[硕士论文精品]小型高效风光互补电源的研究

贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究小型高效风光互补电源的研究摘要在能源日趋紧张的当前，党和国家大力推行“节能减排”和“大力开发绿色新能源”的政策，本课题针对贵州偏远山区因地理条件的特殊性、用户的分散性和经济条件的相对落后所造成的电网供电困难或供电成本过高等问题，结合贵州偏远山区风能和太阳能资源不突出、用户用电功率小的特点，提出了适用于贵州山区的小型高效风光互补电源的研究思想和设计方案，研究设计出一套风光资源互补、资源利用率较高、成本较低、使用寿命长、控制简单、便于优化的风光电源系统。本系统在有效控制成本的前提下，高效地利用本地自然资源进行发电，对节能和能源开发、对解决偏远山区和小型用户的用电问题、对加速地方经济建设、对社会和谐稳定发展等都具有重要意义，其研究成果具有良好的实用价值和推广价值。本文在分析了传统风光发电系统的基础上，提出了新型的互补组合方式，设计了基于UC3842芯片P咖控制的单端正激型DCDC转换器，并在此基础上实现了控制最为简单的恒压式CVT最大功率跟踪MPPT方式，使控制系统简单化，成本得到有效控制；同时，为了有效增大蓄电池的使用寿命，本文采用分只同时均充、分只分时检测的充放电管理方式，设计了基于L4960芯片的隔离式均充模块和基于温度补偿的分只检测模块，并在此基础上选用了性价比较高的FX系列PLC作为控制器，本文还对控制器的循检均充和检测保护两大功能进行了程序设计，并在GXSIMULATOR中进行了循环检测的程序仿真，效果良好；为了使本设计的产品化阶段易于实现风光发电设备的优化匹配，能够收集各地风光资源情况，本文还通过对三菱FXLN系列PLC通讯协议的分析，进行了基于VB语言MSCO册插件的系统通讯功能设计，使系统完成了与上位机的通讯功能，实现了风光资源数据的采集和管理，为设计成果的产品化研究提供了的理论支撑。本课题研究获得的成果有完成了基于UE3842芯片的单端正激DCDC变换器的设计；完成了对PLC主控制器的软硬件设计；完成了系统的附加通讯功能设计。关键词高效风光互补电源分只同时均充DCDC转换器PLC控制研究图书分类号TM910贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究THESTUDYOFANEFFECTIVEANDMINIATUREWINDLIGHTHYBRIDPOWERABSTRACTWITHTHEGROWTHOFTHETENSIONINTHECURRENTENERGY，THEGOVERNMENTVIGOROUSLYPROMOTESTHEPOLICYOF”ENERGYSAVINGEMISSIONREDUCTION”AND”VIGOROUSLYDEVELOPNEWENERGY”INTHETEXT,WEHAVEMADEATHINKINGANDDESIGNOFEFFICIENTANDMINIATUREWINDLIGHTHYBRIDPOWERTHATAPPLICABLETOTHESMALLMOUNTAIN，FORTHEPARTICULARITYOFREMOTEMOUNTAINOUSAREASINGUIZHOUDUETOGEOGRAPHICALCONDITIONS，FORTHEHIGHCOSTBECAUSEOFTHEDISPERSIONANDECONOMICCONDITIONS，ANDCOMBINEDWITHTHECHARACTERISTICOFSMALLPOWERANDLACKOFWINDANDSOLARANDWEHAVEDESIGNEDAWINDLIGHTHYBRIDPOWERSYSTEMTHATHIGHERRESOURCEUTILIZATION，LOWERCOST,LONGERLIFE，SIMPLERCONTROL，EASIERTOOPTIMIZATIONOFTHESCENERYOFTHEPOWERSYSTEMINTHEPREMISEOFEFFECTIVECOSTCONTROL，THESYSTEMEFFICIENTUSEOFLOCALNATURALRESOURCESTOGENERATEELECTRICITYINTHISWAY，ITISOFGREATSIGNIFICANCETOENERGYCONSERVATIONANDENERGYDEVELOPMENT,TOSOLVETHEELECTRICITYPROBLEMSOFREMOTEMOUNTAINOUSAREASANDSMALLUSERS，TOACCELERATELOCALECONOMICCONSTRUCTIONANDSOCIALHARMONYANDSTABILITYONTHEDEVELOPMENTANDITSRESEARCHRESULTSHASAGOODPRACTICALVALUEANDPROMOTETHEVALUEBASEDONTHEANALYSISOFTHETRADITIONALWINDLIGHTHYBRIDPOWERSYSTEMS，THISTEXTSUGGESTSANEWCOMBINATIONMANNERINTHETEXT，WEHAVEDESIGNEDADC|DCCONVERTERBASEDONTHEUC3842PWMCHIPANDTHESINGLEENDEDFORWARDPOWERTYPE，ANDHAVEACHIEVEDTHECONTROLOFMAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGMP哪USINGCONSTANTVOLTAGECRACKINGCVT，SOTHATCANACHIEVESIMPLECONTROLLINGANDCOSTEFFECTIVEATTHESAMETIME，INORDERTOEFFECTIVELYINCREASETHEBATTERYLIFE，INTHEPAPERWEHAVEUSEDTHEMANAGEMENTOFCHARGINGTHESINGLEBATTERYATTHESAMETIMEANDTESTINGTHESINGIEBATTERYATTHETIMESHARING，ANDHAVEDESIGNEDTHESINGLEBATTERYTESTMODULEWHICHBASEDONTHEISOLATEDL4960CHIPSMODULESANDTEMPERATURECOMPENSATION，ANDHAVECHOSENTHEFXSERIESPLCASACONTROLLERONTHEOTHERHAND，INTHEPAPERWEALSOHAVEDESIGNEDTHEPROGRAMFORCONTROLLERONTHECHARGINGMODULEANDPROTECTMODULE，ANDHAVEMADESIMULATIONINGXSIMULATOR，ANDTHERESULTISWONDERFULINORDERTOENABLETHEDESIGNOFOPTIMIZATIONTHEPOWERGENERATIONEQUIPMENT，ANDTOCOLLECTTHEWINDANDSOLARENERGYRESOURCES，WEALSOHAVEANALYSESTHEMITSUBISHIFXLNSERIESPLCCOMMUNICATIONPROTOCOL，HAVEDESIGNEDTHECOMMUNICATIONSSYSTEMBASEDONTHEVISUALBASICLANGUAGEMSCOMMPLUGINSTHERESULTSOFTHEDESIGNTHEDESIGNOFDC|DCCONVERTERBASEDONUC3842CHIPSANDTHESINGLEENDEDFORWARDPOWERTYPE；THEDESIGNOFHARDWAREANDSOFTWAREOFMASTERCONTROLLER；THEDESIGNOFTHEADDITIONALCOMMUNICATIONSSYSTEMKEYWORDSEFFICIENTWINDLIGHTHYBRIDPOWERCHARGINGTHESINGLEBATTERYATTHESAMETIMEDCDCCONVERTERPLCCONTROLSTUDY贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名日关于学位论文使用授权的声明本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。保密论文在解密后应遵守此规定论文储鞔鼽砌始继日期趔Q隧旦贵州大学硕士研究生学位论文小型商效风光互补电源的研究前言在全社会都在注意节约能源，都在开发环保绿色新能源的当前，贵州有些偏远山区因为地理条件、能源紧张和经济落后等方面的原因，使电网送电成本高，本地发电条件不足，而没有实现通电，那里的人们对电的渴望极其迫切，解决他们的用电问题对稳固地方经济建设、增进国家稳定等具有重要的意义。目前，在已经实现通电的贵州山区大多采用电网送电和当地柴油或汽油机组发电。然而由于地理位置原因，架线送电路程遥远、用户用电量小、线路电能损耗大，而且山区电网的线路维护费用也很高，使得线路运行成本很高。如果靠当地柴油或汽油机组发电的话，由于目前能源紧张，燃料费用较高，不环保，再加上地处偏远，燃料运输费用高，难以保障持续供电。因此，柴油或汽油机组发电只能作为紧急的电源使用。课题依托贵州大学彭秀英教授主持的2007年贵州省优秀科技教育人才省长资金项目黔省专合字200711号，本着节约能源和开发绿色环保新能源的宗旨，针对贵州偏远山区风能和太阳能资源不突出、电力资源匮乏、用户用电功率小的特点，提出了适用于贵州山区的小型高效风光互补电源的研究方案。设计系统组合结构，设计选用DCDC转换模块，选择合理的最大功率跟踪MPPT方式，实现对太阳能光伏电池的最大功率跟踪，并且使成本趋于合理化，使控制系统简单化；运用直流电源蓄电池组分只同时均充的思想，在DCDC转换模块的基础上，设计一个以PLC为主要控制元件的控制器，要求对蓄电池的端电压、电流等数据进行采集，并以此与控制器设定值比较，判断蓄电池所处的充电阶段，接通、切断蓄电池、发电设备能耗电路；在控制器的基础上，开发小型计算机管理软件，实现与上位机的通讯功能。该系统在有效控制成本的基础上，能够较好的解决小型用户的家庭用电需求，对我国国民经济的发展和边远偏远地区的和谐稳定发展意义重大；本课题旨在开发绿色能源，吻合了国家目前大力提倡的节能减排和开发新能源的发展要求，诠释了一种人与社会、人与自然的和谐发展；同时，本研究对独立电源在其他领域的应用有一定的借鉴意义。贵州大学硕上研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究第一章绪论11能源状况能源是人类赖以生存的五大元素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物质，是经济发展的“火车头”，能源已成为制约国民经济发展的重要因素。当前在生产和生活中起重要作用的能源主要有五大类煤炭、石油，天然气水和核裂变能。这些能源被称为常规能源，目前世界上能源的消耗几乎全靠这五大能源来供应。随着世界经济的深入发展和国际工业化的进程，世界各国对能源的需求越来越大。虽然，人类的技术进步旨在提高能源的利用效率、减少能源的消耗，但现今的能源生产量依然满足不了人类发展的需求，全球范围内的能源危机也日益突出。经过第一次世界范围内“石油危机”的冲击，人类认识到地球蕴藏的矿物资源是有限的，总有一天会被耗尽，现实也告诫人们，要生存就必须寻求开发新能源。人类日益增长的环境保护意识和提高生活质量的需求，要求减少常规能源对环境的污染，优先发展清洁能源。目前煤炭，石油，天然气等能源开采利用中大量排放出的S02、C02、烟尘及汽车尾气是造成世界环境污染的主要原因之一。许多国家通过立法，强制性地增加高效、清洁的新能源及可再生能源比例，限定S02、C02和烟尘排放量，增收排污费等措施有利地促进了新能源和可再生能源的发展。1997年12月，在日本京都召开的全球气候变化缔约方会议上达成了对发达国家减排C02的协议，协议要求在20082012年期间将C02排放量限制在比1990年低68的水平上。我国人们在生活水平达到小康之后，开始更加注重生活质量和环境保护，治理污染、发展清洁能源已是人们的普遍要求M71。和常规能源相比，可再生资源不污染环境，更不会破坏生态，取之不尽，用之不竭。为了缓解能源危机，随着环境保护的呼声不断高涨，世界各国政府都在从社会经济发展的战略角度对能源结构进行调整。纷纷制定自己的能源政策，除了充分利用现有的传统能源外，都在大力研究开发新能源，给新能源开发以特殊优惠政策和政府税收补贴，从而使风能、太阳能、潮汐能、地热能等的开发利用得以迅速发展。在众多的可再生能源中，光伏发电及风力发电是最有发展前景的两种能源技术。这是基于太阳能和风能的五个优点1取之不尽，用之不竭；2就地取材，不需运输3分布广泛，分散使用；4不污染环境，不破坏生态5周而复始，可以再生。太刚能是地球上一切能源的来源，太阳照射着地球的每一片土地。风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态如沙土地面、植被地面和水面对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。一2贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究12风、光发电的发展状况121风力发电和太阳能发电的特点光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。风电系统是利用风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆交器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统日发电量大，系统造价低，运行维护成本低。但是风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。122风光互补发电的提出上述分析了风能、太阳能的特点，作为可利用的自然可再生能源，二者在转换过程中都受季节、地理和天气气候等多种因素的制约。但是，二者的变化趋势基本相反，扬其两者各自之长，补其各自之短，相互配合利用，因地制宜，能发挥出各自最大的作用。在以电能为主要的能源消耗方式的当今社会，人们对电的依赖越来越强。特别是在远离电网的地区，独立供电系统成为人们最需要的动力源。结合风能、太阳能的特点，综合利用风力发电和太阳能光伏发电技术而建立的风光互补发电系统无疑是解决这一重大问题的最佳方案。对于偏远地区生活和工作的人们而言，一般情况下用电负荷不大，所以采用电网输送电力就不合理，应当选择在当地直接发电，现在常用的供电方案就是采用柴油发电机，但是柴油的储运相对于偏远地区来讲成本太高，而且难以保障持续供电。所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源，要解决长期稳定可靠的供电问题，只能依靠当地的自然资源。太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源，而且两者在时间变化分布上有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，到了晚上，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能有所加强；在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源分布上具有很好的匹配性。在风能、太阳能单独用于发电的系统中，由于风能、太刚能的稳定性较差，为了能够提供连续稳定的能量输出，无论是光伏发电系统还是风力发电系统都要引入能量储存环节用以3贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究调节系统的能量供求平衡。能量储存的方式有很多种，如机械储能、化学储能和热储能等，其中，最适合的，也是应用最为广泛的是利用蓄电池的化学储能方式。虽然，目前风电和光电系统通过引入蓄电池储能设备后能够稳定供电，但是系统每天的发电量受天气的影响很大，会引起系统的供电和用电负荷的不平衡，从而导致蓄电池处于亏电状态或过充电状态，长期运行会降低蓄电池的使用寿命，增加系统的维护投资。考虑到风电和光电系统在蓄电池组的管理和能量控制环节是可以通用的，所以风光互补电源系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。风光互补电源系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补电源系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说，风光互补电源系统是合理的独立电源系统。13选题意义和国内外研究状况在贵州省的某些偏远山区，由于经济的落后和交通的制约，至今都还没有实现通电，这里的人们对电的渴望极其迫切。因此解决他们的用电问题对稳固地方经济建设、增进国家稳定等具有重要的意义。目前，在已经实现通电的贵州山区大多采用电网送电和当地柴油或汽油机组发电。然而由于地理位置原因，架线送电路程遥远、用户用电量小、线路电能损耗大，而且山区电网的线路维护费用也很高，使得线路运行成本很高。如果靠当地柴油或汽油机组发电的话，由于目前能源紧张，燃料费用较高，再加上地处偏远，燃料运输费用高，难以保障持续供电。因此，柴油或汽油机组发电只能作为紧急的电源使用。因此，利用有限的自然资源，研究小功率、低成本的风光互补电源对解决贵州偏远山区家庭用户和其他独立电源工作站的片J电问题都具有非常重要的现实意义。国外有关复合可再生能源发电系统的研究始于上个世纪八十年代末期，国外有关风光复合发电系统的研究始于上个世纪九十年代中期，我国有关光伏发电系统的研究始于上个世纪八十年代初，主要针对独立光伏发电系统的优化设计、系统仿真及控制方案的研究。国外进行这方面研究的火学有COLORADOSTATEUNIVERSITY，UNIVERSITYOFMASSACHUSETTS等。其中COLORADOSTATEUNIVERSITY和NATIONALRENEWABLEENERGYLABORATORY美国可再生能源研究室合作开发了HYBRID2应用软件。该软件功能强大，能对一个风光互补发电系统进行精确的模拟运行，根据输入的发电系统的结构、负载特性以及安装地点风力、日照强度数据获得5760小时的运行结果。而在国内，香港理工大学同中科院广州能源所及中科院半贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究导体研究所合作提出了了一整套利用CAD进行风光互补发电系统优化设计的方法。中科院电工所、西安交通大学、合肥工业大学能源研究所都进行了风光复合发电系统方面的研究并进行计算机仿真计算。另外，华南理工大学设计了新型无刷双馈发电机，并通过权值调节方式实现太阳能逆变器最优功率传输N引。所有的这些研究都主要针对风、光资源相对较丰富的地区，且主要集中在蓄电池充放电参数设置、控制程序、风光优化匹配的研究上，且在太阳能电池板和风力发电机输出电压低于蓄电池充电电压的情况下，系统不工作，因此相应的控制复杂，且资源利用率不高，成本高嘲。14课题的提出和本文主要研究内容作为偏远山区普通家庭小型耗电用户，尤其是在贵州一风、光资源并不丰富的偏远地区，建设大型的风光互补发电系统显然是不现实的，不仅成本高，而且资源利用率不高，因此，现有的这种风光互补发电系统不适用于贵州偏远偏远山区家庭用户的用电需要，研究、开发一套低成本、小功率、控制简单，主要针对贵州等偏远地区现暂无市电供的家庭用户及偏远地区各种工作站的风光互补型发电装置很有必要。课题依托贵州大学彭秀英教授主持的2007年贵州省优秀科技教育人才省长资金项目黔省专合字2007II号，针对贵州偏远山区风能和太阳能资源不突出、电力资源匮乏、用户用电功率小的特点，提出了适用于贵州山区的小型高效风光互补电源的研究方案，主要研究内容有A设计系统组合结构，设计选用DCDC转换模块，选择合理的最大功率跟踪MPPT方式，实现对太阳能光伏电池的最大功率跟踪，并且使成本趋于合理化，使控制系统简单化；B运用直流电源蓄电池组分只同时均充的思想，在DCDC转换模块的基础上，设计一个以PLC为主要控制元件的控制器，要求对蓄电池的端电压、电流等数据进行采集，并以此与控制器设定值比较，判断蓄电池所处的充电阶段，接通、切断蓄电池、发电设备能耗电路；C在控制器的基础上，开发小型计算机管理软件，实现与上位机的通讯功能，要求其能将太阳辐射强度、风能大小显示和存储起来，以便分析当地太阳能、风能情况，以进一步优化风、光发电设备的配置。本文主要章内容如下第章，绪论部分，选题的背景和意义第二章，分析风力发电机组、太陴J能光伏电池组件和蓄电池的有关特性，为后续研究内容提供理论依据支撑；5贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究第三章，按照所要设计的风光互补电源的要求，通过对传统风光互补电源各部分性能分析，提出小型高效风光互补电源的模块结构；第四章，就DCDC转换模块的分类和特性进行简单的分析，为系统设计、选择合适的DCDC转换器第五章，在确定系统框架的基础上，选择介绍了主控制器，分别就蓄电池循检均充控制和系统检测与保护控制两个功能模块进行硬件设计和软件设计；第六章，利用GXSIMULATOR对循环检测控制程序进行了仿真第七章，通过对三菱FXLN系列PLC通讯协议的分析，利用VB语言编写PLC与PC通讯的程序。贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究第二章风力发电和太阳能光伏发电本章着重分析风力发电和光伏发电系统中光风力发电机组、太阳能光伏电池组件和蓄电池的有关特性，为后续研究工作提供理论依据支撑。21风力发电机组风力发电机是将自然界的风能转换为机械能，再将机械能转换为电能的装置。从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部分组成。其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。近年来，世界各国相继开发了高效的大型风力发电机组，发电能力大大提高，成本大为降低。目前，风电系统的发展趋势是开发大型并网式风电机组和中小型独立运行式风力发电系统步并举。大型并网式风电设备应用于风电场，中小型独立运行式风力发电系统构成的分散式电源可解决边远分散地区的就地供电问题。然而，两者都面临两个急待解决的问题，即实现风能最大捕获和提高电源品质，从而降低风电成本和提高风电的质量，这也是推广风电的关键。下面文章将从风力机的类型、有关特性和风力发电机的组合控制方式对这两个问题进行分析。211风力机的类型风力机的种类和式样很多，难以一一尽述。其分类有两种方法1以风轮回转轴的方向，可以分水平轴式和垂直轴式；2以接受风能的形式可以分为升力式和阻力式古典式风力机都是阻力式风力机。这种风力机以风压力为推动力驱动风轮旋转，其效率比较低，但是制造容易，二十世纪初在世界各地应用非常广泛。进入四、五十年代以后，把飞机上的理论空气动力学应用到风力机上，从而改变了风轮的受力形式，大大提高了风力机的效率。这种风力机的风轮叶片截面为流线型，驱动风轮的驱动力是升力，因此叫升力式。这种风力机制作风轮叶片比较困难，所以成本比较高汹1。在本论文中，还是以传统的分类方式风轮的回转轴方向进行分类。水平轴风力机组在风速、风向变化激烈时，由于对风机构的滞后及消耗，发出电的品质不良，效率亦不够高。但由于其设计制造技术相对成熟，因此，目前仍是风电企业看好的机型。垂直轴风力机一般设有启动装置，对风况的适应性较好，但是，垂直轴风力机存在着工作限速问题，其限速机构相当复杂，加之一些技术上的难题仍未得到解决，因此目前在实际的应用中还有很大的局限性，但国际风电界对这一机型的发展密切关注。垂直轴风力机常见结构如图21。7贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究蜘IL。S1至式”一曩焉式C曩一式图21垂直轴风力机常见结构水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时，风轮的旋转平顽与风向垂直，如图22所示。风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴相垂直，并与风轮的旋转平面成一角度由安装角。风轮叶片数目的多少，视风力机的用途而定。用于风力发电的风力机一般叶片数取1“4大多为2片或3片，而用于风力提水的风力机一般取叶片数12“24。叶片数多的风力机通常称为低速风力机。它在低速运行时，有较高的风能利用系数和较大的转矩。它的起动力矩大，起动风速低，因而适用于提水。叶片数少的风力机通常称为高速风力机，它在高速运行时有较高的风能利用系数，但起动风速较高。由于其叶片数很少，在输出同样功率的条件下比低速风轮要轻得多，因此适用于发电H1。图22水平轴风力机水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分。风轮在塔架的前面迎风旋转，叫做上风向风力机。风轮安装在塔架的下风位置的，则称为下风向风力机。上风向风力机必须有某种调向装置米保持风轮迎风。而下风向风力机则能够自动对准风向，从而免除了调向装置。但对于下风向风力机，由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮，这样塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应，使性能有所降低。如图23和图24所示。08一F奠民冈民凡卜簿惧町贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究可图23上风向水平轴风力机24下风向水平轴风力机212风力机的特征曲线风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动力学特性可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用系数CPC，E毛一己只式2一1式中E_T时间内叶轮吸收的风能；E加T时间内通过叶轮旋转面的全部风能；己单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输出功率；己单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。对一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功率己的表达式为己一O5印CP旷；詈加2矿CP式2_2式中P空气密度KGRN3；叶轮的扫掠面积M2；卜叶轮的直径M；V二作用于风力机的迎面风速MS。系数C，反映了风力机吸收利用风能的效率，是个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有关的量。风力机的特性通常用风能利用系数C，A叶尖速比曲线来表示，如图25所示。不同桨距角B时，风能利用系数CP对应的叶尖速比A不同。9一一一贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究贝O羹三如窖。叶尖运比图25风力机的特性曲线叶尖速比ARV式23式中L卜一叶轮半径M；风力机的机械转速RADS；V砷用于风力机的迎面风速MS。对于同一CP，风力机可能有两个运行点，它们分别对应于风力机的高风速运行区和低风速运行区。当风速变化时风力机的运行点将要发生变化。风力机的整体设计和相应的运行控制策略应尽可能追求CP最大，从而增加其输出功率。然而实际应用中输出功率的提高却受到两方面的限制一方面是电气回路中元器件的功率限制另一方面是机械传动系统结构部件存在转速上限。因此风机存在三个典型运行状态保证恒定C。，控制风力机转速维持A不变直到转速达到极限；风力机以恒定速度运行，通过调节风力机可使C。具有较大数值，直到最大输出功率；当风速过大，输出功率达到极限时风力机按恒定功率控制，使输出功率限制在额定值附近。根据风力发电装置空气动力学，风能利用系数是风速和风轮转速叶尖速比的非线性函数，在一定风速下存在着一个对应某一确定转速的极大值。为了充分利用风能资源，提高效率，应该在不同风速下及时调整风机转速，实现风能的最大捕获，目前，一般的做法是利用现代控制技术和变频技术对风力机的转速进行适时的控制。其具体做法为额定风速以下风力机按优化桨距角定桨距运行，由发电机控制系统来控制转速，调节风力机叶尖速比，从而实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获；在额定风速以上风力机变浆距运行，由风力机控制系统通过调节节距角来改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事故。因此，额定风速以下运行是这种调节方式的主要工作方式，也是经济高效的运行方式，这种情况下控制目标就是追踪与捕获最大风10贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究能M1。实际上这就是我们下面即将讲到的变速恒频风力发电系统。213风力发电机的组合控制方式异步发电机发电系统可分为两类恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。1恒速恒频发电系统恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变化，因此叶尖比速入不一可能经常保持在最佳值，CP值往往与最大值相差很大，使风力机常常运行于低效状态。恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，如图26所示，异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。运行点发生改变。当转子速度高于同步转速35时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。L稿巍R鼍看I、，I121L6一R刘堪吼聘速弼步转速图26异步电机输出功率曲线恒速恒频发电系统一般采用普通的同步发电机或感应发电机，由于同步发电机输出电能的频率满足FPN60的关系，要使频率F保持不变，则应使发电机的转速11保持不变。因此需要改变风力机对风能的利用率即风能利用系数偏离最佳值来使发电机转速保持不变。所以恒速恒频风力发电系统不能实现风力机的最大风能利用。2变速恒频发电系统与恒速恒频发电系统相比，变速恒频风力发电系统则不必保持风力机转速恒定，而通过其它控制方式来得到恒定频率的电能，因此，它能够实现风力机运行在CPCPMAX的点上即风能利用系数保持晟佳值，实现最大风能利用。这也是变速恒频发电系统最大的优势所在。可用于风力发电的变速恒频发电系统有多种，如交直一交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁叔馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阻发电机贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点，可以适用于各种不同场合，这里将不作详细讲解佑1。22太阳能光伏电池阵列太阳能发电是提供新能源和减少环境污染的有效手段之一。大规模的光伏发电，不但达到绿色环保的目的，而且对克服我国能源紧张问题具有重大意义。太阳能光伏电池因为实现了直接将太阳能转化为电能而受到世界各国的重视。它具有重量轻，寿命长，使用方便，能承受各种冲击、振动等优点。可以说在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是光伏电池。因此，光伏电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。221太阳能光伏电池的工作原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池。光伏电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。通常，用于光伏电池的半导体材料一是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、钵等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个PN结。光伏电池的奥妙就在这个“结”上，PN结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当光伏电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在PN结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，并输出功率，如图27所示。12贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究两；F溺ELO,OIF8|Q式|F，喇中母体，站N硝F蛩体厂、也渔。图27太阳能光伏电池的发电原理制造光伏电池的半导体材料己知的有十几种，因此光伏电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的光伏电池要算硅太阳电池。222太阳能光伏电池阵列的输出特性VI特性当受光照的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建起端电压，这时太阳能电池的上作情况可用图28所示的等效电路来描述。RI，。ROH一5图28PN结太阳能电池等效电路图在恒定光照下，一个处于工作状态下的光电池，其光电流T不随工作状态而变化，在等效电路中，可把它看作恒流源，光电流一部分流经负载凡，同时在负载两端建立起端电压V，此电压反过来它又正向偏置于PN结二极管，引起与光电流反向的暗电流JRD。但是，山于太阳板前表面和背表面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示；同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻凡来等效旧1。根据图28，就可以得到输出电流I与输出电压V之间的关系一13贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究L一毛ID阶式24式中暗电流L应为PN结电压屹的函数，而屹又与输出电压V存在函数关系。一Y，RJ式25经理论计算和大量的实验证实LY可整理成指数形式如下，DYIOE盯一1其中，A常数因子又称二极管指数，L反向饱和电流；卜波尔兹曼常数；T啦对温度K；Q单位电荷C；E自然对数的底。将上式代入后整理可以得到川工I小掣1】等JJ工DK脚一1】一半壤】兰铎IO。IOO式2咱正偏电压大时AI，正偏电压小时A2；OVODVOCV式27输出电脉图29太阳能电池的输出电压一电流特性太阳能电池的输出特性如图29所示，在图中下面四个参数特别重要1开路电压当太阳能电池处于开路状态时，由于IO，同时忽略了太刚能电池串并联电阻，端电压V为开路电压，因而得贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究QVOCJ工一，DK脚1】0上式两边取对数可得一等LN_II,LO一1G2短路电流，贸当太阳能电池处于短路状态时，端电压VO，则ISCIIL3最佳工作电压、电流、式28式29式210如图29所示，调节负载电阻吼到达某一值时，在曲线上得到一点M，对应的工作电压和工作电流之积最大，即输出功率最大。M点称为太阳能电池的最佳工作点，称为最佳工作负载，称为最佳工作电压，坤称为最佳工作电流223太阳能光伏系统的最大功率控制从上述分析和图29、图210以及图211可以看出，在一定的温度和日照强度下，光伏电池的输出电压和输出电流之间具有非线性的关系。并且具有唯一的最大功率点MPPMAXIMUMPOWERPOINT。在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，即光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率，达到充分利用太阳能的目的。然而当电池表面温度或日照强度等因素发生变化时，最大功率点也会发生漂移，并且这些外界因素又是因地区而异，有时甚至是瞬息万变的。因此，如何在时刻变化外界环境下，使光伏电池维持在最大功率点处，成为光伏系统中一个急需解决而又非常重要的问题。图210在一定外界条件下，太阳能电池的输出电压一电流关系图由图210可以看出，对丁电阻型负载，其负载线与IV曲线的交叉点决定了光伏电池15贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究的工作点。不同的负载甩决定了不同的工作点。因此在不同的温度、日照强度条件下，当最大功率点发生漂移时，可通过调整负载使光伏电池重新工作在最大功率点处。最大功率点跟踪卿PTMAXIMUMPOWERPOINTTRACKING就是完成以上阻抗匹配的任务，使得变换后的工作点正好和光伏电池的最大功率点重合，使光伏电池以最大功率输出M1。弋H图211在一定外界条件下，太阳能电池的输出功率一电压关系图图2。12不同光照下太阳能电池的输出特性图212为不同外部光照环境下太阳能电池的输出特性。当前一般的做法有，MPPT算法有电压回授法电压回授法是最简单的一种最大功率点跟踪法，也就是CVTCONSTANTVOLTAGETRACKING。如图212所示，从图上可以看出。最人输出功率点几乎落在同一垂直线的两侧邻近处，即当温度一定时，光伏电池输出电压保持恒定且为在某一日照强度下相应于最大功率点处的电压，则不管日照量如何变化，光伏电池可大致保持在该温度下的最大功率输出，这就是CVT的理论依据。具体做法是经由事先的测试，得知太阳阵列在某一日照度及温度下之最大功率点的电压大小，由调整太刚阵列的端电压，使其能与事先测试的电压相符，来达到最大功率点跟踪的效果。此控制方法的最人优点是控制非常简单，成本低。功率回授法16贵州人学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究由于电压回授法无法随环境条件的改变自动跟踪到最大功率点，因此功率回授法加入了输出功率对电压变化率的判断，以便能适应大气的变化而达到最大功率点跟踪，也就是改变输出功率判断此时是否DPDVO，当DPDV0时即是为操作在最大功率点。相对于电压回授法而言，此方法虽然较为复杂且需较多的运算过程，但其在减少能量损耗以及提升整体效率的效果却是非常显著的。增量电导法INCREMENTALCONDUCTANCE增量电导法的基本理念与功率回授法是相同的，其出发点为DPDVO这个逻辑判断式，其中的功率P可以由电压Y与电流I表示，而将DPDYO改写成些。坐堕I塑Y0式211DYDVDV将上式整理后可得塑，一三式2一12一L一一一，JDVY在上式中DI表示增量前后量测到的电流差值，DV表示增量前后量测到的电压差值。因此，只要符合上式要求时，则表示己达到最大功率点。如果不符合则改变电压的扰动方向。测得的结果此一跟踪法最大的优点，是当太阳电池上的照度产生变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，其电压晃动较扰动观察法小。不过其算法较为复杂，这对微处器在控制上会造成相当大的困难。实际测量法实际测量法主要是利用一片额外的小太阳能光电板，每隔一段时间即实际侦测此光电板的开路电压与短路电流，以建立太阳能光电板在此日照强度及温度下的参考模型，并求出在此条件下的最大功率点之电压和电流，配合控制电路使太阳能光电板工作在此电压或电流下，即可达到最大功率点追踪。直线近似法直线近似法其基本理论为利用DPDIO这个逻辑判断式，并利用一直线来近似在某一温度下各种不同照度的最大功率点，只要将作控制在此直线上即可轻易地实现最大功率点追踪。扰动与观察法PERTURBOBSERVE扰动观察法使控制同路模块化，跟踪法则简明，容易实现。它是实现MPPT常用方法。其原理是测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量或称之为扰动，其输出功率会发生政变，测量出改变后的功率，比较改变前的即可知道功率变化的方贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究向。如果功率增大就继续使用原扰动。如果减小则改变原扰动方向。23蓄电池蓄电池是一种储能元件，用于储存电能，对外放电后可以对内部电能进行补充充电，而且充电过程可以反复多次进行。蓄电池的种类很多，目前性能比较好的有铅酸蓄电池、镍氢蓄电池NI姗和锂离子蓄电池啪1。其中铅酸蓄电池因其性能价格比较高，容量大，放电性能好，无记忆效应，原材料来源丰富，可循环使用等优点，而得到了广泛的应用招引。231蓄电池的类型蓄电池根据极板材料及电解液的不同可分为碱性蓄电池、铅酸蓄电池、锂蓄电池和锂离子蓄电池。1碱性蓄电池碱性蓄电池采用碱性溶液作为电解液，根据极板材料的不同分为镍隔、铁镍、镍氢、锌银等系列，有高、中、低放电率等品种。2铅酸蓄电池铅酸蓄电池采用铅钙合金作为极板，用酸性溶液作电解液。按用途分有启动型、固定型、牵引型和便携型等。3锂蓄电池和锂离子蓄电池锂电池是把性能优良的金属锂作为负极材料，正极材料可以从各种正电性较高的化合物中选。锂离子电池的正极材料采用含锂的层问化合物材料，负极材料采用碳或石墨。电解液可用无机盐一有机溶剂体系或是固体、胶态电解质曙。一些电池由于环保原因如铁镍NIFE、镍镉NICD己被淘汰，一些电池由于工业化问题还不能应用，所以，目前阀控式密封铅酸蓄电池VRLA、镍氢蓄电池NI姗和锂离子蓄电池是三元争秀。下面对三者的优缺点进行阐述。镍氢蓄电池优缺点A优点能量功率平衡，功率高，充电接受性能好，循环寿命长。B缺点搁置寿命短，温度性能差低温时容量损失，高温时充电、充电接受能力差，成本高。锂离子电池优缺点A锂离子电池优点能量功率平衡与镍氢相似，质量体积值高于镍氢蓄电池和阀控式密封铅酸蓄电池，放电功率高，充电接受能力极好，循环寿命长，成本较低。B锂离子电池的弱点搁置寿命短，温度性能差低温时容量损失，高温时充电、充电接受能力差。密封铅酸蓄电池电池优缺点18贵州大学硕士研究生学位论文小型高效风光互补电源的研究密封铅酸蓄电池VRLA通常被称为免维护蓄电池。其特点密封，安全，环保，对充电工艺要求严格。若蓄电池充放电适当，可以工作510年的时间。其“免维护”是指使用过程中不需要加水，调节电解液的比重。A密封铅酸蓄电池的优点容量大，能量功率平衡性好，运行温度范围广在低温和高温时，在镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、VRLA三种化学体系中VRLA有最广泛的正常工作温度范围；搁置寿命好，放电功率和电压稳定性好，材料可再生，成本低。B密封铅酸蓄电池的弱点总能量输出不足、循环寿命较短。通过对以上3种蓄电池的比较，可以看出它们各有优缺点以及各自不同的适用领域，其中以密封铅酸蓄电池总体性能好具有较好的能量、功率和寿命特性，因而得到了广泛的应用。而镍氢蓄电池、锂离子蓄电池，虽然能够克服铅酸电池诸多不足，但由于成本高、价格贵、建设投入大，目前还无法大面积推广。电力系统和通讯系统一般配备的是密封铅酸蓄电池VRLA1引。232铅酸蓄电池的充放电原理铅酸蓄电池由正极板二氧化铝、负极板海绵状铅以及电解液硫酸组成。充电过程是负极进行还原，正极进行氧化的过程，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过程是负极进行氧化，正极进行还原的过程，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，电解液中的硫酸浓度降低凸1。铅酸电池的基本结构如图213。图213密封铅酸电池的基本结构铅酸蓄电池的正极和负极平衡惦记反应式分别如下正极板上的反应为PB02H2S042F