小型風(fēng)力發(fā)電

小型風(fēng)力發(fā)電目錄TOCTOC摘要： Abstract II1Introduction 11.1Ourwindresource 11.2Principlesandcharacteristicsofwindpower 11.3PaperSolutionOverview 22Principleandstructureofthewindturbine 32.1Principleofwindturbines 32.2Themaincomponentsofthewindmachine 43ElectricalDesignsection 63.1generator 63.1.1Structureandprincipleofthegenerator 63.1.2Excitedgenerator 73.2Rectification 103.3Battery 123.3.1BatteryCategories 133.3.2Batterychargeanddischarge 133.3.3Battery-poweredcontroldesign 143.4Inverter 143.4.1Invertercircuitandhowitworks 143.4.2Invertercontroltechnology 153.4.3Currentwaveformtrackingcontrol 173.5Drivecircuit 194Conclusion 21Reference 22Acknowledgement 23PAGEPAGEI小型家用風(fēng)力發(fā)電摘要：風(fēng)能以一種清潔的可再生能源的身份走進(jìn)人們的視野，風(fēng)力發(fā)電也慢慢地成為了前途光明的新興產(chǎn)業(yè)。本論文闡述了小型風(fēng)力獨(dú)立發(fā)電的設(shè)計(jì)方案，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和電能變換以及繼電控制電臺(tái)做一些探討。以風(fēng)力發(fā)電機(jī)帶動(dòng)單項(xiàng)交流發(fā)電機(jī)，通過AC—DC—AC交直交變換，轉(zhuǎn)化為用戶所需的標(biāo)準(zhǔn)交流電?？紤]到風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，在電路系統(tǒng)中加入蓄電池組，通過控制電路的監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，確保在風(fēng)力資源充足的情況下將多余的電能進(jìn)行儲(chǔ)能，在風(fēng)力不足時(shí)為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)的運(yùn)行狀況采用繼電控制電路進(jìn)行監(jiān)控和切換。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電整流逆變PAGEPAGEIIHouseholdwindGraduationThesis(Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong20110827)AbstractWindenergyinacleanandrenewableenergyidentityintothespotlight,windpowerhasslowlybecomeapromisingnewindustry.Thispaperdescribesthedesignofsmallwindpowerindependentofthestructureandthewindturbinepowerconversionandcontrolrelaystationsdosomeresearch.Intheindividualwindturbinedrivealternators,byAC-DC-ACconversion,theconversiontoACrequiredbytheuser.Takingintoaccounttheinstabilityofwindpower,addingbatteryinthecircuitsystem,monitoredbythecontrolcircuittoachievecontrolofthesystem,toensurethatsufficientwindresourcesinthecaseoftheexcessenergyintheenergystorage,whenthewindisinsufficientpowerthesystem.Thehealthsystemadoptsrelaycontrolcircuitformonitoringandswitching.Keywords：windPowerrectificationinverterPAGEPAGE12引言 隨著社會(huì)工業(yè)化的腳步不斷加快，全球自然資源消耗不斷增加，各類工廠所排放的工業(yè)有害物質(zhì)的排放量也與日俱增，我們周圍遍布著各類顆粒、細(xì)菌，從而造成了疾病的多發(fā)、氣候的變換異常、自然災(zāi)害的增多；因此，環(huán)境和能源的問題成了當(dāng)前的首要難關(guān)。日益惡劣的環(huán)境問題和有能源問題引發(fā)的危機(jī)，讓人們意識(shí)到開發(fā)清潔能源和可再生能源已經(jīng)是刻不容緩。對風(fēng)力能源的開發(fā)和應(yīng)用就是一個(gè)不錯(cuò)的方向。1緒論風(fēng)能是一種清潔的、可再生資源在自然資源中儲(chǔ)量豐富，但和自然資源中的礦物質(zhì)燃料如：煤、油、天然氣等不同，它不會(huì)隨著自身的使用而減少，所以可以說它是一種取之不盡用之不竭的自然資源。從第一次工業(yè)革命開始，煤等礦物質(zhì)燃料進(jìn)入人們的視線便被大量開采，但是礦物質(zhì)需要大量時(shí)間和空間的累積才能形成，是屬于不可再生資源；而且燃料的燃燒帶來的嚴(yán)重污染問題和溫室效應(yīng)也是刻不容緩的問題；因此風(fēng)力發(fā)電走進(jìn)人們的視野。風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望全球的風(fēng)力資源非常豐富風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今非水可再生資源發(fā)電技術(shù)中最成熟最具有大規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化前景的發(fā)展方式,風(fēng)力發(fā)電在我國已經(jīng)成為繼水電之后最重要的可再生能源,是近期發(fā)展的重點(diǎn)。以下詳細(xì)介紹了我國風(fēng)能資源分布,風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀,并展望了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展前景。1.1我國的風(fēng)能資源我國風(fēng)能資源比較豐富。根據(jù)全國第2次風(fēng)能資源普查結(jié)果,中國陸地風(fēng)能離地面10m高度的經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量2.53億kW,離地面50m估計(jì)可能增大一倍。近海資源估計(jì)比陸地上大3倍,10m高經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量約7.5億kW,50m高約15億kW。我國的風(fēng)力資源主要分布在兩大風(fēng)帶:一是三北地區(qū)

(東北、華北和西北地區(qū))。包括東北3省和河北、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、西藏、新疆等省區(qū)近200km千米寬的地帶,可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約2億kW,約占全國可利用儲(chǔ)量的79%。該地區(qū)風(fēng)電場地形平坦,交通方便,沒有破壞性風(fēng)速,是我國連成一片的最大風(fēng)能資源區(qū),有利于大規(guī)模地開發(fā)風(fēng)電場。二是東部沿海陸地、島嶼及近岸海域。冬春季的冷空氣、夏秋的臺(tái)風(fēng),都能影響到沿海及其島嶼,是我國風(fēng)能最佳豐富區(qū),年有效風(fēng)功率密度在200W/m2以上。如臺(tái)山、平潭、東山、南鹿、大陳、嵊泗、南澳、馬祖、馬公、東沙等,可利用小時(shí)數(shù)約在7000至8000h。這一地區(qū)特別是東南沿海,由海岸向內(nèi)陸丘陵連綿,風(fēng)能豐富地區(qū)僅在距海岸50km之內(nèi)。1.2風(fēng)力發(fā)電的原理和特點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能的裝置。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分。風(fēng)輪有兩大類，水平式風(fēng)車（主軸垂直安裝）還有垂直式風(fēng)車（即一直旋轉(zhuǎn)的），由葉片和輪轂組成。槳葉片具有良好的動(dòng)力外形，在氣流的作用下使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再通過齒輪箱（或是一加速變速箱）增速驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。然后緊接著是一臺(tái)異步發(fā)電機(jī)（風(fēng)車通常使用異步發(fā)電機(jī)，而不是同步發(fā)電機(jī)，因?yàn)橥桨l(fā)電無法保證輸出得到頻率和轉(zhuǎn)速相同，風(fēng)車的轉(zhuǎn)速不是一成不變的。）風(fēng)力帶動(dòng)異步發(fā)電機(jī)，當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)的快時(shí)，產(chǎn)生的電流較大，否則較??；當(dāng)轉(zhuǎn)速比較小時(shí)被檢測電路測到，就分離發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)系統(tǒng)的連接，如果不分離，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速就變成了電動(dòng)機(jī)，即異步發(fā)電機(jī)就是異步電動(dòng)機(jī)。按照具體要求具體操作，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q調(diào)節(jié)將電能儲(chǔ)存為化學(xué)能或并網(wǎng)使用或直接給負(fù)載充當(dāng)電源。風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)有：（1）清潔、無污染、可再生；（2）分布廣泛、適應(yīng)能力強(qiáng)；（3）風(fēng)力能量密度低，風(fēng)能來自空氣的流動(dòng)，風(fēng)的能量密度只有水的1/816；（4）風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，給負(fù)荷或電網(wǎng)帶來一定的影響；(5)風(fēng)速的隨時(shí)變化，發(fā)電機(jī)要承受交變負(fù)荷。風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有兩種：一種是獨(dú)立運(yùn)行的供電系統(tǒng)，即在沒有通電的地方，用小型發(fā)電機(jī)組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電向負(fù)載供電；另一種是作為電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。本次討論的是前者，即獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)方案。1.3論文方案概述該獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1—1所示。圖1—1獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖系統(tǒng)的具體運(yùn)行情況如下：風(fēng)力吹動(dòng)槳葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)；通過齒輪箱的變速功能來提高輸出端轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)軸與交流發(fā)電機(jī)相連；轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)三相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開始發(fā)電（此時(shí)交流電的頻率和幅值都不穩(wěn)定）；三項(xiàng)交流電經(jīng)過整流器的整定變成穩(wěn)定的直流電；此時(shí)出現(xiàn)兩種情況：a如果風(fēng)力充足，直流電經(jīng)過控制電路一部分流向逆變器，另一部分流向蓄電池；b如果風(fēng)力不足，控制電路切換至蓄電池供電狀態(tài)；(6)直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定的交流電，向負(fù)載供電。2風(fēng)力機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)風(fēng)力的使用經(jīng)過多年的發(fā)展和演變，已經(jīng)形成了很多的形式，但綜述歸納起來有兩類：a水平軸風(fēng)力機(jī)，槳葉平的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與方向平行；b垂直軸風(fēng)力機(jī)，槳葉片的轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向。本文采用水平軸風(fēng)力機(jī)。如圖2—1所示。（a）高速風(fēng)力機(jī)（b）低速風(fēng)力機(jī)圖2—1水平軸風(fēng)力機(jī)2.1風(fēng)力機(jī)的原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是利用氣動(dòng)升力的槳葉，升力，就是向上的力。使上升的力。有很多種了。一般都是說在空氣中。也就是向上的力大于向下的力，其合力可以使物體上升。這個(gè)力就是升力。如下圖2—2所示。圖2—2氣動(dòng)升力圖該圖是一張機(jī)翼圖。從圖中可以看出機(jī)翼翼型運(yùn)動(dòng)的氣流方向有所改變，在機(jī)翼的上表面層形成了低壓區(qū)而下表面層形成高壓區(qū)，產(chǎn)生了向上的合力，并垂直于氣流方向。產(chǎn)生升力的同時(shí)也產(chǎn)生了阻力使風(fēng)速有所下降，但升力總是推動(dòng)葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要部件風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常由風(fēng)輪（槳葉片）、調(diào)速裝置、調(diào)向裝置、傳動(dòng)裝置、發(fā)電機(jī)、塔架等組成。下面以一張水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)圖（圖2—3）為例，介紹它的主要組成器件和功能。圖2—3小型獨(dú)立發(fā)電機(jī)簡化圖1—風(fēng)輪2—發(fā)電機(jī)3—回旋體4—調(diào)速裝置5—調(diào)向裝置6—手剎車裝置7—塔架8—蓄電池組9—逆變器（1）風(fēng)輪：有2或3個(gè)將葉片組成，它是用來捕捉和吸收風(fēng)能的主要器件。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，葉片會(huì)受到離心力和氣升動(dòng)力的作用，離心力對葉片是拉力而氣升動(dòng)力會(huì)使葉片彎曲。當(dāng)風(fēng)力大于風(fēng)輪的使用設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，為防止葉片損壞，需要對風(fēng)輪進(jìn)行控制，控制風(fēng)輪的方法有兩種：a使風(fēng)輪偏離主要方向；b改變?nèi)~片的偏斜角度，利用擾流器，產(chǎn)生阻力，從而降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。（2）調(diào)速裝置：自然界的風(fēng)速經(jīng)常變換。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的增大而變快，使發(fā)電機(jī)的輸出電壓、頻率、功率增大。風(fēng)力是不穩(wěn)定的，不但會(huì)影響發(fā)電機(jī)電流的輸出，超大強(qiáng)風(fēng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的燒毀，當(dāng)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速超過設(shè)計(jì)允許值時(shí)，極有可能導(dǎo)致機(jī)組的損壞和壽命減少。為了使風(fēng)輪能在一定轉(zhuǎn)速內(nèi)工作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須安裝調(diào)速裝置（調(diào)速裝置是在風(fēng)速大于設(shè)計(jì)允許額定風(fēng)速時(shí)才使用，又稱為限速裝置）。國內(nèi)外的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)速裝置，歸納整理按調(diào)速原理可分為三類：減少風(fēng)輪迎風(fēng)面積、改變?nèi)~片翼型攻角值、利用風(fēng)輪圓周切線方向的阻力進(jìn)行限制風(fēng)速。（3）調(diào)向裝置：自然界中風(fēng)速和風(fēng)向一直都是變化的，為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)更有效地利用風(fēng)，提高風(fēng)能的利用效率，，就應(yīng)該安裝對風(fēng)裝置跟蹤風(fēng)向的變化，確保風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面始終處于迎風(fēng)狀態(tài)。風(fēng)力機(jī)的調(diào)向裝置主要有尾翼（尾舵）自動(dòng)對風(fēng)、電動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)和舵輪四種本文主旨只是家用的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可利用尾翼的控制帶動(dòng)水平軸旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪總是朝向風(fēng)流風(fēng)向。如下圖2—4所示。圖2—4所示調(diào)向裝置（4）傳動(dòng)裝置：風(fēng)力機(jī)的傳動(dòng)裝置包括增速器和聯(lián)軸器等。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所需的轉(zhuǎn)速，所以要進(jìn)行增速（若是較小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可不設(shè)置增速器直接連接）。增速器和發(fā)電機(jī)之間用聯(lián)軸器連接，且風(fēng)輪與增速器之間也用聯(lián)軸器連接，有時(shí)候?yàn)榱藴p少占用空間，通常將聯(lián)軸器和制動(dòng)器設(shè)計(jì)在一起。（5）發(fā)電機(jī)：發(fā)電機(jī)將由風(fēng)輪通過聯(lián)軸器傳來的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備風(fēng)力發(fā)電機(jī)上長用的發(fā)電機(jī)有四種：直流發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)、異步交流發(fā)電機(jī)。如下：a直流發(fā)電機(jī)常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。直流電壓為12V、24V、36V等，有時(shí)候中型風(fēng)力機(jī)上也有直流發(fā)電機(jī)；b永磁式發(fā)電機(jī)常用在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，中、大型風(fēng)力機(jī)一般不用，其電壓等級(jí)有115V、127V等。永磁式發(fā)電機(jī)有交流有直流，比如我國交流電壓440/240的高效永磁式交流發(fā)電機(jī)，能制造出多級(jí)低轉(zhuǎn)速，比較適合安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中；c同步交流發(fā)電機(jī)它的電樞磁場和主磁場同步（同時(shí)旋轉(zhuǎn)、同量轉(zhuǎn)速）；d異步交流發(fā)電機(jī)它的電樞磁場和主磁場不進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)速比同步磁場低，當(dāng)并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)速提高。交流發(fā)電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)相比，有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、對周圍的無線電設(shè)備干擾少、低速發(fā)電性能好等優(yōu)點(diǎn)。所以，在獨(dú)立運(yùn)行的小容量發(fā)電系統(tǒng)中，經(jīng)常采用自勵(lì)式或者永磁式交流發(fā)電機(jī)；當(dāng)在并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中，通常采用同步發(fā)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。（6）塔架為了讓風(fēng)輪能夠在較高的風(fēng)速中運(yùn)行，必須用塔架將風(fēng)輪支撐起來。此時(shí)，塔架需要承受兩個(gè)負(fù)載：一是風(fēng)力機(jī)的重量，方向向下壓在塔架之上；二是阻力，塔架向風(fēng)流的下方向收力，選擇塔架時(shí)必須考慮它的成本和受力情況，根據(jù)具體情況具體分析，選擇合適的塔架。3電氣設(shè)計(jì)部分3.1發(fā)電機(jī)本文采用可控硅整流器控制的自勵(lì)交流發(fā)電機(jī)。3.1.1發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理硅整流交流發(fā)電的結(jié)構(gòu)圖和工作原理如下：可控硅硅整流交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)硅整流交流發(fā)電機(jī)由一臺(tái)三相同步交流發(fā)電機(jī)和二極管整流器組成

。發(fā)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的三相交流電通過整流器進(jìn)行三相橋式全波整流后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。硅整流交流發(fā)電機(jī)是由轉(zhuǎn)子、定子、整流器、端蓋、風(fēng)扇葉輪等組成

。如下圖3—1所示。圖3—1發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖（1）定子：定子(又稱電樞)由定子繞組和定子鐵芯組成。定子鐵芯是有內(nèi)圈帶槽、相互絕緣的硅鋼片相疊組成。定子繞組有三組線圈，對稱的嵌入定子鐵芯的槽中。三相繞組必須按照一定的要求繞制，才能使發(fā)電機(jī)獲得相同頻率、相等幅值，相位角互差120度的三相電動(dòng)勢。（2）整流器：將三相交流電變?yōu)橹绷麟?。整流器可分：機(jī)械整流器和電子整流器。通常在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中通常采用后者。電子整流器又可以分成可控整流和不可控整流兩類?？煽卣髌饔删чl管組成，常見電路形式有單相橋式、單相全波、三相半波可控、三相橋式半控和三相橋式全控整流電路；不可控整流器由二極管組成，常見的電路形式有單相半波、單相全波、單相橋式、三相半波和三相橋式整流電路。本文為方便起見，采用由六個(gè)或八個(gè)硅二極管分別焊接在兩塊整流板（極板）上組成的三相橋式全波整流電路。（3）風(fēng)扇和帶輪交流發(fā)電機(jī)的前端安裝帶輪和風(fēng)扇，有發(fā)電機(jī)通過傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸和風(fēng)扇一起旋轉(zhuǎn)。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)是為發(fā)電機(jī)散熱，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)是發(fā)電機(jī)發(fā)電。（4）電刷電刷將電源引入轉(zhuǎn)子的線圈（勵(lì)磁繞組）中，使內(nèi)部的電磁鐵（磁軛與爪極）產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場。（5）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子用來在發(fā)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。它是由安裝在轉(zhuǎn)子軸上的兩塊爪型磁極、兩磁極直接的勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子軸上的兩個(gè)滑環(huán)組成。兩個(gè)滑環(huán)彼此絕緣并且與轉(zhuǎn)子軸也絕緣，勵(lì)磁繞組的兩端焊接在兩個(gè)滑環(huán)上。電機(jī)工作時(shí)，通過電刷和滑環(huán)將直流電壓作用于勵(lì)磁繞組的兩端，則在勵(lì)磁繞組中有電流通過，并在其周圍產(chǎn)生磁場，使轉(zhuǎn)子軸和軸上的兩塊爪形磁極被磁化，一塊為N極，另一塊為S極。由于它們的電極爪相間排列，便形成了一組交錯(cuò)排列的磁極。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子中間形成旋轉(zhuǎn)的磁場，使安裝在定子鐵心上的三相定子繞組中感應(yīng)生成三相交流電，經(jīng)過整流器整定為直流電。三只正二極管負(fù)極端連在一起時(shí)，正極端電位最高者導(dǎo)通；三只負(fù)二極管正極端連在一起時(shí)，負(fù)極端電位最低者導(dǎo)通；每一時(shí)刻都有一正二極管和負(fù)二極管導(dǎo)通，使電路處于通電狀態(tài)。二極管相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角α=0度的情況。3.1.2發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁除永磁式交流發(fā)電機(jī)不必勵(lì)磁外，其它形式的發(fā)電機(jī)都需要精心勵(lì)磁；必須要給磁場繞組通電才會(huì)有磁場產(chǎn)生。交流發(fā)電機(jī)有自勵(lì)和他勵(lì)兩種方式。本文提出的系統(tǒng)采用他勵(lì)（即蓄電池儲(chǔ)存的電一部分供給磁場繞組生磁），且在蓄電池組和勵(lì)磁繞組之間串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。如電路圖3—3所示。通過與滑環(huán)接觸的電刷和硅整流器的直流輸出端口相連，從而獲得直流勵(lì)磁電流。圖3—3串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電路圖獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪漿葉片大部分是固定漿距的。隨著風(fēng)力的變換，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨之變化，通過軸承連的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之變化，所以發(fā)電機(jī)的輸出端口電壓也會(huì)上下波動(dòng)，因而會(huì)導(dǎo)致可控硅整流器的輸出電壓和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流發(fā)生變化；并會(huì)再成勵(lì)磁磁場的變化，就會(huì)反過來造成發(fā)電機(jī)輸出端口的電壓發(fā)生變動(dòng)；這種連鎖反應(yīng)一旦發(fā)生就會(huì)使輸出端口電壓的動(dòng)蕩范圍不斷加劇。顯而易見，若電壓的波動(dòng)得不到有效的控制，在向負(fù)載供電時(shí)就會(huì)降低供電質(zhì)量，甚至?xí)p壞用電設(shè)備。而且獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都有蓄電池組，電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致蓄電池壽命減少。為了減小輸出電壓波動(dòng)，該可控硅整流交流發(fā)電機(jī)配備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。如圖，有電壓繼電器V1、電流繼電器I1、逆流繼電器I2和它所控制的動(dòng)斷觸點(diǎn)V1、I1和動(dòng)合觸點(diǎn)I2與電阻組成的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的功能是使發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流（勵(lì)磁磁通）的大小，用來抵消風(fēng)速變化導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對發(fā)電機(jī)輸出電壓的影響。（1）根據(jù)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓大小相應(yīng)的的反調(diào)這勵(lì)磁電壓（勵(lì)磁電壓）讓發(fā)電機(jī)發(fā)的電壓值恢復(fù)到正常（規(guī)定）。由負(fù)載的擾動(dòng)引起發(fā)電機(jī)輸出端電壓和功率的變換，由擾動(dòng)量形成了勵(lì)磁控制分量，用補(bǔ)償饒動(dòng)量來增加勵(lì)磁電流。穩(wěn)定器和補(bǔ)償器（2）按照偏差量進(jìn)行調(diào)節(jié)。按照被調(diào)節(jié)器與實(shí)際值間的差值，來控制調(diào)節(jié)器的勵(lì)磁輸出；實(shí)際是反饋調(diào)節(jié)。分析運(yùn)行過程：當(dāng)風(fēng)速較小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比較低時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出端口電壓低于額定電壓，電壓繼電器V1不動(dòng)作，動(dòng)作觸點(diǎn)V1閉合，整流器輸出端電壓直接加在勵(lì)磁繞組上，發(fā)電機(jī)處于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)力加大發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大，發(fā)電機(jī)輸出端電壓大于額定電壓時(shí)，動(dòng)斷觸點(diǎn)V1斷開，勵(lì)磁回路網(wǎng)絡(luò)中被串入電阻R2，勵(lì)磁電流（勵(lì)磁磁通）會(huì)隨著減小，發(fā)電機(jī)輸出端口的電壓低于設(shè)計(jì)規(guī)定額定值，動(dòng)斷觸點(diǎn)V1將重新閉合，轉(zhuǎn)子恢復(fù)正常勵(lì)磁狀態(tài)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器正常工作時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出端口電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下圖3—4所示。圖3—4發(fā)電機(jī)端口電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速關(guān)系圖當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，如果負(fù)載的負(fù)荷過多時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流過大甚至超過設(shè)計(jì)規(guī)定額定值的情況。若不及時(shí)進(jìn)行控制，發(fā)電機(jī)會(huì)持續(xù)過負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的使用壽命必定會(huì)大大打折，甚至?xí)p壞發(fā)電機(jī)的定子繞組。電流繼電器I1的動(dòng)斷觸點(diǎn)I1串聯(lián)在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路中，發(fā)電機(jī)輸出端口的負(fù)荷電流流經(jīng)電流繼電器的繞組。當(dāng)輸出端口的電流小于設(shè)計(jì)額定值，電流繼電器不工作，觸點(diǎn)I1閉合，發(fā)電機(jī)處于規(guī)范勵(lì)磁狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電流大于額定值，觸點(diǎn)I1斷開，電阻R2串聯(lián)勵(lì)磁回路，勵(lì)磁電流逐漸減小，降低發(fā)電機(jī)的輸出電壓并且減少負(fù)載電流。電流繼電器正常工作時(shí)，發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速關(guān)系如下圖3—5所示。圖3—5發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速關(guān)系圖為了防止風(fēng)速太低或者無風(fēng)的情況下，蓄電池向勵(lì)磁繞組供電，蓄電池由充電運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉错懛烹姞顟B(tài)。不但會(huì)消耗蓄電池中儲(chǔ)存的電量而且還會(huì)對勵(lì)磁繞組造成傷害甚至燒毀，所以勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置中還應(yīng)該裝備逆流繼電器。發(fā)電機(jī)正常工作的情況下，逆流繼電器的電壓線圈和電流線圈中通過的電流使觸點(diǎn)I2閉合；風(fēng)速太低的情況下，發(fā)電機(jī)輸出端口電壓小于蓄電池兩端的電壓時(shí)，繼電器電流線圈電流立刻反向，反向電流產(chǎn)生的磁場和電壓線圈產(chǎn)生的磁場作用相反，磁場作用的總和也降低，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢降低因而電壓線圈流經(jīng)的電流也減少，線圈電流作用產(chǎn)生的吸引力隨著降低，使觸點(diǎn)I2斷開，蓄電池支路斷開，使蓄電池不再向電機(jī)勵(lì)磁繞組供電?？煽毓枵鹘涣靼l(fā)電機(jī)采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，和永磁式發(fā)電機(jī)相比較，它的特點(diǎn)是：(1)在風(fēng)速變化的情況下能及時(shí)通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓，防止對蓄電池的過度充電，延長蓄電池的使用年限；（2）通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)器觸點(diǎn)的關(guān)、斷，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)。由于觸點(diǎn)的開合相當(dāng)?shù)念l繁，必須對觸點(diǎn)的材質(zhì)和反射弧做對應(yīng)處理。3.2整流因?yàn)樽匀划?dāng)中風(fēng)速和風(fēng)向的不穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)輸出的是不均衡的交流電，且交流電的頻率和幅值都在不斷的變換，但負(fù)載的電器設(shè)備都是按照我國規(guī)定的正常頻率（50HZ）的穩(wěn)定交流電，因而必須進(jìn)行AC——DC——AC的電流變換。整流器是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再經(jīng)過濾波，供給逆變器流向電網(wǎng)或者儲(chǔ)存在蓄電瓶中。整流器按照組成器件可分為全控、半控與不可控三種；按照交流輸入相數(shù)可分單相與多相；按照電路結(jié)構(gòu)可分零式電路和橋式電路；按照變壓器二次側(cè)電流方向是單向還是雙向可分單拍電路與雙拍電路。本文采用的是三相橋式整流電路。三相橋式整流電路簡化圖如圖3—6所示。圖3—6三相橋式整流電路習(xí)慣將其中的陰極連在一起的3個(gè)晶閘管（、、）稱為共陰極組，陽極連在一起的3個(gè)晶閘管（、、）稱為共陽極組。習(xí)慣是希望晶閘管按照從1到6的順序?qū)?，所以晶閘管按照如圖所示的順序編號(hào)，即共陰極組和a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管依次為、、，共陽極組和a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別是、、。按照這個(gè)編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通編號(hào)為—————。整流電路的負(fù)載是帶反電動(dòng)勢的阻感負(fù)載。晶閘管的觸發(fā)角α=。共陰極的3個(gè)晶閘管，陽極所接交流電電動(dòng)勢最高的一個(gè)導(dǎo)通；共陽極的3個(gè)晶閘管，陰極所接交流電電動(dòng)勢最低的一個(gè)導(dǎo)通。任意時(shí)刻都有共陽極組和共陰組各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，施加在負(fù)載上的電壓為線電壓。電路工作時(shí)候的波形圖如下圖3—7所示。圖3—7電路工作波形圖由于觸發(fā)角α=，各個(gè)晶閘管都在自然換相點(diǎn)處換相。由變壓器二次繞組的線電壓與相電壓波形的對應(yīng)關(guān)系可知，相電壓的交點(diǎn)即自然換相點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。分析線電壓的波形圖時(shí)，既可以從相電壓波形分析，又可以從線電壓波形分析。從相電壓波形圖看，以變壓器二次側(cè)的中性點(diǎn)n為參考點(diǎn)，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓為相電壓在第一象限的圖形，共陽極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整理輸出電壓為線電壓在第四象限的圖形；兩者之間的差值為總的整流輸出電壓=-，對應(yīng)到相應(yīng)的線電壓波形圖上。從線電壓波形圖來看，有共陰極中處于導(dǎo)通狀態(tài)的陽極二極管對應(yīng)最大的相電壓，和共陽極中處于導(dǎo)通狀態(tài)的陰極二極管最小的那個(gè)，輸出整流電動(dòng)勢為這兩個(gè)相電壓之差。為了詳細(xì)說明各個(gè)晶閘管的工作情況，將波形圖的一個(gè)周期分為6個(gè)小段，每段為，如圖所示，每一小段當(dāng)中導(dǎo)通的晶閘管和輸出整流電壓的情況如表所示。由表可見6支晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂1—V2—V3—V4—V5—V6。表3—1三相橋式整流電路α=時(shí)晶閘管工作情況時(shí)段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管整流輸出電壓3.3蓄電池在獨(dú)立的家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，通常使用蓄電池組作為儲(chǔ)能裝置，蓄電池組的作用是當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)或者負(fù)載較小時(shí)，能將來自風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能中的一部分儲(chǔ)存在蓄電池中（即向蓄電池充電）；當(dāng)無風(fēng)或者風(fēng)力較小或者負(fù)載增大時(shí)，蓄電池中儲(chǔ)存的電能向負(fù)載提供一部分的電能，彌補(bǔ)風(fēng)力的不足，達(dá)到向負(fù)載平穩(wěn)供電運(yùn)行的功能。本系統(tǒng)采用的是鉛蓄電池組。3.3.1蓄電池的分類蓄電池是電池中的一種，它的作用是能把有限的電能儲(chǔ)存起來，在合適的地方使用。它的工作原理就是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。在蓄電池當(dāng)中應(yīng)用最廣泛的是鉛蓄電池。鉛蓄電池正極板是二氧化鉛板，負(fù)極板是金屬鉛，通過互插式結(jié)構(gòu)，就是一層正極板緊接著一層負(fù)極板的排列，兩極板之間有間隔，填充稀硫酸作為電解液，并用22～28％的稀硫酸作電解質(zhì)。在充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，放電時(shí)化學(xué)PAGEPAGE13能又轉(zhuǎn)化為電能。電池在放電時(shí)，金屬鉛是負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，被氧化為硫酸鉛；二氧化鉛是正極，發(fā)生還原反應(yīng)，被還原為硫酸鉛。電池在用直流電充電時(shí)，兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源后，它又恢復(fù)到放電前的狀態(tài)，組成化學(xué)電池。鉛蓄電池是能反復(fù)充電、放電的電池，叫做二次電池。單個(gè)鉛蓄電池的電壓是2V，通常把多個(gè)鉛蓄電池串聯(lián)起來使用，獲得不同的電動(dòng)勢。汽車上通常用的是6個(gè)鉛蓄電池串聯(lián)成12V的電池組。將所有的正極板連通出來到正極，所有負(fù)極板連接作為負(fù)極。特別注意，鉛蓄電池在使用一段時(shí)間后要補(bǔ)充硫酸，使電解質(zhì)保持含有22～28％的稀硫酸。本文采用的是18節(jié)鉛蓄電池組串聯(lián)，組成36V的蓄電池組。當(dāng)外電路閉合時(shí)，蓄電池組正負(fù)極之間的電勢差為蓄電池組的端口電壓。蓄電池在充放電過程中，正負(fù)極之間端口電壓是不相同的，充電時(shí)端口電壓大于電動(dòng)勢，放電時(shí)端口電壓小于電動(dòng)勢，這是因?yàn)樾铍姵亟M中有內(nèi)阻。蓄電池的容量用Ah表示。蓄電池組的端口電壓隨著發(fā)電過程而降低，而且蓄電池存在最佳充放電時(shí)刻。3.3.2蓄電池的充放電蓄電池經(jīng)過多次充放電過程，蓄電池容量將會(huì)降低，當(dāng)容量小于其額定值的80%時(shí)，蓄電池就不能再使用了（即蓄電池有一定的使用年限）蓄電池使用壽命的影響因素有：高溫、高壓環(huán)境下使用、過度充放電、蓄電池電解液的濃度大小和過度放電燈因素。蓄電池的充放電電壓不但能直接影響蓄電池工作性能，也會(huì)影響負(fù)載的壽命和安全。圖3—8和圖3—9分別表示蓄電池充放電曲線圖。圖3—8蓄電池充電曲線圖PAGEPAGE23圖3—9蓄電池放電曲線圖3.3.3蓄電池供電控制設(shè)計(jì)控制電路如圖3—10所示。整流器輸出端引出兩根線，和逆變器相連，對負(fù)載供電，通斷狀態(tài)由動(dòng)合觸點(diǎn)I2來控制。蓄電池輸出端引出兩根線和逆變器相連，當(dāng)風(fēng)力不足或者無風(fēng)狀態(tài)下對負(fù)載供電，通斷狀態(tài)由動(dòng)開觸點(diǎn)I2來控制。圖3-10蓄電池組供電控制電路當(dāng)風(fēng)力充足的情況下，發(fā)電機(jī)平穩(wěn)工作，動(dòng)合觸點(diǎn)I2閉合，直接向負(fù)載供電，同時(shí)一部分電能儲(chǔ)存在蓄電池中。當(dāng)風(fēng)力不足或者無風(fēng)條件下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速太低，動(dòng)開觸點(diǎn)I2閉合，由蓄電池向負(fù)載供電。3.4逆變電路因?yàn)榧矣秒娖鞅热珉娨暋⒈?、白熾燈等都是以交流電工作，所以在?dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中需要將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，這個(gè)轉(zhuǎn)化過程叫做逆變。逆變電路即將以直流電路逆變成某一頻率或可變頻率交流電的電力電子電路。3.4.1逆變電路及其工作原理本文采用的逆變電路如下圖3—11所示。逆變電路當(dāng)中V1—V6為開關(guān)器件，—為續(xù)流二極管，每個(gè)橋臂都是有一個(gè)IGBT開關(guān)器件和反并聯(lián)二極管組成，后面接L、C組成濾波器過濾交流電的高次諧波。利用導(dǎo)電方式，在一個(gè)開關(guān)周期當(dāng)中，開關(guān)導(dǎo)通順序?yàn)閂1—V2—V3—V4—V5—V6，各相角度相差，任意時(shí)刻都有三個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。圖3—11所示三相橋式逆變電路3.4.2逆變器的控制逆變器控制技術(shù)的進(jìn)程。逆變器控制技術(shù)從實(shí)現(xiàn)方法中可分為數(shù)字控制技術(shù)和模擬控制技術(shù)。模擬控制技術(shù)有單周期控制、三角波電流控制，滯環(huán)電流控制、PWM控制等，數(shù)字控制技術(shù)有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、無差拍控制、PID控制等。在逆變器電路中使用最多的是PWM控制技術(shù)（即利用開通和關(guān)斷來對輸出波形進(jìn)行調(diào)解，也就是調(diào)節(jié)占空比來達(dá)到控制輸出的波形）。現(xiàn)在最常用的是SPWM波即脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。SPWM控制原理是：通過調(diào)節(jié)逆變電路的開閉得到等幅卻不等寬的矩形脈沖，用矩形脈沖等效正弦波（等效原理：逆變器的輸出波形為一系列與正弦波等效的等幅而不等寬的矩形脈沖波形），如下圖3—12所示。將正弦半波電壓等分為N份，每一等分區(qū)間內(nèi)矩形波的面積與正弦波的面積相等。SPWM控制技術(shù)又分單極性和雙極性SPWM技術(shù)。圖3—12脈沖面積等效原理本文采用的是雙極性SPWM技術(shù)。其工作原理如圖3—13所示。其工作特點(diǎn)：雙極性調(diào)節(jié)時(shí)，某一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)交替通斷，處于互補(bǔ)狀態(tài)。比如A相VT1VT4交替通斷，當(dāng)參考電壓>三角波電壓時(shí)，導(dǎo)通，=+/2；當(dāng)<時(shí)，V導(dǎo)通，=-/2。且相電壓在+/2和-/2之間躍變脈沖波，線電壓幅值為+與-的脈沖波，和單極性調(diào)制時(shí)候相同。圖3—13雙極性SPWM工作原理圖SPWM與PWM相比的優(yōu)點(diǎn)：能在可控功率級(jí)別內(nèi)調(diào)壓、調(diào)頻，簡化控制電路的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化體積，減小造價(jià)；輸出電壓和輸出頻率在逆變器內(nèi)部進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，輸出響應(yīng)速度取決于控制回路，SPWM控制調(diào)節(jié)過程中速度快，能獲得及時(shí)的動(dòng)態(tài)性能；輸出波形圖接近正弦波，減小諧波分量。PWM是脈沖寬度調(diào)制也就是具有一定脈沖寬度的方波組成。SPWM是在PWM的基礎(chǔ)上用正弦波來調(diào)制合成的具有正弦波規(guī)律變化的方波。3.4.3電流波形的跟蹤控制即把期望得到的波形作為指令，把實(shí)際輸出的波形作為反饋，將兩者瞬時(shí)值相比較，利用比較得來的結(jié)果來控制逆變器當(dāng)中開關(guān)的開合狀態(tài)，使實(shí)際輸出波形能隨規(guī)定指令做出相應(yīng)的變化。滯環(huán)的比較原理：將指令電流規(guī)定為、反饋電流規(guī)定為，將兩者之間的差值-為滯環(huán)的比較器的輸入，利用滯環(huán)比較器的輸出結(jié)果來控制逆變器開關(guān)的開合狀態(tài)。如圖3—14。設(shè)比較器的滯環(huán)的寬度為h。當(dāng)給反饋電流比規(guī)定電流大時(shí)，且誤差大于0.5h，比較器輸出負(fù)電平，開關(guān)器件斷開、閉合，使實(shí)際輸出電流減少。當(dāng)實(shí)際輸出電流減少到和指令電流值相同時(shí)，滯環(huán)比較器仍然輸出負(fù)電平，持續(xù)斷開狀態(tài)、持續(xù)閉合狀態(tài)，實(shí)際輸出電流一直減少，一直到誤差大于0.5h，滯環(huán)控制器翻轉(zhuǎn)，比較器輸出正電平，轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)，使反饋電流增大，一直增大到比規(guī)定電流高0.5h。過程無限重復(fù)，實(shí)際輸出電流與指令電流的誤差保持在-0.5h—0.5h之間，而且輸出電流隨反饋電流上下做鋸齒狀變化，實(shí)現(xiàn)對電流的跟蹤。如圖3—15所示。圖3—14電流滯環(huán)跟