【正文】 威布爾分布函數(shù)形如下式 其中 K為形狀參數(shù)，無量綱， C為尺度參數(shù)，量綱為 ms1。 因此風(fēng)力機(jī)有一最低工作風(fēng)速稱 Vfmin，只有風(fēng)速大于 Vfmin時(shí)風(fēng)力機(jī)才能工作。因此實(shí)際的風(fēng)力機(jī)和理想的風(fēng)力機(jī)之間也有差異。其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也較低。對(duì)葉型的進(jìn)一步改進(jìn)，增強(qiáng)了風(fēng)力機(jī)捕捉風(fēng)能的效率。 風(fēng)力發(fā)電展望 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前還在不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在單機(jī)容量不斷增大上。 中國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 中國風(fēng)力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。 1987 年美國研制出單機(jī)容量為 的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。風(fēng)能在能源轉(zhuǎn)化工程中不會(huì)產(chǎn)生任何排放量，因此除了不產(chǎn)生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會(huì)帶來全球環(huán)境污染。風(fēng)能的 開發(fā)利用可以減少對(duì)國外能源的依賴，并加強(qiáng)本國的能源供應(yīng)安全水平，國內(nèi)的化石能源價(jià)格變化較小，社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性也因此而增強(qiáng)。如果用電網(wǎng)延伸的方法，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本高于 8元 /KW。由能源問題引發(fā)的危機(jī)以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認(rèn)識(shí)到開發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。在此基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)作了細(xì)致的分析。然后用 MATLAB對(duì)整個(gè)實(shí)際電路進(jìn)行了詳細(xì)的仿真，結(jié)果表明，在接入仿真三相交流電的情況下，各個(gè)輸出端的輸出達(dá)到了預(yù)期的要求，證明了方案的切實(shí)可行和正確無誤。 （ 2） 由于 IGBT 集電極產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖 ,增加 IGBT柵極串聯(lián)電阻 RG有利于其安全工作。 簡言之，驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是按照控制目標(biāo)的要求， 將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大 ,轉(zhuǎn)換為加在 IGBT控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào) ，從而驅(qū)動(dòng) IGBT，保證其可靠工作 。當(dāng)開關(guān)管 T T4閉合， T T3斷開時(shí)，逆變器輸出電壓 Uo=Ud；當(dāng)開關(guān)管T T4斷開， T T3閉合時(shí)，輸出電壓 Uo=Ud。 蓄電池組供電控制設(shè)計(jì) 控制電路如下圖 3— 9所示，在整流輸出端引出兩線，與逆變器相接，為負(fù)載供電，其通斷狀態(tài)用動(dòng)合觸點(diǎn) I2控制。圖中縱坐標(biāo)為蓄電池充、放電端電壓，曲線標(biāo)號(hào)數(shù)字為相應(yīng)小時(shí)的充、放電曲線。當(dāng) 外電路閉合時(shí)，蓄電池組正負(fù)兩極間的電位差即為蓄電池組的端電壓。假設(shè) 100W風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電壓經(jīng)過整流后，負(fù)荷的額定直流電壓 Uz0=24V，帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的最高電壓 28zmUV? ，最大負(fù)載電流 0 ? ，依式 4— 1 所示計(jì)算出，元件承受的最大正、反向峰值電壓為 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) XII 28 ( )m zmU U V? ? ? ? 元件流過的最大電流為 00 .5 8 7 0 .5 8 7 4 .6 2 .7 ( )mzI I A? ? ? ? 由上式計(jì)算結(jié)果，可選擇最大電流 5A，最大反向電壓 50V的硅二極管。 下面討論單相橋式整流電路的定量關(guān)系及元件選擇。 單相橋式整流電路由 4 個(gè)二極管接成橋式電路， RL 為負(fù)載電阻。電流繼電器工作時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖 3— 3所示。此外獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都帶有蓄電池組，電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致蓄電池組的過充電，從而降低蓄電池組的使用壽命。 第三章 電氣設(shè)計(jì)部分 發(fā)電機(jī) 在本論文討論的獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用的是硅整流自勵(lì) 單 相交流發(fā)電機(jī)。齒輪箱的主要作用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，通過齒輪副的增速作用使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。 （ 2） 塔架：為了讓風(fēng)輪能在較高的風(fēng)速中運(yùn)行，需要塔架把風(fēng)輪支撐起來。 風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組主要利用氣動(dòng)升力的風(fēng)輪。 （ 3） 轉(zhuǎn)軸帶動(dòng) 單 相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開始發(fā)電。然后在依據(jù)具體要求需要，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q將其存儲(chǔ)為化學(xué)能或者并網(wǎng)或者直接為負(fù)載供電。 第二階段是 1991～ 1995 年示范項(xiàng)目取得成效并逐步推廣階段。由于新技術(shù)的運(yùn)用，風(fēng)電的電價(jià)呈快速下降趨勢，且日益接近燃煤發(fā)電的成本。風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量已從 600KW發(fā)展到 2020～ 5000KW,如德國在北海和易北河口已批量安裝了單機(jī) 5000KW 的風(fēng)機(jī) ,丹麥已批量建設(shè)了單機(jī)容量 2020～ 2200KW 的風(fēng)機(jī)。作為可再生的清潔能源，受到世界各國的高度重視。 系統(tǒng)的運(yùn)行狀況采用繼電控制電路監(jiān)控和切換。 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)姆治觯詈箅姎饪刂撇糠诌M(jìn)行了系統(tǒng)仿真。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。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。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。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。 [3] 風(fēng)力發(fā)電 有如下 特點(diǎn) （ 1） 可再生，且清潔無污染。（此時(shí)發(fā)出的是 頻 率和幅值都不穩(wěn) 定的交流電） 。氣動(dòng)升力是由飛行器的機(jī)翼產(chǎn)生的一種力，如圖 21。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。在裝機(jī)是 應(yīng)使其與輪轂相連。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。 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 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。圖511所示為單相橋式整流電路的 畫法。 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。 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。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。 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），不僅影響到用湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) XIV 戶電器的 正常使用，而且會(huì)縮短蓄電池的使用壽命。并且在蓄電池組的輸出端引湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。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。 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。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。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。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)。 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。 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)。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 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)。 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。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。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)。例如，在美國，國家可再生能源實(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%。這是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。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。 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) 。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。 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。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) 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。由于他被設(shè)計(jì) 成在幾乎所有的風(fēng)況下都能獲得較大的空氣動(dòng)力效率，因而提高了捕捉風(fēng)能的效率，試驗(yàn)表明，在平均風(fēng)速 ，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要比恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多捕獲 15%的風(fēng)能，同時(shí)每由于機(jī)艙重量減輕和改善了傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的受力狀況，可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)減輕，塔架等基礎(chǔ)費(fèi)用也可降低。早期的一些風(fēng)力機(jī)槳葉是根據(jù)直升飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)的，而風(fēng)力機(jī)的槳葉運(yùn)行在與直升飛機(jī)很不同的空氣動(dòng)力環(huán)境中。目前正處 于前期工作階段和正在建設(shè)的風(fēng)電場以遍及 10 多個(gè)省、市和自治區(qū)。世界能源委員會(huì)預(yù)計(jì)，全世界到 2020年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量可達(dá) 億～ 億 KW。 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 80 年代以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制取得了巨大進(jìn)展。這也迫使人們重視尋找其他可再生的替代能源。一些國家要靠進(jìn)口化石能源來滿足本國內(nèi)能源的消費(fèi)。例如在內(nèi)蒙古農(nóng)牧區(qū)，利用小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本約2 元 /KW 左右。因此，能源和環(huán)境問題成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。 最后，向在百忙中抽出時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行評(píng)審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地，真誠的感謝！ 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) XXIII 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘要 基于開發(fā)風(fēng)能資源在改善能源結(jié)構(gòu)中的重要意義，本論文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性作了簡要的介紹，且對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各種參數(shù)和風(fēng)力機(jī)類型作了必要的說明。論文 的重點(diǎn)在于電氣設(shè)計(jì)部分，因此作者對(duì)電氣設(shè)計(jì)各部分進(jìn)行了具體的論證分析，用 OMRON編程軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了邏輯電路的設(shè)計(jì)及仿真，證明電路的邏輯性正確無誤，做到了按照作者的設(shè)計(jì)要求切換電路。 其典型接線方法如圖 3— 13： 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) XVIII 圖 312 EX840/EX841 集成電路接線方法 使用時(shí)注意如下幾點(diǎn)： （ 1） IGBT 柵 射極驅(qū)動(dòng)回路往返接線不能太長 (一般應(yīng)該小于1m),并且應(yīng)該采用雙絞線接法 ,防止干擾?？煽啃院桶踩远加兄匾囊饬x。 圖中 Ud為輸入直流電壓， Uo為輸出交 流電壓， R為逆變器的輸出負(fù)載。 放電時(shí)，當(dāng)蓄 電池電壓高于 21V 時(shí)，繼電器 V3 工作，其控制的動(dòng)合觸點(diǎn) V3閉合，保持放電狀態(tài)；當(dāng)該電壓低于 21V時(shí)，繼電器 V3停止工作，其控制的動(dòng)合觸點(diǎn) V3斷開，從而斷開了放電電路 。圖 3— 3— 7分別是蓄電池典型的充放電曲線。 本論文采用 12節(jié)鉛蓄電池串聯(lián)，組 成24V 的蓄電池組。 整流管的參數(shù)應(yīng)根據(jù)其在電路中可能承受的最大正、反向峰值電壓和流過的最大工作電流來 選擇。 有上述可見，盡管 u2的方向是交變的，通過負(fù)載 RL的電流 io及其兩端電壓 uo的方向都不變，因此 在負(fù)載上得到大小變化而方向不變的脈動(dòng)湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) IX 直流電流和電壓， uo、 io及二極管承受的電壓 uD的波形如圖 512（ b）、（ d）所示。 電路圖和工作原理 目前在所有的整流電路中采用最廣泛的是 單 相橋式全 波 整流電路，本系統(tǒng)亦采用了 該 整流電路。電流繼電器 I1的動(dòng)斷觸點(diǎn) I1串接在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁 回路中，發(fā)電機(jī)輸出的負(fù)荷電流則通過電流繼電器的繞組；當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電流低于額定值時(shí)，繼電器不工作，動(dòng)斷觸點(diǎn) I1閉合，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電流高于額定值時(shí)，動(dòng)斷觸點(diǎn) I1斷開，電阻 R2被串入勵(lì)磁回路，勵(lì)磁電流減小，從而降低了發(fā)電機(jī)輸出端的電壓，并減小了負(fù)載電流。顯而易見，如果電壓的波動(dòng)得不到控制，在向負(fù)載供電的情況下，將會(huì)影湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) V 響供電質(zhì)量，甚至損壞用電設(shè)備。 眾所周知，如果接近風(fēng)力機(jī)的空氣全部動(dòng)能都被風(fēng)力機(jī)全部吸收，那么風(fēng)輪后的空氣就不動(dòng)了，然而空氣當(dāng)