转速较低，而且风速的大小经常变化，这就使得风轮机转速不稳定，不能直接带动发电机。所以，还必须安装一个升速齿轮箱，再加一个调速装置使得转速相对保持稳定，然后才能连接到发电机上。齿轮箱的主要作用是将风轮的转速升高并传递给发电机，考虑到齿轮箱的制动能力，在齿轮箱的输入端或输出端应设置刹车装置配合叶尖制动装置实现联合制动。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：(2—1)(2—2)式中：P为输出功率，为能利用系数，为空气密度，R为风轮半径，v为风速，为齿轮箱和传动系统的机械效率〔0.80-0.95〕,为发电机效率〔0.7-0.98〕。众所周知，假设接近风力机的空气的动能全部都被风力机全部吸收，那么风轮后的空气就不静止了，然而空气不可能完全停止，能量在传递过程中也会损失一局部，所以风力机的效率一定小于1。2.4风力机组选型2.4.1风力机选型本论文基于蒙自常年的气象条件选取某地区一处适合架设小型风力发电系统的地方进行为期一年气象考察。根据我自己考察得到的数据再与有关部门对该地区常年风速统计整理后如表2-1所示。表2-1气象资料统计表风级名称风速(m/s)(km/h)陆地地面物象年均天数〔天〕0无风0.0-0.2<1静,烟直上10-201软风0.3-1.51-5烟示风向20-302轻风1.6-3.36-11感觉有风20-503微风3.4-5.412-19旌旗展开50-1004和风5.5-7.920-28吹起尘土180-2505劲风8.0-10.729-38小树摇摆50-806强风10.8-13.839-49电线有声10-157疾风13.9-17.150-61步行困难1-28大风17.2-20.762-74折毁树枝0-19烈风20.8-24.475-88小损房屋010狂风24.5-28.489-102拔起树木011暴风28.5-32.6103-117损毁重大012飓风>32.6>117摧毁极大0由上表可知，该地区以轻风，微风，和风，劲风为主。我们又对该地区多天风速进行测量，粗略统计出每天的风速见表2-2。表2-2日风速持续时间表风速〔m/s〕3-88>8持续时间〔小时/天〕732本论文设计用电对象为单个家庭用户，因此选择风力机还必须考虑该风力机发出的电能是否能够满足该用户。可以根据该地区某用户平均每天耗电量来选择风力机组的安装容量，假设该用户的家用负荷有节能灯5个，彩色电视，洗衣机，冰箱，风扇各一台。查阅资料可得到这些负载用电量情况统计如表2-3所示。表2-3家用负荷原始资料统计表负荷节能灯彩色电视洗衣机冰箱风扇额定功率/W1520015012050平均日用电时间/h552108〔6∼9月〕台数51111日用电总量/KW.h0.37510.31.20.05日用电总计2.925KW.h由表中可以看出该用户平均每天的用电量约3kwh。根据该地区风能资源情况，这里初步选择额定功率为1kW、额定风速为8m/s的风力机，由风力机输出功率的公式〔2-3〕可知，对于设计定型的风力机，其输出功率与风速的三次方成正比关系，风机的平均输出功率可以用下式计算〔2-4〕式中，P为实际风速，单位风力机组输出电能为〔2-5〕式中，是机组的输出总电能，单位h；是平均风速为m时的输出功率，单位是平均风速为m时的时间，单位当风速为时，风力机的平均功率为〔2-6〕根据该地区每天风速变化规律可知风速为3-8m/s的持续时间为7小时，这里取4m/s代入计算，当风速为4m/s时〔2-7〕当风速大于8m/s时，这里取9m/s代入计算得该时段平均功率为〔2-8〕这样，风力机每天发出的电能为〔2-9〕由以上计算可知，风力发电机组每天约发电，超过用户平均每天耗电量3kWh，根本可以满足该用户的用电需求。因此选择额定功率为1kW，额定风速为8m/s的风力发电机组，在当地风能资源条件下，能满足用户的用电需求。2.发电机把风轮的机械能转化为电能。其性能好坏直接影响到整个风力发电系统的效率。我国现有的小型离网风力发电系统中，发电机大多采用的是永磁同步发电机。永磁同步发电机采用的是永磁体励磁，不需要外加励磁装置，这就减少了励磁损耗，同时它也无需换向装置，所以永磁同步电机一般有较高的输出效率。图2-4为三相异步发电机的功率流程图，其中，P1为输入功率；为内机械功率；为电磁功率；P2为输出功率；为附加损耗功率；为转子回路的铜损耗功率；为定子回路的铜损耗功率；为铁损耗功率。图2-4三相异步发电机功率流程图由于永磁同步电机的转子是永磁体，也就不存在异步发电机转子回路的铜耗问题，也就没有图2-4上的消耗。在输入功率相同，其他的功率损耗也大致相同的情况下，永磁同步电机的输出功率相对较大。同时，由于不需要励磁绕组和直流励磁电源，也就取消了容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机，因此，结构简单，运行更为可靠。假设选择异步发电机那么必须靠电网或蓄电池提供励磁，一方面消耗了蓄电池的电能，另一方面不利于风能利用的最大化。另外，由于风速变化就会影响励磁调节过快从而影响蓄电池及励磁调节器的寿命。虽然用并联电容等方式也可用于离网小型风力发电系统中，但由于电容器体积较大，投切不方便，价格较昂贵，所以就各方面考虑，本论文采用的发电机是稀土永磁发电机。根据上述风力发电机组安装容量和选取原那么，选定型号为FD4-1/8小型风力机组作为设计依据。主要技术参数见表2-4。表2-4FD4-1/8型风力机组参数启动风速4m/s风轮直径4m额定风速8m/s工作风速范围5∼20m/s最高平安风速20m/s输出电压AC56V额定功率1000W额定转速300r/min最大功率1500W发电机稀土永磁发电机发电机效率≥71%噪音<65dB工作环境温度-40℃∼塔架高度8m重量350kg风能利用系数0.41寿命20年GB10760.1-89规定，额定功率1kW小型风力发电机的额定电压为56V，转速工作范围为65%∼150%额定转速。当风力发电机组工作在该范围内时输出电压为36V∼84V。第三章电气设计局部3.1整流局部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220V/50HZ〕的稳定交流电，因此必须进行AC—DC—DC—AC变换，即先经过整流变成直流电，然后经过BUST变换器降压，最后再经过逆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。3.1.1整流电路图和工作原理整流器的主要功能是将风力发电机输出的三相交流电变为直流电，经过整流后的直流电经过DC/DC变换器再对蓄电池进行充电。一般采用的都是三相桥式整流电路。在小型风力系统中整流器还有另外一个重要的用途，就是当外界风速过小或者根本没风时，发电机的输出功率也随之减小，由于三相整流桥由二极管构成，其导通方向只能是由发电机的输出端到蓄电池，这就防止了蓄电池对发电机的反向供电，对发电机组起到了保护的作用。根据系统容量可将整流器分为可控和不可控两种，可控整流器主要应用在大功率的系统中；不可控整流器主要应用于小功率系统中。因为桥式不可控整流电路由二极管组成，具有功耗低、电路简单等优点。是目前我国独立运行的小型风力发电系统中大量使用的运行方式，其原理如图3-1所示图3-1三相桥式不可控整流电路如图3—1所示，习惯将阴极连接在一起的3个二极管〔D1、D3、D5〕称为共阴极组；阳极连在一起的3个二极管〔D2、D4、D6〕称为共阳极组。此外，习惯上希望二极管按照从1∼6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D1、D2、D3、D4、D5、D6。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，那么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3—2所示。图3-2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Ud1为相电压再正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压Ud2为相电压在负半周的包络线。总的整流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，即为线电压在正半周的包络线。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°，每一段中导通的二极管及输出整流电压的情况如表3—1所示。该表可见，6个二极管的导通顺序依次为D1、D2、D3、D4、D5、D6。表3—1整流管导通顺序表时段①②③④⑤⑥共阴极组导通二极管D1D1D3D3D5D5共阳极组导通二极管D6D2D2D4D4D6整流输出电压3.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。风力发电机组的输出电压经过整流后，有以下主要数量关系：输出电压平均值空载时，输出电压平均值最大，为。随着负载加重，输入电压平均值减小，至进入id连续情况后，输入电压波形成为线电压的包络线，其平均值为。可见，在2.34U1∼2.45U1之间变化。由于整流器的输入电压为36V∼84V，由此可得整流输出电压平均值最大为〔3—1〕整流输出电压最小值为〔3—2〕最大负载电流为〔3—3〕元件流过的平均电流为〔3—4〕由上式计算结果，可选择富士康公司生产的型号为MURP20020CT，参数为200A/500V的硅二极管作为整流管。在整流回路中，经常会出现操作过电压或换向过电压。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的值可参照如下方法估算，即〔3—5〕〔3—6〕式中：为输出的最大整流电压；为输出的最大整流电流；为风力发电机输出功率；为整流器入口交流线电压。此处R取10Ω，C取100。蓄电池容量选择确定蓄电池容量的应考虑以下因素：①系统负荷每天需要的电量；②蓄电池的允许放电深度和自放电率；③蓄电池每天需要存储的电量；蓄电池这一模块的设计主要是蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。常用的蓄电池有镍氢、镍镉和铅酸蓄电池，考虑到技术成熟性和本钱等因素，本论文使用铅酸蓄电池。3.从第二章的资料及计算结果可知，用户平均每天用电5小时/天，总耗电约为3kWh。假设充一次电能提供3天的用电量，根据蓄电池的放电量能等于负载的耗电量的原那么，蓄电池容量计算式为〔3—7〕用于风力发电系统中的蓄电池通常工作在浮充电和循环充放电的情况下。该型号蓄电池充放电要求：浮充电流为0.01C，即为8A；恒流充电电流为0.1C，即80A。3.3DC/DC变换器DC/DC变换器是使用半导体开关器件，将直流电源能量传送到负载并加以控制，得到另一个直流输出电压或电流。该电路通过控制开关器件的导通和关断时间，从而控制从电源端传送到负载端的能量大小。通常情况下，DC/DC变换器可根据有没有变压器的介入分为直接变换和间接变换两种，直接变换就是直接进行直流电压的变化，这种电路也被称为非隔离型DC/DC变换器，即斩波电路；间接变换那么是先将直流电压变换为交流电压，再经变压器升压或降压后再变换为直流电，此种需经过直－交－直变换的电路也称为隔离型DC/DC变换器。相对于隔离型DC/DC变换器来说，非隔离型DC/DC变换器具有电路结构简单且输出直流效率较高等优点，所以本文采用的是非隔离DC/DC变换器。其根本原理图如图3-4所示：图3-4Buck变换器图中虚线框内的全控型开关管T和续流二极管D构成了一个最根本的开关型DC/DC降压变换电路。这种降压变换电路连同其输出滤波电路LC被称为Buck型DC/DC变换器。通过对开关管T进行周期性的通、断控制，能将直流电源的输入电压变换为电压输出给负载。输入电压与输出电压的关系为〔3—8〕式中，为开关管导通时间，为开关周期，D开关管导通占空比。输入电流与输出电流的关系为〔3—9〕因此，可得〔3—10〕式中，为Buck变换器的输入等效电阻，为负载等效电阻。上式说明了Buck变换器的输入等效电阻与负载等效电阻之间的关系。在负载等效电阻一定时，调节占空比D可以改变Buck变换器的输入等效电阻。3.3Buck变换器作为主电路的一局部，该变换器主要用于向蓄电池充电和向逆变器供电，同时还起到功率最大化的作用。Buck变换器的设计要求：①按电感电流连续模式设计，工作频率f为20kHz；②输入电压为84V∼205V；输出电压为21V∼28V；最大输出电压就是最大充电电压，即电池在充电过程中能到达的最大电压值。一般在25℃的温度下为28V。又因为放电终止电压为21V，所以输出电压为21V∼28V。③由蓄电池型号可知输出电流为8A∼80A，额定输出电流为〔3—11〕④输出纹波电压Δ为0.24V，输出电流纹波系数k为0.1；⑤最大占空比〔3—12〕最小占空比〔3—13〕Buck变换器主要元件有：功率开关器件Q、续流二极管D、输出滤波电容C、电感L、输入滤波电容C1。根据设计要求确定各元件的参数和选型。功率开关器件Q当Q截止时，由于L储能放电，经由D导通续流，此时，忽略D的导通压降，那么Q承受的最大反向电压是最大输入电压，考虑1.5倍的设计裕度，Q承受最大反向电压为1.5×205=307.5V。当Q导通时，流过的电流最大为L的峰值电流，由下式计算为50.4A。〔3—14〕绝缘门极双极型晶体管IGBT是一种复合器件，它的输入局部为MOSFET,输出局部为双极结型晶体管(GTR)，因此兼具有MOSFET和电力晶体管的优点：高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率高(10∼40kHz),饱和压降低，电压电流容量较大，平安工作区较宽。因此，IGBT被认为是理想的新型电力电子器件。在功率电子系统中使用IGBT器件，可以改良系统的体积、重量和效率，也可以提高电气设备的频率、节约材料和节能。同时，对于Buck变换器设计可以减少储能电感的体积。因此，本文功率开关器件选择IGBT。根据上面确定的最大电压和最大电流，功率开关器件Q选用富士康公司生产的IGBT(1MBH60D-100),参数为60A/1000V/260W。续流二极管D当Q导通时，二极管D承受最大反向电压为最大输入电压205V。当Q截止时，流过D的最大电流为电感L的峰值电流，数值为50.4A。据此，并结合实际条件，续流二极管D选用MURP20020CT,参数200A/500V。输出滤波电感L在Q截止期间，电感L将存储的电能释放，与电容C共同保持电流连续。在电感L电流连续的工作模式时，且电路处于稳态时，根据电感电压伏秒平衡原理，由下式确定电感量。〔3—15〕式中，为最大输出电压。留有2倍的设计裕度，最大电感量取为0.25mH。输出滤波电容C当Buck变换器电路到达稳态时，根据电容C电荷平衡原理，电容C取值由下式确定〔3—16〕考虑设计裕度，计算值为692，实际选用1000。电容C两端最大电压即为最大输出电压28V，所以，选用1000/100V。输入滤波电容在本系统中选用三相桥式不可控整流电路对发电机发出的交流电整流，这样电容既是整流电路的输出滤波电容，也是Buck变换器的输入滤波电容。计算得到Buck变换器输入侧等效电阻为1.3Ω∼7.1Ω。计算过程如下〔3—17〕〔3—18〕计算电容的容量〔3—18〕式中，为发电机的最电角速度，单位rad/s。由于额定功率1kW的风力发电机的电角速度为76.9rad/s到188rad/s，所以在这里取。计算为536，实际选用1000。电容C两端最大电压即为最大输入电压205V，所以，选用1000/250V。缓冲电路(RCD)缓冲电路对IGBT的平安工作起着重要作用，它可以有效地抑制开通时浪涌电流和关断时浪涌电压。根本原理如图3-5所示：图3-5IGBT缓冲电路RCD缓冲电路，取决于IGBT内是否存在感性负载漏流二极管。其工作原理是：当IGBT关断时，电容CS通过二极管DS被充电到(VC-VDS)。集电极电流有了分路，集电极电流能较快地减少。当IGBT导通时，CS通过电阻RS和IGBT放电。CS参数的选择可按如下的经验公式求得〔3—19〕式中，为最大的集电极电流，单位A；为选定晶体管的额定值，单位V；为最大的集电极电压上升时间，单位。选用型号为941C6P15K，参数为。在IGBT导通期间，电容CS通过电阻放电，假设放电时间为三倍的充电时间常数，那么电阻为〔3—20〕电阻的功率为〔3—21〕因此，实际选用35Ω/25W电阻。在IGBT关断时，二极管DS电流随电容充电过程结束到零；IGBT关断后，二极管DS端电压为最大，按此参数选择二极管DS。3.3.2驱动电路IGBT是一种电压驱动型器件，输入为容性网络，驱动器件时必须对输入电容进行充放电驱动电荷负载。为了加快IGBT的开通速度(减小开通时间和开通损耗)和关断速度〔减小关断时间和关断损耗〕，在器件导通后，驱动电压应保持足够的幅度，保证IGBT处于饱和状态。断态情况下，希望栅极驱动电路能提供一定的负电压，以保证IGBT的可靠关断。为了改善栅极控制脉冲的前后沿和防止振荡，减小集电极电流上升率di/dt，需要在栅极回路中串联栅极电阻RG。RG选的大一些，对减小电流上升率、防止器件损坏有利，但会使IGBT的开关时间增加，会使开关损耗增加。根据IGBT的电流和电压容量选择RG。因此在本文中选用富士公司生产的IGBT专用驱动芯片EXB841。EXB841是一种高速驱动集成电路，最高使用频率为40kHz，能驱动400A/600V或者300A/1200V的IGBT，驱动电路信号延迟小于1.5μs，采用单电源+20V供电。并且该芯片价格低廉，性能优势明显，相对更适合用于小型风电系统中。EXB841具有以下功能：①内部装有高隔离的光电耦合信号隔离电路，可隔离交流2500V的信号。②内部装有过流保护电路。过电流检测电路能按驱动信号与集电极电压之间的关系检测过流。如发生过流，驱动器的低速切断电路慢速关断开关管IGBT，以防止集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT。③单电源电路。可以由外部+20V直流供电电压，以保证IGBT可靠的导通和关断。EXB841的应用电路如图3-6所示，IGBT的栅-射极驱动回路接线应为绞线，如果在IGBT集电极产生大的电压尖脉冲，可增加IGBT的栅极串联电阻。C7,C8用于吸收电源接线引起的供电电压变化，一般选用的47μF/20V电容器。该电路有过流检测输入和过流保护输出，当IGBT出现过流时，脚5出现低电平，光电耦合有输出，对PWM信号提供一个封锁信号，该信号对EXB841实行关断。利用EXB841构成的IGBT模块驱动电路，具有良好的驱动特性，输出的正向栅极电压和反向栅极电压均能满足要求。电路还具有过流或短路保护和防止自通的功能。EXB841构成驱动和保护原理图如图3-6所示：图3-6EXB841构成驱动和保护原理图3.4充放电保护电路该控制器由电压继电器V1、V2和它们所控制的动开触点V1、动合触点V2构成。其电路如图3-7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30V,最低放电电压控制在20V。图3-7充放电保护电路充电时，当蓄电池电压低于30V时，继电器V1不工作，常闭触点V1闭合，保持充电状态；当该电压高于30V时，继电器V1开始工作，继而控制常闭触点V1断开，切断充电电路。放电时，当蓄电池电压高于20V时，继电器V2工作，其控制的常开触点V2闭合，保持放电状态；当该电压低于20V时，继电器V2停止工作，其控制的常开触点V2断开，从而断开了放电电路。3.7蓄电池组供电控制设计为了判断发电机组是否在向蓄电池和逆变器供电，我们在蓄电池组供电控制电路中接入一个逆流继电器I1及其所控制的两个常闭和一个常开开关。控制电路如图3-8所示，在降压线路输出端引出一条线，与逆变器相接，其通断状态用动合触点I1控制。并且在蓄电池组的输出端引一条线亦与逆变器相接，作为风能缺乏时负载的供电电路，其通断状态用常开触点I1控制。图3-8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常闭触点I1闭合，风电向逆变器供电，同时向蓄电池充电；当风力缺乏，发电机转速太低时，逆流继电器产生的磁力消失，此时常开触点I1闭合，同时常闭触点I1断开，此时即切换成蓄电池组向负载供电。3.8驱动电路电源设计一般控制系统的电源可以由市电经交-直变换获得，但由于独立运行小型风力发电系统远离电网，系统的工作电源无法由市电提供。因为风能的不确定性，只能将蓄电池作为控制IGBT的驱动芯片EXB841的来源，IGBT的驱动芯片EXB841需要+20V电源，控制器需要+5V的工作电源。电源分布情况如图3-9所示：图3-9电源分布DC/DC电源模块选用35W24S5D20F，各参数见表3-3。由于独立运行系统的特殊性，蓄电池为电源模块的电源。蓄电池电压为24V，即DC-DC电源模块的输入电压为24V，在它输入电压V范围之内。表3-335W24S5D15F的参数电压V封装形式FT电压5V电流5输出电压精度温度系数0.03%隔离电压>500V工作温度3.9逆变电路逆变器就是一种将低压(12或24伏或48伏)直流电转变为220伏交流电的电子设备。根据输入直流电源的性质、逆变器的直流输入波形和交流输入波形，可以把逆变器分成电压型逆变器和电流型逆变器。电流型逆变器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比拟昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比拟差，电压型逆变器整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点。电压型逆变电路有以下主要特点：(1)直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压根本无脉动，直流回路呈现低阻态。(2)由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗角情况不同而不同。(3)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反应的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反应二极管。综上考虑，本文采用三相电压型逆变器。3.9.1三相电压型桥式逆变电路用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图3-10所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。图3-10三相电压型桥式逆变电路电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的根本工作方式也是导电方式，即每个桥臂的导电角度为，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以此相差。这样，在任一瞬间，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，因此也被称为纵向换流。负载线电压可由下式求出〔3—22〕设负载中点N与直流电源假想中点之间的电压为，那么负载各相的相电压分别为：〔3—23〕三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图3-11所示。图3-11三相电压型桥式逆变电路的工作波形把上面各式相加并整理可求得〔3—24〕OOOOOOOOOOOO〔3—25〕从波形图中可以看出。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形波。V、W两相的情况和U相类似，、的波形形状和相同，只是相位依次差120°负载参数时，可以由的波形求出U相电流的波形。3.9.2整流管选型由上面我们知道，逆变电路的输入电压即为蓄电池或降压电路的输出电压，蓄电池的放电电压范围是21V~28V，这里留2V的裕量，最低放电电压取20V，最高放电电压取30V。所以逆变电路的输入电压的范围是20V~30V。根据三相电压型桥式逆变电路的原理可得到如下数量关系：把输出线电压展开成傅里叶级数得〔3—26〕式中，，k为自然数。输出线电压有效值为〔3—27〕基波幅值和基波有效值分别为〔3—28〕〔3—29〕接下来，我们再对负载相电压进行分析。把展开成傅里叶级数得〔3—30〕式中，，k为自然数。负载相电压有效值为〔3—31〕由上述计算结果可知，二极管承受的最大反向电压为33V，最大反向电流为蓄电池的最大放电电流，即80A，所以这里选用深圳森隆科技公司生产的型号为MR758，参数为100A/500V的整流管。3.9.3逆变电路主电路设计图3-12是SPWM逆变器的主电路设计图。图中VD1—VD6是逆变器的六个功率开关器件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由蓄电池供电。逆变器的作用主要是将直流电变换为交流电，同时，因为我们需要的是220V/50HZ的家庭用电，所以还必须经过变压的环节和驱动环节。图3-12SPWM逆变器的主电路设计图(1)变压环节图3-12给出了逆变电路的根本构成，该电路由蓄电池供电，逆变电路输出电压再通过变压器T1变压才能供给稳压器。变压器的接线方式采用连接。该逆变电路为导通方式，经过高频功率开关后，输出线电压根本为正弦波。我们已经知道逆变电路的输入电压是蓄电池的输出电压，范围在20V~30V之间，由此可以算出该逆变电路的输出最大线电压有效值为〔3—32〕输出最小线电压有效值〔3—33〕可知，变压器一次侧的输入电压范围为16.5V~24.5V之间，为了方便计算变压器变比及变压器输出电压范围，这里取21V，这样就可以得到变压器变比K为〔3—34〕那么变压器二次侧输出最高相电压为〔3—35〕最小相电压为〔3—36〕由上述计算结果可知，该变压器的输出相电压的范围为165V~245V。(2)驱动环节由于三相桥式逆变电路中采用的是IGBT管，它在使用的时候需要有驱动电路，才能使IGBT管子正常地开通和关断。IGBT的驱动电路必须具备2个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；二是提供适宜的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器，微分变压器及光电耦合器。本论文只是家用小型风力发电系统的初步设计，又因为时间有限，所以这里对驱动电路不在做详细的介绍，根据设计要求本系统直接采用富士康公司生产的M57962L芯片及其附件组成的驱动电路。3.10稳压环节我们已经计算得到变压器的输出电压为165V~245V，这还不能直接供给负载使用，所以我们还需要在逆变电路后再加一个三相稳压器。其接线图如图3-13所示图3-13稳压器接线图根据本系统的特殊要求和变压器的输出电压范围，这里我们采用上海环矛生产的型号为TNDSVC的感应式交流稳压器。该产品的主要技术参数见表3-4。表3-4稳压器主要技术参数表输入电压160V-250V

〔三相四线〕

调整时间<1秒(输入电压变化10%时)输出电压

单相220V〔5kVA-30kVA〕

三相线电压380V相电压220V环境温度-10℃温

升<60稳压精度相电压220V±3%波形失真无附加波形失真频率50Hz/60Hz负载功率因素0.8过压保护246V±4V抗电强度1500V/1min

绝缘电阻单相>5MΩ

三相>2MΩ产品概述SVC系列单、三相高精度全自动交流稳压器〔稳压电源〕，由接触式自耦高压器、伺服式电动机、自动控制电路等组成，当电网电压不稳定或负载变化时，自动采样稳压器控制电路发出信号驱动伺服电机，调整稳压器自耦调压器碳刷的位置，使稳压器输出电压调整到额定值并到达稳定状态。

本系列稳压器为普通型，有市电直通功能。该系列稳压器产品品种多，规格全，外观美等优点。具有波形不失真，效率高，性能可靠，可长期运行等特点，本稳压器设有短延时、过压等保护功能，根据用户的需要可增设长延时与欠压保护功能。本稳压器可广泛应用于任何用电场所，是一种理想的稳压电源〔稳压器〕，确保用电设备正常运行。3.11市电切换电路本系统有一个缺乏之处，就是必须要有风才能产生电能，虽然在无风的情况下可以由蓄电池供电，但如果多天无风蓄电池的电能也用完也可能是电路或某个部件出现故障，用户就会停电。为了预防这样的事情发生本系统电路中添加了一组市电自动投切电路。如图3-14所示。该控制电路由电压继电器V3和它们所控制的常闭触点V3、常开触点V3构成。其电路如下图。以本论文相电压220V额定电压为例，电压继电器V3的整定值设为200V，当电压继电器输入电压小于200V时，常闭触点V3断开，常开触点V3闭合，此时由市电向负载供电。假设出现系统故障，系统不能正常供电或电压继电器V3不能正常工作时可手动闭合联动刀闸，此时由市电向负载供电同时切断了系统供电电路。图3-14市电切换电路3.12并网电路设计由式2-9可知，该发电系统在持续有风的情况下每天可发电6.7KWh，而负载每天消耗的电能为3KWh,那么余下的3.7KWh的电能也不会凭空消失，所以我们必须为多出来的电能找到出路。为了使能量利用的最大化，系统引入了并网运行的策略，其原理如图3-15所示。其中，I2是逆流继电器及其所控制的开关，以防止能量倒流。同时接入熔断器防止负荷侧短路和孤岛效应。图3-15并网电路原理图根据国家电网公司对《小型电源接入电网技术规定〔试行〕》中的相关规定可知，小型电源接入电压等级宜按照：200kW及以下小型电源接入0.38kV电压等级电网；200kW以上小型电源接入10kV〔6kV〕及以上电压等级电网。经过技术经济比拟，小型电源采用低一电压等级接入优于高一电压等级接入时，可采用低一电压等级接入。由于稳压器输出线电压为380V，为防止能量倒流，该电路中参加一个380V变400V的变压器。因为发电机的最大功率为1500W，理论上该变压器的额定容量是1.5KVA。实际选用2KVA。根据上述要求，选用上海璞诺电气公司生产的型号为SG-380/400V，容量为2KVA的三相双绕组变压器。其相关技术参数见表3-5所示。表3-5并网变压器相关技术参数输入电压额定电压±10%输出电压额定电压+5%〔容载〕联接方式△/Y〔或其它〕频

率≥96%频

率50Hz±5%绝缘电阻≥50MΩ绝缘等级H级噪

音≤55dB(A计权)温

升≤80K阻抗压降≤4%结

构