家用小型风力发电系统的初步设计

红河学院本科毕业论文 (设计)2015 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： 2011 级 学生姓名： 学 号： 导师及职称： 2015 年 6 月红河学院本科毕业论文 (设计)2015 Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate The preliminary design of small household wind power generation systemDepartment: Electrical Engineering and Automation Major: Institute of Technology Grade: 2011Students Name: Xu Yun DongStudent No.: 201101030020Tutor: The lecturer Hua JingFinished by June, 2015红河学院本科毕业论文 (设计)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发展概况，简要概括了风力发电相关技术的发展状况，论述了常见小型风力发电系统的基本组成和各部分的作用，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不足的情况下为负载供电。为了使能量的利用达到最大化，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 ACDCDCAC 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：蓄电池红河学院本科毕业论文 (设计)ABSTRACTWind energy as a clean and renewable energy has been paid more and more attention, wind power generation has become the sunrise industry. This paper expounds the design scheme of small independent wind power generation system, transform and relay control circuit and the power structure of the wind turbine to do in-depth study.This paper firstly introduces the purpose and significance of the topic, summarizes the general situation of development of wind power at home and abroad, summarized the development situation of wind power generation technology, discusses the small wind power generation system, the basic composition and function of each part of the system, at the same time, this paper made a brief summary, focuses on the analysis of the coordination rectifier circuit and Buck circuit, battery charging and discharging of relay protection and electric energy output efficiency. Also introduced the power switching circuit, as for the load of the power supply in the generator or battery power shortage. In order to make the use of energy to achieve the maximization, this system also introduced the grid circuit. So small wind turbines are designed in this paper is not only suitable for remote areas, but also suitable for family use.The solution proposed in this paper is: the wind turbine driven by three-phase AC generator, and then through the AC - DC - DC - AC transform as the standard alternating current user needs, and considering the wind instability, batteries are incorporated in the system, the relay control circuit of the control system achieves automatic control, to ensure the system can storage in the wind in the wind energy is not sufficient enough, also to supply power for the load. The running status of the system with the relay control circuit and switch control.The focus of this paper is the design of relay control circuit, and the running state of the system under the conditions of different wind has made a comprehensive and rigorous analysis.Keywords:Small wind turbines;Rectifier; relay control;Battery红河学院本科毕业论文 (设计)目 录第一章 绪论 .11.1 小型风力发电概述 .11.1.1 小型风力发电发展历程与展望 .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 电气设计部分 .133.1 整流部分 .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 .163.3 DC/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红河学院本科毕业论文 (设计)1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。风能具有广阔的发展前景，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 2010 年为止，全世界以风力产生的电力约有 105.1 百万千瓦，供应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 2013 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 小型风力发电发展历程与展望 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”科技攻关计划。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，导致产品的成本与市场价格错位，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。又加上产品的售后服务体系不完善，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。根据全国风红河学院本科毕业论文 (设计)2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，工业产值不足 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贡献。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 个风电项目上网发电，预计到 2020 年中国风电装机容量有望突破3000 万千瓦，其中 20062010 年底风电装机容量复合增长率有望达到38，20102020 年底风电装机容量复合增长率有望达到 43.1。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。 小型风机的未来发展方向小型风力发电机未来的发展趋势如何？我认为应该包括以下几个方面：（1）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项目、在边防哨所、在偏远地区都有着极广的应用前景。红河学院本科毕业论文 (设计)3（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计划促进了太阳能电池产业的发展。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计划。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发展空间。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、安全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发展的根本保证。对我国规模化发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基础的，而且产品都是自主知识产权和100%的国产化，要保证产业的健康发展，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斥市场，只有这样才能给产业一个公平竞争、健康发展的环境。（2）政府项目为小型风力发电机产品提供一个推广的机会“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发展的机会，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发展的机会。（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贡献。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。红河学院本科毕业论文 (设计)41.1.2 常见风力发电系统概述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基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