访问学者-武文虎-家用风力发电机发电系统(1)

1、家用风力发电机发电系统设计姓 名：武 文 虎 学 号：3720169017 类 别：国内访问学者 访学专业：电气工程 所学专业：机械设计及理论 研究方向：高压永磁电机设计 导 师：柴 森 春 目 录1.前言12.设计任务22.1设计目的22.2设计要求23.设计方案24.发电机组选型25.蓄电池选型56.控制电路选型76.1三相不可控整流96.2变换电路116.3逆变分析157.总体分析178.总结189.参考文献181. 前言目前，在农村牧区及偏远山区等地区由于地理位置、气象条件及运营成本等综合因素导致电力供应紧张。风电具有高效、安全、清洁等优点，是最具发展潜力的能源。目前我国电力、煤炭、石

2、油能源供应紧缺，供求矛盾突出，为减少传统能源开发，为后代儿孙留下生存空间，国家把可再生能源发展，尤其风电产业的发展放到可持续发展的重要战略位置上。20世纪末，风电发展利用在全球迅速兴起。风电技术成熟，发电机总装机容量一直呈快速增长的势头。中国风电“十一五”年均增长143.4%。2006年中华人民共和国可再生能源法实施，风电迎来政策利好。2008年达到1220万kW，提前两年完成“十一五”的风电计划；2009年上海东海大桥风电场3台机组并网发电，全年装机容量达到2580万kW；2010年风电新增装机1893万千瓦，累计装机容量4473万千瓦，双双超过美国跃居世界第一位。至2011年年底，全国累计

3、装机容量已达到6500万千瓦。到2015年，全国总装机容量达到1亿kW。全国装机容量迅速增长，技术水平不断提高，为中小型风电及控制器发展提供了良好的外部环境及技术基础。风力发电由于就地取材，消除了地理位置、气象条件及运营成本等影响电力传输的消极因素，使得其在农村牧区及偏远山区等具有很好的市场。目前，市场主要风力发电为高压大功率风力发电，且主要应用于电网并网。低压小功率风力发电在市场上属于推广阶段，主要问题为需考虑家用容量且保证电压稳定可靠。2. 设计任务2.1设计目的1) 学习电力电子技术，掌握其内容。2) 利用所学知识，能够制定系统设计。2.2设计要求1) 设计一种家用风力发电机发电系统，要

4、求输出电能用于蓄电池充电，且蓄电池能量能够提供负载正常工作。其中负载包括：电视机、电风扇、洗衣机、电冰箱等220V交流电源；2) 蓄电池存电与负载工作能够同时进行。3) 蓄电池不会逆向于发电机工作。4) 使用地区：广西白龙尾。3. 设计方案由设计要求分析，电路主要包含以下几方面：1) 考虑蓄电池组为直流电源，而风力发电机输出电源为交流电源，在风力发电机与蓄电池之间需进行整流。2) 考虑负载需求为交流电源且风力发电机输出交流电源不稳定，应蓄电池组进行逆变以供应负载运行。3) 蓄电池组作为储能元件，当风力发电机不做功或做功很小时，蓄电池不向风力发电机做功，应考虑整流的可控性。4. 发电机组选型小型

5、风力发电机组是小型风力发电系统的基本设备。从能量转换的角度看，小型风力发电机组包括小型风力机和小型发电机两大部分。小型风力机的功能是将风能转换为机械能。小型发电机的功能是将机械能转换为电能。本设计只涉及风力发电机选型。小型风力发电系统合理的功率匹配对保证系统的可靠性是非常重要的。一般来说，在考虑系统功率匹配问题时应该考虑的主要因素有：(1)用电负荷的特征。主要是指用户的最大用电负荷和平均日用电量。其中最大用电负荷作为选择系统逆变器容量的依据，而平均日用电量则是选择小型风力发电机组功率和蓄电池容量的依据。(2)当地的风能资源状况。要根据当地实际的风能分布情况来确定小型风力发系统的参数。不言而喻，

6、购置风力发电机组的目的是为了解决用电。所以，当我们选择风力发电机时，应考虑风力发电机的发电量是否能满足用电量的要求。估计家用电器的用电量，可以用电器设备铭牌标定的电功率（k）乘以平均每天使用的时间（），即为它的平均日耗电量。常用家用电器日耗电量的参考值如表所示。表1 常用家用电器日用电量参考表用电设备额定功率kW平均日使用时间h日用电量kW.h照明灯20W40.0860.48家用彩电0.1160.66洗衣机0.120.50.06油烟机0.0360.18空调1.523热水器1.211.2根据表1分析：日总耗电量：0.48kWh+0.66kWh+0.03kWh+0.18kWh+3kWh+2.2kW

7、h=5.58kWh月总耗电量：5.58kWh30=167.3kWh年总耗电量：167.3Wh12=2007.6kWh考虑用电余量，建议发电总量1600kWh，即每天所需发电电能为：2100/360=5.83kWh。根据上述分析结合现场美观性、实用性及安全性，选用青岛星光风电设备科技有限公司的水平轴1000W风力发电机，该发电机具有：1）结构简单，故障率极低;2)所有部件均采用常规国标件;3)采用三相输电滑环导电，无扭缆现象;4)使用寿命长；5)发电机效率与风能利用系数高；6)控制简单等特点，详细参数见表2所示。表2 NE-400V参数表序号项目参数1额定功率1000W2最大功率1200w3风轮

8、直径2.84叶片材质增强玻璃钢5额定转速360r/min6额定风速8m/s7最大启动扭力矩0.48启动风速2(m/s)9工作风速3-25(m/s)10安全风速50(m/s)11拉索塔架高6m12电机类型三相交流永磁电机13绝缘等级B14叶片形式3叶片高强度玻璃钢15过速保护尾翼转轴控制，自动偏航，电磁保护由表2可见，当额定风速为8m/s时额定输出功率为1000W,而风轮的输出功率与风速的立方成正比。这就是说，当风速值有较小的变化时，输出功率将产生较大的变化。根据广西白龙尾气象部门统计，该地区年平均风速为4.8m/s，年有效风速小时数为5181h，相当于每天有效风速小时数为14h。当风速为4.8

9、m/s时，输出功率为：PW=(4.88)31000=216w 相当于一天发电量为0.216kW14h=3.024kWh。即风力发电机组每天大约发电3.024kWh，未超过总耗电量5.58kWh，此时需要两台发电机并联运行增加输出功率，并联后每天发电功率约为6.048kWh，大于每天消耗功率，满足使用要求。5. 蓄电池选型铅酸蓄电池是独立电源系统中常用的储能元件，其可靠性高、容量大、免维护的特点都是系统所需要的。风力发电系统存在着一个很大的缺陷资源的不稳定可能会导致发电量与用电负荷的不平衡，小型风力发电系统要通过蓄电池储能后才能稳定的供电，因此蓄电池容量以及蓄电池充放电控制策略的合理选择都关系着

10、系统的寿命和稳定性，本系统根据负载的实际需要来合理的选择蓄电池组的容量。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足负载需要的前提下，把小型风力发电机组转化来的电能尽可能的存储下来，要能够存储在连续无风天气情况下负载工作所需的电能。蓄电池容量选择过小不能够满足负载的需要，蓄电池容量选择过大，一方面蓄电池有可能长期处于亏电状态，影响蓄电池寿命，另一方面也会造成浪费。蓄电池容量的计算如下：QB=1000WLUByc 其中：QB为蓄电池容量（Ah）；WL为负载用电量（kWh）；UB为蓄电池的端电压；yc为蓄电池的放电深度。由上述分析知每天消耗电能为5.58kWh，而在一般情况下，若选用的蓄电池

11、类型是深循环性的，应该使用80%放电深度，若果选用的是浅循环类型的，应该使用50%放电深度，现选用端电压24V，放电深度50%，裕量20%的蓄电池，计算得出蓄电池容量为558Ah。每个不同的蓄电池都有它的标称电压。在使用的过程中需要通过把蓄电池串、并联起来，这样才可以达到负载工作时所需要的标称电压的值，从而提供给负载使用。在系统中应用到的蓄电池的总数量的计算方法就是通过见蓄电池的串联数目乘以蓄电池的并联数目。蓄电池的串、并联计算公式为：蓄电池并联数=蓄电池总容量单个蓄电池容量；蓄电池串联数=负载标称电压蓄电池标称电压。综合以上分析，蓄电池的规格是选用2组3只并联的12V200Ah，型号为CB1

12、22000的阀控密封铅酸蓄电池串联起来构成的蓄电池组。表3 CB122000参数表标准电压最大充电电流最大放电电流单体内阻端子形式12V60A800A4mFP-08不同温度下的放电容量单体充电电压标准容量单体自放电残余容量尺寸40 102%浮充2.270.025V循环2.450.025V200Ah3个月后90%高24cm25 100%6个月后82%长26cm0 85%12个月后70%宽52cm根据铅酸蓄电池的使用要求，蓄电池的标准容量用C表示。浮充电流是3A（0.015C）；恒流充电电流是20A（0.1C）；恒流充电终止电压是25V；放电终止电压是22V；充电终止电压是30V，于是说明徐电视的

13、DC/DC变换器输出电压需要钳制在22V-30V的范围内且蓄电池的工作范围是22V-30V。6. 控制电路选型由于风具有不确定性和随机性，所以在风力发电的过程中，风力发电机在进行电能转化的过程中，输出的电能会出现频率和电压的不稳定的情况。又因为蓄电池不能给交流负载直接供电，所以需要把一个电力变换装置连接在发电机和负载之间，这样就可以很好的解决供电电压和频率的不稳定的问题，并且输出供交流负载使用的交流电。这个电力变换装置由以下几部分组成：整流器、逆变器和DC/DC变换器，系统流程图见图1所示。图1 系统流程图在实际的应用过程中，根据不同的技术方案，构造出不同的转换系统。涉及到整流技术、斩波技术及

14、逆变技术等多种电力电子技术。根据所采用电力变换装置的不同，可对应采用不同功率变换电路的拓扑结构。功率变换电路的硬件构成基本上决定了电能变换的效率和系统的成本。参照实际的风电系统，典型的拓扑结构有不可控整流器后接晶闸管逆变器和无功补偿型拓扑结构、不可控整流+Boost电路+PWM电压源型逆变拓扑结构与双PWM背靠背拓扑结构。其中不可控整流器后接晶闸管逆变器和无功补偿型拓扑结构相对成熟，功率等级较高，成本低并且可靠性高，但由于输入电网电流的谐波含量较高，在晶闸管变流器工作时需要补偿系统来吸收无功功率，双PWM方法具有较佳的性能，但其成本较高。因此，本文选用拓扑结构为：三相不可控整流+Buck电路+

15、蓄电池+Boost电路+单相全桥逆变。即采用三相桥式不可控整流，将三相交流电转换成直流电，经过Buck电路降压对蓄电池充电，然后经升压逆变电路转换成220V/50HZ的单相交流电以供负载使用。6.1三相不可控整流整流电路的作用是把交流电转换成直流电，然后对蓄电池充电。在独立运行的小型风力发电系统中，交流发电机是依靠风轮的驱动来工作的。要给系统中的蓄电池充电，这就需要一个整流器。在实际工程应用中，常使用的是三相桥式整流电路。另外，在风电支路中整流器的一个重要的功能是，风力发电机在外界风速过小或者基本没风的情况下输出功率较小，风力发电机的输出端到蓄电池是三相整流桥二极管的导通方向，这样就很好的避免

16、了蓄电池的反相供电。不可控整流器适用于小功率系统中。 目前，桥式不可控整流的方式在我国的离网型风力发电系统中得到广泛的使用，因为桥式电路由二极管组成，电路的结构简单，有功功率损耗也很低。同时，不可控模块的功率等级可以做的很大，没有技术障碍。三相不可控整流电路中，某条支路上的两个二极管导通时，直流侧输出电压和交流侧线路上电压最大的一个相等，这条线路上的电压即用来给电容进行充电，又向负载供电。电容充电结束后，如果二极管没有导通，那么负载需要的电压由电容来提供，电容上电压下降趋势呈指数的形式。电路图见图2所示。图2 整流电路本文应运到的发电机组输出的交流电压为16V-36V，经过整流模块后可以得到直

17、流电压为Ud。其中整流电路输入、输出电压以及输入输出电流的数量关系如下：输出电压平均值Ud：2.34ULUd2.45UL二极管平均电流IVD：IVD=Id/3式中，Ud为整流器整流后输出的电压平均值；UL为发电机输出的交流线电压；IVD为二极管电流的平均值；Id为整流电路的直流输出电流平均值。根据参数可以得出：Idmax=Pmax/Udmin=1200/37.44=32AIVD=32/3=21.4A二极管承受的最大反向电压为：Udmax=2.4536=88.2V选择二极管VD1-VD6的电压定额并留有裕量：UVD=（2-3）Udmax=176.4-263.4V因此，考虑了电压与电流的冲击作用，

18、在进行器件选取时，实际参数值应高于理论值。该设计中整流模块的三相整流桥封装机构是由六个整流二极管共同组成的，该模块整流二极管所允许流过的电流为15A，耐压等级为300V。滤波电容的计算与选型因为二极管的最大反向电压为88.2V，所以选择160/1500uF电解电容即可达到要求。6.2变换电路直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变换为另一种可调电压或固定电压的直流电，也称为DC-DC变换器。可以使风力发电系统的电压变化范围相对较大，以适应电路的要求。直流斩波电路的种类较多，包括6种基本的斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Ze

19、ta斩波电路。DC/DC变换器是通过控制器件（半导体开关器件）的导通和关断时间长短控制，再配合电感、电容或高频变压器等以连续改变和控制输出将固定的直流电压变换为可变的直流电压的变换电路。可根据不同的情况独立调节输出电压，实现高效率的稳定直流输出，响应速度快。通常可分为直接变换和间接变换两种。两者的区别在于前者直接进行直流电压变换；后者先将直流电变为交流电，经变压器后再变换为直流电压。 DC-DC变换器的输入阻抗的大小可以通过控制电源的占空比来改变。这种方式可以控制风能转换效率和风力发电机的输出功率。因此，DC/DC变换器除了具有电压变换的作用外，还需要实现最大功率点跟踪的功能。 6.2.1降压

20、斩波电路(Buck Chopper)降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图如图3所示。该电路使用的是一个全控型器件Q，图中为IGBT，也可使用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。采用的周期是一定的，驱动信号的占空比不但是可以调制的，并且要求需要工作在开关状态的是功率开关管的控制端。开关Q导通时，二极管D截止，电源通过电感向下一级传递能量，同时电感能量增加；开关Q截止时，要使得续流二极管D导通需要电感释放能量，在此阶段，把前一阶段储存的能量通过电感L向下一级释放，不但要使输出电压变化比较平直而且电压极性不能改变，通常串接较大的电感。图3 Buck电路Buck电路作为主电路的一部分，根

21、据发电机输出电压范围和蓄电池电压等级来确定Buck电路的元件参数和选型。主要是将整流器输出的直流电变换到可以为蓄电池充电的直流电。由3图可知对于直流斩波降压电路选择电路器件的主要的电气参数有：电感，输出滤波电容、续流二极管、功率开关器件。Buck变换器工作条件：1)系统功率2000W，最大功率为2400W（两台发电机并联）；2)按电感电流连续模式设计，选取频率f为20kHz的开关管工作；3)输入电压Ud1变化范围为37.44V-88.2V，并且输出电压（蓄电池端电压）U2d变化范围为22V-30V；4)输出占空比Dmin=22/88.2=0.25，Dmax=30/37.44=0.80，即占空比

22、变化范围是0.25-0.80；5)电感电流的波纹系数范围是0.1-0.3，波纹系数越小，对滤波电容要求越低，同时磁滞损耗也越小。设定电流波纹系数为0.2；6)额定输出电流Ic=PN/UB=2000/24=84A，又因为Buck电路的最大输出电流为2400/22=110A，浮充电流为2A。Buck电流输出电流Id2的范围是2A-110A。根据上述条件可进行以下分析计算;(1)选择开关管IGBT的电压定额并留有裕量UIGBT=(1.5-2)Ud1max=132.3-176.4V开关管导通时，流过开关管的峰值电流IIGBTmax=2Id2max=154A(2)续流二极管的通态电流定额并留有裕量IV=

23、(1.5-2)IIGBTmax=231-308A(3)电感电流连续时，滤波电感由下式确定;LUd1maxDmin(1-Dmin)/(2fId2min)=0.207mH综合考虑取电感值为0.25mH。6.2.2升压斩波电路（Boost Chopper）升压斩波电路的原理图如图4所示。该电路也是使用一个全控型器件Q，图中为IGBT。首先假设电感值和电容值都很大。当开关管Q处于导通时，二极管D截止。电源向电感L充电，同时电容C向下一级传递能量。电感在此阶段积蓄能量。开关管Q截止状态时，续流二极管D的导通与否，是通过电感释放能量来完成的，并且，电源和电感会共同向下一级释放。图4 Boost电路输入电压

24、与输出电压的关系如下：Ud2，=11-DUd1， 式中，Ud1，为Boost电路的输入电压；Ud2，为Boost电路的输出电压；D为开关管导通占空比。Boost变换器工作条件：1)系统功率2000W，最大功率为2400W（两台发电机并联）；2)按电枢电流连续模式设计，选取频率f为20kHz的开关管工作；3)输入电压（蓄电池端电压）Ud1，变化范围为22V-30V，并且输出电压Ud2，为350V；4)输出占空比Dmin=(350-30)/350=0.91，Dmax=(350-22)/350=0.94，即占空比变化范围是0.91-0.94；5)额定输出电流Ic=PN/UB=2000/350=5.7

25、1A，最大短路电流为2400/22=110A。最大输出电流为2400/350=6.85A。根据上述条件可进行以下分析计算;(1)选择开关管IGBT的电压定额并留有裕量UIGBT=(1.5-2) Ud2，x=525-700V开关管导通时，流过开关管的峰值电流IIGBTmax=2Id1max=154A(2)续流二极管的通态电流定额并留有裕量IV=(1.5-2)Id2max=10.3-13.7AUv=350V(3)电枢电流连续时，电感由下式确定;L=Ud1，(1-D)/(f2IV)综合考虑取电感值为3.5mH。6.3逆变分析现代电气设备大多都是交流负载，逆变器毫无疑问的成为了系统中不可缺少的重要组成

26、部分。依据风力资源的特性，发电机输出电压、电流不稳定。在独立运行的风力发电系统中，一般需要将整流后的直流电对蓄电池充电，再通过逆变器对交流负载供电。又因为输入蓄电池的充放电压变动范围较大，所以要求逆变器能在较大的直流电压变化范围内工作。逆变器种类很多，按照不同的标准可以分为不同的类型。根据其结构和使用场合的不同，所使用的类型也有较大的差异。通常需要考虑到的技术性能包括输出电压稳定度、额定输出容量、保护功能、整机效率、起动性能。变器的选型主要依据为根据负载需要，逆变器容量应大于或等于总耗电量即可逆变电路在整个风力发电实验模型中起着重要的作用，在设计逆变电路时，需要选择合适的电路拓扑结构。常用的逆

27、变器包括电压源型逆变器和电流源型逆变器，该风力发电模型是实现对单相交流负载供电。常用的单相的逆变电路有半桥电路、全桥电路和推挽电路。它们各自有各自的特点，考虑到电路的带负载能力，该系统的采用的单相全桥电路，单相全桥电路的拓扑结构如图5所示，在正常的工作模式下V1和V4、V2和V3分别同时导通和关断。D1-D4为续流二极管，分别与V1-V4反并联，其作用是当控制信号被封锁或者丢失时，成为反馈无功能量的通道，其通道的方向是由交流侧向直流侧反馈。图5 逆变电路前级DC/DC变换采用的是直流斩波Boost升压电路，然后再将蓄电池发出的24V直流电变换成350V的直流电。再由单相逆变电路将350V的直流电逆变为220V/50HZ的交流电。另外，逆变器的功率应该不小于总的耗电量。控制方法采用PWM脉宽调制方式。逆变器的后级负载部分选