【正文】 在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中，蓄電池組是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時，就需要逆變電路。該電容由內(nèi)部 VREF 的 50μA 恒流源充電。 12腳：公共端，接電源負(fù)端。 (2) 在 TOFF期間，如圖 (b)所示， Tr截止， D正偏導(dǎo)通，將輸 入輸出環(huán)路閉合。觀察 Vs、 LC、 D 回路， VL1是 VC 與 Vs 決定的。這時電源輸入和 L1的釋能電流 i1向 C充電，同時 L2 的釋能電流 i 以維持負(fù)載。DC/DC 變換器類有 四種基本類型； 降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、 Cuk斬波電路。這時需進(jìn)行限壓充電，這就是恒流限壓的含義。 2. 深放電后，充電參數(shù)的選擇原則是防止過大的熱沖擊。因此，要想提高電池的使用壽命，必須嚴(yán)格遵循充電電流不得超過電池所允許的最大充電電流的規(guī)定，過大的充電電流會導(dǎo)致蓄電 池使用壽命的縮短。如圖 中 100％放 電后的電池風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計 22 在 250C 時進(jìn)行恒壓限流充電（電壓為 、電流為 ）， 24 小時 時左右可以充電至放電量 100％以上。鉛酸蓄電池的自放電相對鎳鎘電池來講比較嚴(yán)重，經(jīng)驗表明，鉛酸蓄電池在閑置一個月后，自放電達(dá) 30％左右。當(dāng)充電速率較低時，充電時所產(chǎn)生的氧氣可以被及時吸收，因此電池的極化現(xiàn)象很輕，一般不會對電池造成很大的傷害；當(dāng)高速率恒流充電時，這一現(xiàn)象則不容忽視。放電速率的描述和充電速率相同。原電池只能使用一次，即我們所說的干電池，蓄電池可以多次反復(fù)使用。電容濾波電路如圖所示 。 時 ,整流電壓平均值為： 223 6 s in ( ) 2 . 3 4 [ 1 c o s ( ) ]3dU U td t U??? ?? ? ?? ?? ? ? ?? 三相橋式全控整流電路接反電動勢阻感負(fù)載時，在負(fù)載電感足夠大足以使負(fù)載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負(fù)載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同，僅在計算 Id時有所不同，接反電動勢阻感負(fù)載時的 Id為： dd UEI R?? ； 三相不可控整流電路 在三相不控整流電路中，使用最多的也是三相橋式整流 電路，一般三相橋式整流電路是由三相輸入變壓器、六只整流二極管、及負(fù)載組成。 ；共陰極組的脈沖依次差 120。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為222 22 UU和。 ③ 在風(fēng)力發(fā)電正常，逆變器出現(xiàn)故障或輸出過載時，裝置工作在旁路狀態(tài)，靜態(tài)開關(guān)切換到市電直接給負(fù)載供電。為了減少充電時間，各種快速充電電路在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中也得到了應(yīng)用。另外發(fā)電機(jī)運行時，既可超同步速運行，也可亞同步速運行，變速運行的范圍比較寬。本文主要研究風(fēng)力發(fā)電的電能變換及其裝置，介紹和比較各電力電子電 路的特性，選擇風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置適合的電路，使風(fēng)能通過整流，充電電路，蓄電池組的儲能，逆變器電路和斬波電路再通過靜態(tài)開關(guān)的切換和控制電路的控制檢測保護(hù)電路的控制監(jiān)測使其能夠輸出恒久穩(wěn)定的電壓，從而利用風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置達(dá)到風(fēng)力發(fā)電的要求和目標(biāo)。異步發(fā)電機(jī)的頻率由大系統(tǒng)來決定，風(fēng)能的變化將引起異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差的 變化，相應(yīng)地其注入電網(wǎng)的有功和吸收的無功也要隨著風(fēng)速的變化而變化，這將導(dǎo)致系統(tǒng)，特別是風(fēng)電場附近電網(wǎng)母線電壓的波動，嚴(yán)重時還可能引起電壓閃變。在返修的 UPS 中，由于蓄電池的故障而引起的風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置不能正常工作的比例占 1/3?？刂齐娐肥秋L(fēng)力發(fā)電電能變風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計 9 換裝置的神經(jīng)中樞，其輸出電壓精度高低、波形失真大小以及長期工作可靠性的高低均與控制電路密切相關(guān)。 單相半波可控整流 單相半波整流電路，是電路中采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，支流輸出電壓 Ud 為極性不變但瞬時值變化的脈動直流，其波形只在正半周內(nèi)出現(xiàn)，所以叫半波整流。 三相可控整流電路 當(dāng)整流負(fù)載容量教大，或要求直流電壓脈動較小時，應(yīng)采用三相整流電路，其交流風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計 13 側(cè)由三相電源供電。當(dāng)α 60。也就是說，整流器輸出的電壓，可以看成的一個直流成分和多個不同交流成分之和，而且頻率越低者，振幅越大，頻率愈高者，振幅愈小。 RC濾波電路的濾波效果取決于電阻 R 和電容器的大小，電阻 R、電容器 C愈大則濾波效果愈好。因此，在風(fēng)力發(fā)電的電能變換裝置中，選用鉛酸蓄電池。這是因為電池在低電流過充電時所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象較輕，同時 電池的熱量可以及時地向空中散發(fā)，基本上不會對電池造成傷害。 9. 自放電現(xiàn)象 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計 21 當(dāng)電池處于閑置不用（非工作狀態(tài)）時，雖然沒有電流流過蓄電池，但電池內(nèi)的 活性物質(zhì)與電解液間自發(fā)的反應(yīng)卻一直在進(jìn)行，這造成了電池內(nèi)的化學(xué)能量無益的損耗，使電池的容量下降，通常將這種現(xiàn)象稱為電池的自放電。對于不同蓄電 池生產(chǎn)廠家，蓄電池的浮充設(shè)計壽命也會不同。 在充放電狀態(tài)下，鉛酸蓄電池的正、負(fù)極板上在進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生正 負(fù)離子形成電流，稱為成流反應(yīng)。 ② .實時監(jiān)測蓄電池組的環(huán)境溫度。充電系 統(tǒng)由充電裝置和被充蓄電池組組成二元閉環(huán)回路，充電裝置根據(jù)電池的狀 態(tài)確定充電工藝參數(shù)，充電電流從始至終處在電池的可接受充電電流曲線附近，使電池幾乎在無氣體析出的條件下充電，做到既節(jié)約用電又對電池?zé)o損傷。 浮充時，須將充電電壓穩(wěn)定在蓄電池的額定電壓附近 (比主充最高限壓 VJ要 低）。設(shè)晶體管開關(guān)周期為 Ts，導(dǎo)通期為 Ton=Dts，截止期 為 Toff=（ 1D1）Ts， D1=Ton/Ts 為導(dǎo)通占空比。這樣 Vc 可認(rèn)為是恒定電壓。這種隔離方法的顯著特點，是變壓器的兩個繞組 被 Ca 及 Cb 隔離了直流，原、 副邊繞組均無直流通過，因此磁芯不需加空隙。 由上式可知， a的控制可等效的看成是把負(fù)荷電阻連續(xù)地變化。輸出端為圖騰式，屬于低阻抗輸出，適合用于驅(qū)動 MOS功率 管。 MOS 的一大特點是輸入電阻極高，但同時其輸 入電容也很大（幾千 PF），所以仍然要用低阻抗電路驅(qū)動，使 Cgs在死區(qū)時間內(nèi) 能快速放電。但從通態(tài)向斷態(tài)轉(zhuǎn)移的。但通常要求驅(qū)動電壓峰值為 10～ 15V，保證開關(guān)管飽和。 3腳：振蕩器外同步。 從太陽能電池側(cè)來看負(fù)荷電路， DC／ DC變 換器的電抗 L 十分大， 且假定二極管和MOSFET 的正向電壓降很小，則系統(tǒng)可簡化如圖 。 圖 有隔離變壓器的 Cuk變換器 因為用的是 1： l 的變壓隔離器，且 Ca＝ Cb=2C 所以輸入和輸出電路中的 電壓和電流，與原始非隔離型完全相同。 (a)為連續(xù)工作模式 (b)為不連續(xù)工作模式。 (b)為流經(jīng)二 個電感的電流波形。 均充階段實際是風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計 26 用小電流（約 20h 率的電流）進(jìn)行 lh～ 3h 的過充電過程。 充電過程 對于免維護(hù)鉛酸蓄電池來講，常用的充電方式有恒流限壓和恒壓限流兩種充電 方風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計 25 式，然而，單獨采用其中的一種充電方式，沒有動態(tài)跟蹤電池的實際狀態(tài)和可接受充電電流大小的技術(shù)，對免維護(hù)鉛酸蓄電池的充電效果不是很理想。后者正是智能充電裝置的控制器要完成的功能。 V/單格CoCo1 2 6 10 30min min 1 2 20h h端子電壓 圖 鉛酸蓄電池的放電特性 鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池由正極板（二氧化鉛）、負(fù)極板 (海棉狀鉛 )以及電解液（硫酸）組成。由子采用了耐腐蝕的鉛鈣合金板柵，其壽命要高于鉛酸蓄電 池，而與鎳鎘電池相當(dāng)。根據(jù)前面所介紹的放電深度的概念中可以看出，放電深度不同 ，電池的循環(huán)壽命是不同的。這是因為在過充電階段電池內(nèi)部所進(jìn)行的反應(yīng)為消耗反應(yīng)，它會增大電池內(nèi)部的壓力，同時，由于氧氣的產(chǎn)生和吸收都是放熱反應(yīng)，這就使電池溫度迅速上升。因為它們具有較大的內(nèi)阻，從而限制了峰值放電電流，使它們比較適用子長期電流消耗要求較小的產(chǎn)品。其電路如圖所示 。依次類推，負(fù)載 R 上得到的脈動直流電壓 U 在一個周期內(nèi)，有 6 次為變壓器次級電壓的線電壓值，而每一次的線電壓均為兩相相電壓之和，即 ()ab a b a bu u u u u? ? ? ? ? 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計 16 ()ac a cu u u? ? ? ()bc b cu u u? ? ? 故在任意時間里，整流電壓的瞬時值等于對應(yīng)的兩相電壓瞬時值之和。 時， ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓 ud 波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。此時， ud=0,不像全控橋電路那樣出現(xiàn)負(fù)值。 整流電路主要的分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置一般采用一對反向并聯(lián)的快速可控硅作為靜態(tài)開關(guān)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電正風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計 8 常時，蓄電池由直流電源對其充電，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能而儲存起來；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電供應(yīng)中斷時，裝置用儲存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作，此時蓄電池通過放電將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供給系統(tǒng)使用，因此蓄電池是一種可逆電源。 (4) 異步發(fā)電機(jī) 目前，大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)一般采用異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)的運行方式。 (2) 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動慣量大 風(fēng)能密度分布相對比較低，為了盡可能捕獲較多的風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動的葉片直徑必須做的很大，典型的商業(yè)化中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動葉片直徑大概在 20m～ 60m 之間。缺點是交流勵磁發(fā)電機(jī)仍然有滑環(huán)和電刷。它具有效率高、體積小、重量輕、成本底等優(yōu)點，現(xiàn)在廣泛地用于 USP 和風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的直流 — 直流變換器和功率因數(shù)校正電路中，對整流電壓或蓄電池電壓進(jìn)行升、降壓和穩(wěn)壓。 控制、監(jiān)測、顯示、告警及保護(hù)電路提供逆變、充電、靜態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換所需的控制信號，并顯示其各工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)過電壓、過電流、短路、過熱時及時報警，同時提供相應(yīng)的保護(hù)。 T0αu id d( )udωπidVT VTVT VT1234udu 2idRti 2 圖 單相橋式全控整流電路及波形 TRαudαxudu10VT12iVT 1風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計 12 由于在交流電源的正負(fù)半周都有整流輸出電流流過負(fù)載，故該電路為全波整流。 ；同一相的上下兩個橋臂的脈沖相差 180。但在風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置中，要將風(fēng)能盡可能的轉(zhuǎn)化為電能，因此選用三相不可控整流電路，因為三相不可控整流電路是直接由電流來控制二極管導(dǎo)通的，不用考慮觸發(fā)角的問題。其電路如圖所示 圖 L形濾波電路 L型濾波電路利用扼流圈 L對脈動電流的交流成分產(chǎn)生較大的衰減，而電容又對交流成分旁路的特點，使電容電感相互配合，大大改善濾波效果。這種反向充電補(bǔ)充能量的過程即是電池充電過程，而電池將自身的能量以電能的形式供給外線路的過程即放電過程。 放電終止電壓是指蓄電池可放電的最低電壓，如果電壓低于放電終止電壓后繼 續(xù)放電，電池兩段電 壓會迅速下降，形成過放電。它不僅使電池發(fā)熱，而且降低了 電池的效率 ，同時也加速了電池的老化。 免維護(hù)鉛酸蓄電池的特性 免維護(hù)鉛酸蓄電池的特點 與普通蓄電池相比，免維護(hù)鉛酸蓄電池具有以下特點： (1) 由于是全 密封結(jié)構(gòu)，使用中不會發(fā)主漏液現(xiàn)象，充電時幾乎不產(chǎn)主酸霧或 其它有害氣體，在壽命期內(nèi)無需加液，真正做到了免維護(hù)，十分適合于無人值守變電的運行。采用適當(dāng)?shù)母〕潆?壓，免維護(hù)鉛酸蓄電池的浮充壽命可達(dá) 10 年以上。它既可作 為正常運行時的操作（合閘等）電源，又可作為事故停電后的后備電源，在變電站的安全運行中起著不可替代的作用。 3. 防止充電不足。 對于一組正在充電的蓄電池，雖然蓄電池組的所有電池都處在同樣條件下 運 行，但由于某種原因，有可能造成全組電池不均衡。因此，本課題的風(fēng)力發(fā)電電能變換裝置的DC/DC 電路單元采用 Cuk 變換器。 由此可見，這個電路無論在 Ton 及 Toff 期間，都從輸入向輸出傳遞功率。上述的作用過程示于圖 (a)的 D2TS 區(qū)間。 風(fēng)力發(fā)電電能變換 裝置的畢業(yè)設(shè)計 31 由此可見，有隔離 Cuk 變換器也和原始 Cuk 變換器一樣，無論 TCN期間 還是在 ToFF期間，都從輸入向輸出傳遞功率，而不像其它單端變熱器哪樣，只 在其中一個期間才從輸入向輸出傳遞功率。 6腳：外接定時電容， Rr=2～ 150kV。 7腳：與 5角外接電阻用于控制死區(qū)電壓。 逆變電路的基本工作原理是在電路中通過兩組開關(guān)的閉合和斷開改變負(fù)載的電壓方向，使負(fù)載電壓為正或為負(fù)，從而將直流電變成了交流電，通過改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出 交流電的頻率。在不加說明時，逆變電路一般多指無源逆變電路。 誤差放犬器用于外接反饋電壓，并與外接基準(zhǔn)電壓相比鉸，實現(xiàn)調(diào)寬穩(wěn)壓的 目的。 SG525A 是用于驅(qū)動 N 溝道 MOSFRT 管的第二代脈沖寬度控制器，它的功能方 框圖見圖 。