【正文】 第一章 緒論 風(fēng)能是一種清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會(huì)隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而 減少，因此可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。 系統(tǒng)的運(yùn)行狀況采用繼電控制電路監(jiān)控和切換。 摘要 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源越來越受到人們的重視，風(fēng)力發(fā)電也逐漸成為了時(shí)下的朝陽產(chǎn)業(yè)。 本論文的重點(diǎn)在于繼 點(diǎn)控制電路的設(shè)計(jì)，并對(duì)各種不同風(fēng)力情況下系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行了全面而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?，最后電氣控制部分進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。而礦物質(zhì)燃料儲(chǔ)量有限，正在日趨減少，況且其帶來的嚴(yán)重的污染問題和溫室效應(yīng)正越來越困擾著人們。近 20年來風(fēng)電技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，發(fā)展速度驚人。其推算的結(jié)果 2020年風(fēng)電裝機(jī) KW，風(fēng)電電量 104億 kWh， 2020年風(fēng)電裝機(jī) KW，風(fēng)電電量 104億 kWh，占當(dāng)時(shí)世界總電消費(fèi)量 104億 kWh的 %。新的風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)和制造廣泛采用了新技術(shù)和新材料，有效地改善并提高了風(fēng)力發(fā)電總體設(shè)計(jì)能力和水平。目前，主要風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)集中在歐美國家，全世 界風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商的前 10位供應(yīng)了世界新增裝機(jī)容量的 90% 以上的份額，集中度比較高。以美國為例，風(fēng)電機(jī) 組的造價(jià)和發(fā)電成本正逐年降低，達(dá)到可與常規(guī)發(fā)電設(shè)備不相上下的水平。我國的風(fēng)電開發(fā)起步較晚，大體分為三個(gè)階段。共建 5 個(gè)風(fēng)電場，安裝風(fēng)機(jī) 131臺(tái)，裝機(jī)容量 KW，最大單機(jī) 500KW。風(fēng)力發(fā)電這一朝陽產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來能源供給的支柱產(chǎn)業(yè)！ 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)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。 [3] 風(fēng)力發(fā)電 有如下 特點(diǎn) （ 1） 可再生，且清潔無污染。 本論文討論的是前者，即獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)的解決方案。（此時(shí)發(fā)出的是 頻 率和幅值都不穩(wěn) 定的交流電） 。此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電。氣動(dòng)升力是由飛行器的機(jī)翼產(chǎn)生的一種力，如圖 21。 風(fēng)力機(jī)的主要部件 水平軸風(fēng)力機(jī)主要由風(fēng)輪、塔架、對(duì)風(fēng)裝置、齒輪箱組成，整體結(jié)構(gòu)如圖 2— 2所示： （ 1） 風(fēng)輪：由 1~3個(gè)葉片組成，這是吸收風(fēng)能的主要部件。這時(shí)塔架需要承受兩個(gè)主要的載荷：一個(gè)是風(fēng)力機(jī)的重力，向下壓在塔架上；另一個(gè)是阻力，使 圖 22 風(fēng)力主要部結(jié)構(gòu)圖 塔架向風(fēng)的下游方向彎曲。由尾翼帶東水平軸旋轉(zhuǎn)，是風(fēng)輪總朝向風(fēng)吹來的方向。在裝機(jī)是 應(yīng)使其與輪轂相連。如果風(fēng)速增加一倍，風(fēng)的功率便會(huì)增加 8倍。 IV 發(fā)電機(jī) 結(jié)構(gòu)、工作原理及電路圖 本論 文提出的系統(tǒng)采用蓄電池組為勵(lì)磁功供電，并在蓄電池組合勵(lì)磁繞組之間串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。 圖 31 串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)葉片多數(shù)是固定槳距的，當(dāng)風(fēng)力變化時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化，與風(fēng)力機(jī) 相連的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化，因而發(fā)電機(jī)的出口電壓也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，這將導(dǎo)致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化，并造成勵(lì)磁磁場的變化，這樣又造成發(fā)電機(jī)出口電壓的波動(dòng)。 為了消除發(fā)電機(jī)輸出端電壓的波動(dòng)，該硅整流交流發(fā)電機(jī)配有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，如圖所示，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由 電壓繼電器 V電流繼電器 I逆流繼電器 I2及其所控制的動(dòng)斷觸電 V I1和動(dòng)合觸電 I2 以及電阻 R2等組成。 圖 32發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān) 系 VI 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)用戶投入的負(fù)載過多時(shí)，可能出現(xiàn)負(fù)載電流過大超過額定值的狀況，如果不加以控制，使發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的使用壽命有較大的影響，甚至損壞發(fā)電機(jī)的定子繞組。 圖 33發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系 為了防止無風(fēng)或風(fēng)速太低時(shí)，蓄電池組向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電，及蓄電池組由充電運(yùn)行變?yōu)榉错懛烹姞顟B(tài)，這不僅會(huì)消耗蓄電池組所儲(chǔ)電能，還可能燒毀勵(lì)磁繞組，因此在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝置內(nèi)，還裝有逆流繼電器 I2。 整流部分 由于自然界風(fēng)力的不穩(wěn)定性，交流發(fā)電機(jī)輸出的是不穩(wěn)定的交流電，頻率和幅值都在不斷地變化，而用戶需要的是正常頻率（即 50HZ）的穩(wěn)定交流電，因此必須進(jìn)行 AC— DC— AC變換，即 先經(jīng)過整流變成直流電，之后在經(jīng)過你變電路將之變成標(biāo)準(zhǔn)的交流電。圖511所示為單相橋式整流電路的 畫法。 在 u2的負(fù)半周，其極性與上述相反，即 b點(diǎn)的電壓高于 a點(diǎn)時(shí)， DD4 導(dǎo)通， D D3截止，電流由 b 經(jīng) D2→ RL→ D4→形成通路，如圖中虛線箭頭所示。 負(fù)載上得到的脈動(dòng)直流電壓，常用一個(gè)周期的平均值來說明它的大小。 參數(shù)選擇 由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓與輸出電流是會(huì)隨著風(fēng)速的波動(dòng)而發(fā)生很大變化的。 在整流回路中，經(jīng)常會(huì)出 現(xiàn)操作過電壓獲換向過電壓。本系統(tǒng)采用的是鉛蓄電池。蓄電池組在充電和放電的過程中，端電壓是不相等的，充電時(shí)端電壓高于電動(dòng)勢，放電時(shí)端電壓低于其電動(dòng)勢。影響其壽命的原因有很多，如充放電過 度、蓄電池的電解液濃度太大或者純度降低以及在高溫環(huán)境下使用等都會(huì)是蓄電池的性能變壞，降低蓄電池的使用壽命。 圖 36 蓄電池 充電曲線 圖 37 蓄電池 放電曲線 從蓄電池充放電曲線可見，如果充電電壓過高，將會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞用戶的電器；若放電電壓過低（放電電流太大或放電時(shí)間過長），不僅影響到用 XIV 戶電器的 正常使用，而且會(huì)縮短蓄電池的使用壽命。下面以 本論文 24V額定電壓為例，負(fù)荷最高充電電壓限制在 28~29V,最低放電電壓控制在 21~22V。并且在蓄電池組的輸出端引 XV 出兩線亦與逆變器相接，作為風(fēng)能不足時(shí)負(fù)載的供電電路，其通斷狀態(tài)用動(dòng)開觸點(diǎn) I2控制。 ( a ) ( b ) 圖 1443 單相橋式逆變電路原理 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆向過程，是通過功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)以頻率 Fs交替切換開關(guān)管 T T4 和 T T3 時(shí)，則在電阻 R 上獲得如圖 1443（ b）所示的交變電壓波形，其周期 Ts=1/fs，這樣，就將滯留電壓 Ud編程了交流電壓 Uo。 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路是主電路與控制電路之間的接口，是該逆變裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大影響。 對(duì) IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的基本要求如下： （ 1） 提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?,使 IGBT可靠的開通和關(guān)斷。 （ 5） 具有靈敏的過流保護(hù)能力。但是柵極電阻 RG不能太大也不能太小 ,如果 RG 增大 ,則開通關(guān)斷時(shí)間延長 ,使得開通能耗增加；相反 ,如果 RG太小 ,則使得 di/dt增加 ,容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通。 （ 6） 為了保證可靠的關(guān)斷與導(dǎo)通 ,在柵射極加穩(wěn)壓二極管。將該電氣設(shè)計(jì)接入風(fēng)機(jī)組和逆變電路之間，即可實(shí)現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)戶用型 50HZ交流電。在我撰寫論文的過程中， ***老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構(gòu)思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了羅老師悉心細(xì)致的教誨和無私的幫助，特別是他 XXII 廣博的學(xué)識(shí)、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我終生受益，在此表示 真誠地感謝和深深的謝意。首先，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)了限速控制系統(tǒng)。s overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small winddriven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is posed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp。 可以說，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們從事風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的同學(xué)是有著十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義的，也是十分有必要的。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力供應(yīng)困難。在這些地區(qū)，利用汽油／柴油發(fā)電機(jī)的供電，考慮油料的運(yùn)輸成本，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本也要高于 6 元 /KW。為了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)務(wù)之急是尋找和研究利用其他可再生資源。 促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)升級(jí) 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)屬于新興技術(shù)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè)。冰山消融、海平面升高、大 氣環(huán)流和海洋異常導(dǎo)致自然災(zāi)害的頻發(fā)、土地沙漠化，使 “ 地球村 ” 的效應(yīng)更加明顯，各國都認(rèn)識(shí)到必須共同采取措施減緩和影響這種變化。 社會(huì)驅(qū)動(dòng)力 風(fēng)能份額增加時(shí)，會(huì)創(chuàng)造很多直接和間接的就業(yè)機(jī)會(huì) 。綠色電力的發(fā)展就是一個(gè)典型的例予，人們自愿以高于化石電力的價(jià)格購買風(fēng)電和其他可再生能源電力。 1987 年加拿大研制出單機(jī)容量為 的立軸達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝于魁北 克省的凱普一柴特。世界風(fēng)電總裝機(jī)容量 1997 年底為 746 萬 KW，1998 年底為 1015 萬 KW， 1999 年底風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究為 1393 萬 KW， 2020 年達(dá) 1845 萬 KW， 2020 年達(dá) 2493萬 KW， 2020 年達(dá) 3112KW，平均年增長率在 30%以上。目前風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)組的研制開發(fā)重點(diǎn)分兩方面，一是 1KW 以下獨(dú)力運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，二是 100KW 以上并網(wǎng)運(yùn)行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。特別近年來，中國的風(fēng)力風(fēng)電場建設(shè)取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的發(fā)展。目前主流發(fā)電機(jī)組的功率，以上升到 600～ 750KW， MW級(jí)的機(jī)組也成批生產(chǎn)， 24MW 級(jí)的機(jī)組已在實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)。槳葉材料由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂發(fā)展為強(qiáng)度高、重量輕的碳纖維。例如，在美國，國家可再 6 生能源實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)了一種新型葉片，比早期的一些風(fēng)力機(jī)槳葉捕捉風(fēng)能的能力要大 20%。在 50m 高處捕提的風(fēng)能要比 30m 高處多 20%。這是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。 工作風(fēng)速與輸出功率 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率 最理想的風(fēng)力機(jī)也不可能吸收全部的風(fēng)能，而只能吸收部分風(fēng)能。實(shí)際風(fēng)力機(jī)吸收的功率與理想風(fēng)力機(jī)吸收的功率的比值叫做風(fēng)力機(jī)的效率。 η 3 工作風(fēng)速與輸出功率 風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定的力矩。 當(dāng)風(fēng)速超過某一值的時(shí)候，基于安全上的考慮 (主要是塔架和槳葉強(qiáng)度 )，風(fēng)力機(jī)應(yīng)該停止運(yùn)轉(zhuǎn)，所以每一臺(tái)風(fēng)力機(jī)都規(guī)定有最高風(fēng)速 Vfmax，最高風(fēng)速 Vfmax與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有關(guān)，是設(shè)計(jì)時(shí)給定的參數(shù)。 （ 1） 雙參數(shù)威布爾分布 風(fēng)能就是流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能。不同地區(qū)，不同時(shí)期參數(shù) K、 C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù) 30年的風(fēng)資料算出該地的 K、C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖 22。 雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對(duì)應(yīng)的凡就是起動(dòng)風(fēng)速 (圖 22)。 己知風(fēng)能密度 p=12ρv3，對(duì)一臺(tái)效率為 ?，槳葉半徑為廠的風(fēng)力機(jī)，輸出功率 w(V)的威布爾分布函數(shù)為 w(V)峰值對(duì)應(yīng)之風(fēng)速 VP應(yīng)是額定風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)力機(jī)提取的風(fēng)能最多。使用起動(dòng)力風(fēng)速大于上式計(jì)算的氣的風(fēng)力機(jī)會(huì)損失小風(fēng)速這一區(qū)段的風(fēng)能，使用起動(dòng)風(fēng)速小于上式計(jì)算的咋的風(fēng)力機(jī)是否更好呢 ?表面看低風(fēng)速的風(fēng)能得到更 多的利用，深入研究可知在之氣的較高風(fēng)速區(qū)風(fēng)能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結(jié)果的風(fēng)力機(jī)最為理想。 10 圖 22 威布爾分布函數(shù)曲線 上式滿足 (24) （ 2）起動(dòng)風(fēng)速 啟動(dòng)風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開始轉(zhuǎn)動(dòng)并能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速 :風(fēng)力機(jī)分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一 形式還有若干種規(guī)格，只有科學(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機(jī)，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。 風(fēng)速 V是隨機(jī)變量，經(jīng)研究專家們多 認(rèn)為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風(fēng)速頻率分布最好腳。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱功率時(shí)的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。啟動(dòng)力矩主要與風(fēng)力機(jī)本身的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦阻力有關(guān) 另外還有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率甲 η 2和發(fā)電機(jī)的效率 η 3等，所以實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的效率，可以表示為 9 η = η 1但是，風(fēng)力機(jī)在制做過程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。 7 2 風(fēng)力機(jī)理論 基本公式 風(fēng)能利用系數(shù) 風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收的