小型家用风力发电机毕业设计

1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，风力发电机组带动单相交流发电机，然后通过 ACDCAC 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2目 录摘要 .1目 录 .2引 言 .4第一章 绪论 .41.1 风力发电概述 .51.1.1 风力发电现状与展望 .51.1.2 风力发电的原理和特点 .61.2 论文系统概述 .6第二章 风力机原理及其结构 .82.1 风力机的气动原理 .82.2 风力机的主要部件 .82.3 风力机的功率 .9第三章 电气设计部分 .103.1 发电机 .103.1.1 发电机结构、工作原理及电路图 .103.1.2 励磁调节器的工作原理 .113.2 整流部分 .123.2.1 电路图和工作原理 .133.2.2 参数选择 .153.3 蓄电池 .163.3.1 蓄电池的性能 .163.3.2 充放电保护电路 .17图 3-8 充放电保护电路 .173.3.3 蓄电池组供电控制设计 .183.4 逆变电路 .183.4.1 逆变电路及其工作原理 .183.4.2 IGBT 的驱动电路 .19结 论 .22参考文献 .233致 谢 .244引 言随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。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 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%。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5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，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6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）转轴带动单相交流发电机转动，开始发电。 （此时发出的是频率和幅值都不稳定的交流电） 。（4）引出的单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。7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。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：（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 风力主要部结构图8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。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)3pPCAv(22)2R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，v 为p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。9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单相交流发电机。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，定子绕组为单相，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。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10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。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。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