【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 勵(lì)磁，永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工及裝配比較容易。一般小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁鋼安置在轉(zhuǎn)子上。由于這類發(fā)電機(jī)省掉了一般同步發(fā)電機(jī)的電刷、滑環(huán)和勵(lì)磁繞組 ,從而節(jié)約了成本。特別是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)直接與風(fēng)輪耦合 ,安置于機(jī)組頂端的空中無(wú)需經(jīng)常對(duì)電刷和滑環(huán)維護(hù) ,提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 整流器 整流電路 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 整流器的主要功能是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電進(jìn)行整流，整流后的直流 電經(jīng)過(guò)控制器再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種，可控整流器主要應(yīng)用在功率較大的系統(tǒng)中，可以減小電感過(guò)大帶來(lái)的體積大、損耗大等缺點(diǎn)；不可控整流器主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)中。 目前在我國(guó)小型型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大量使用的是橋式不可控整流方式，如圖 213所示。因?yàn)樗啥O管組成，具有功耗低、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 圖 24 三相不可控整流 三相整流器除了把輸入的三相交流電能整流為可對(duì)蓄電池充電的直流電能之外，另外一個(gè)重要的功能是在外界風(fēng)速過(guò)小或者基本沒(méi)風(fēng)的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電 機(jī)的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導(dǎo)通方向只能是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向供電。 DCDC 變換器 DCDC功率變換器的種類很多。按照輸入 /輸出電路是否隔離來(lái)分，可分為非隔離型和隔離型兩大類。非隔離型的 DCDC變換器又可分為降壓式、升壓式、極性反轉(zhuǎn)式等幾種；隔離型的 DCDC變換器又可分為單端正激式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等幾種。 DC/DC 變換器將直流電源能量傳送到負(fù)載并加以控制，得到另一個(gè)直流輸出電壓或電流。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷 時(shí)間長(zhǎng)短控制，即控制從電源端到負(fù)載端傳送的內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 能量。 DC/DC 變換器主要包括 Buck、 Boost、 BuckBoost、 Cuk 變換器 4種。以 Buck變換器為例，如圖 25，通過(guò)在功率開(kāi)關(guān)管的控制端施加周期一定，占空比可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 Q導(dǎo)通時(shí)，二極管 D截止，發(fā)電機(jī)輸出電壓整流后通過(guò)能量傳遞電感向負(fù)載供電，同時(shí)使電感 能量增加；當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感釋放能量使續(xù)流二極管 D導(dǎo)通，在此階段，電感 L把前一段的能量向負(fù)載釋放，使輸出電壓極性不變且比較平直。濾波電容 C使輸出電壓的紋波進(jìn)一步減小 。顯然，功率管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，傳遞的能量越多，輸出電壓越高。 圖 25 Buck變換電路 DC/DC 變換器的輸入阻抗的大小可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)電源的占空比來(lái)改變。這種控制性能正好被用在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的輸出電流，改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性，即調(diào)節(jié)了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性，從而控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速用來(lái)改變?nèi)~尖速比，這樣就控制了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率。 蓄電池 蓄電池的工作原理 在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池起著儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能的作用。其它器件或技術(shù) 也有被利用來(lái)進(jìn)行能量存儲(chǔ)的，比如微型水泵、壓縮空氣或飛輪等，但是在小規(guī)模風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中，這些儲(chǔ)能方式都不是很經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)，隨著燃料電池和電解槽技術(shù)的發(fā)展，氫氣作為一種能量存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)入人們的視野，這是一種比較有前途的技術(shù)方向。但是要大范圍的應(yīng)用，還有很多技術(shù)難題待解決。 在本系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)力很大致使產(chǎn)生的電能過(guò)剩時(shí)，蓄電池將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái) 。反之，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量不足或負(fù)載用電量大的時(shí)候，蓄電池向負(fù)載補(bǔ)充電能，并保持供內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 10 電電壓的穩(wěn)定。鉛酸蓄電池由于具有容量大，成本低，循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，一直是小型電力系統(tǒng)的首選儲(chǔ)能設(shè) 備。 蓄電池正負(fù)極板上的活性物質(zhì)分別是二氧化鉛（ 2pbo ）和海綿狀鉛（ pb ），它們與電解液中的硫酸接觸，負(fù)極板上鉛不斷解離為正二價(jià)的鉛離子（ ?2pb ）和電子，鉛離子融入電解液中，電子留在負(fù)極板上。隨著化學(xué)反應(yīng)不斷的進(jìn)行，負(fù)極板上的負(fù)電荷逐漸增加，對(duì)電解液中的鉛離子的吸引力也不斷的加大，使得部分的鉛離子獲得電子沉積到負(fù)極板的表面。當(dāng)離開(kāi)和沉積到負(fù)極板表面的鉛離子相等，即氧化和還原的速度趨于平衡 時(shí)，負(fù)極板與電解液間形成穩(wěn)定的電位差 (大約 )。正極板上的二氧化鉛（ 2pbo ）在電解液的作用下解離為鉛離子（ ?2pb ），既（ 2pbo ）從極板獲得電子還原為（ ?2pb ）進(jìn)入電解液，同時(shí)電解液中的部分 ?2pb 失去電子氧化為?4pb ，當(dāng)氧化和還原的速度平衡時(shí)，正極板與電解液之間形成 +。正、負(fù)極板與電解液之間的都存在著電位差，從整體看正極與負(fù)極的電位差有 也就是蓄電池的單體電壓。 蓄電池與負(fù)載相接時(shí)，是它的放電過(guò)程，其化學(xué)反應(yīng)方程式為 : pb + 42SOH + 2pbo 2 4pbso + OH2 （ 21） 放電過(guò)程中，負(fù)極板上的海綿狀鉛 (pb )，正極板上二氧化鉛（ 2pbo )與電解液中的硫酸 ( 42SOH )反應(yīng)，生成硫酸鉛 ( 4pbso )。電解液中消耗了硫酸 ( 42SOH )分子，增加了水 ( OH2 )分子，電解液中的硫酸濃度降低，蓄電池內(nèi)阻逐漸增大，電動(dòng)勢(shì)逐漸降低。 蓄 電池的充電過(guò)程是放電過(guò)程的逆過(guò)程，是在外電源作用下的電化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)方程式為 : 4pbso + 4pbso + OH2 pb + 42SOH + 2pbo （ 22） 充電過(guò)程中，在外電源的作用下，正極板上的硫酸鉛（ 4pbso ）逐漸恢復(fù)成二氧化鉛（ 2pbo )。負(fù)極板上的硫酸鉛（ 4pbso )逐漸恢復(fù)成海綿狀鉛（ pb ），電解液中的硫酸濃度增大，蓄電池內(nèi)阻逐漸減小，電動(dòng)勢(shì)逐漸增大。 傳統(tǒng)的開(kāi)口式鉛酸蓄電池，由于水的蒸發(fā)以及電解液的分解，需要經(jīng)常對(duì)電解液的濃度進(jìn)行檢測(cè)，以確定是否對(duì)其添加蒸餾水。另外，在電池充電過(guò)程中，由于化學(xué)反應(yīng)劇烈，會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體形成酸霧，污染室內(nèi)空氣，對(duì)工作人員會(huì)產(chǎn)生職業(yè)危害。而采用閥控式鉛 酸蓄電池就會(huì)避免這些缺點(diǎn)。閥控式鉛酸蓄電池是相對(duì)于傳統(tǒng)的開(kāi)口式的鉛酸蓄電池來(lái)講的。它是一種密封的電池，內(nèi)外氣壓的平衡通過(guò)閥門來(lái)控制。它具有一系列優(yōu)點(diǎn)。首先是安全，電池的閥門密封可阻止空氣中的氧氣流入。當(dāng)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 11 電池過(guò)充時(shí)，內(nèi)部壓力過(guò)大，這時(shí)候閥門會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，排出氣體，防止電池內(nèi)部氣壓過(guò)大而產(chǎn)生膨脹或爆炸。其次是使用方便，傳統(tǒng)的開(kāi)口電池不能傾斜安裝使用，而閥控式鉛酸蓄電池就不存在這個(gè)問(wèn)題，它既可立放也可橫放，但是不能倒置。第三是少維護(hù)，由于閥控式鉛酸蓄電池密封性能好，水分不易蒸發(fā)，這樣在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候?qū)⒎烹姇r(shí)產(chǎn) 生的水蒸汽完全吸收，所以不需要進(jìn)行補(bǔ)水作業(yè)，但是閥控式鉛酸蓄電池并不是完全不需要維護(hù)，尤其是對(duì)電池的充放電維護(hù)是必不可少的。由于閥控式鉛酸蓄電池具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，所以在小型電力系統(tǒng)中，它漸漸成為主流的儲(chǔ)能器件。 影響鉛酸蓄電池壽命的因素 l)環(huán)境溫度 鉛酸蓄電池的的電能是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，不同溫度下的化學(xué)反應(yīng)速率是不一樣的。溫度高時(shí)，蓄電池內(nèi)部電解液與極板的化學(xué)反應(yīng)加速，電解液濃度下降，減小了電池內(nèi)阻，增加了電池的容量，充放電過(guò)程中容易出現(xiàn)過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象。溫度低時(shí)，電解液和極板間的反應(yīng)速度變慢，電 解液的濃度升高，加大了電池的內(nèi)阻，減少了電池的容量，縮短了蓄電池的壽命。生產(chǎn)廠家一般要求蓄電池的運(yùn)行環(huán)境溫度為 15一25℃，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò) 25℃后，每升高 8℃，電池壽命就要縮短一半。 2)過(guò)度放電 蓄電池被過(guò)度放電是影響蓄電池使用壽命的另一重要因素。蓄電池為負(fù)載供電期間，若控制器突發(fā)故障或者過(guò)放控制點(diǎn)設(shè)置過(guò)低時(shí)，均會(huì)可能導(dǎo)致過(guò)放現(xiàn)象的發(fā)生。過(guò)放現(xiàn)象會(huì)減少蓄電池的容量，并且難以恢復(fù)，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致電池失效。蓄電池被過(guò)度放電到輸出電壓為 OV時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部有大量的硫酸鉛被吸附到電池的陰極表面，形成電池陰極 的“硫酸鹽化”。由于硫酸鉛本身是一種絕緣體，將會(huì)阻礙蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的，陰極板上的硫酸鉛越多，電池的內(nèi)阻越大，電池的充放電性能就越差，電池的壽命就越短。 3)過(guò)度充電 蓄電池的充電電壓也是影響其壽命的重要因素。在開(kāi)路狀態(tài)下，鉛合金和二氧化鉛在硫酸溶液中，各自與電解液建立不同的平衡電極電位。蓄電池的充電電壓過(guò)高時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)過(guò)充現(xiàn)象，此時(shí)正極柵板由于析氧反應(yīng)，水不斷的被消耗， ?H 增加，從而導(dǎo)致正極附近的酸度增高，柵板與電解液反應(yīng)加速，析出的氣體由于一部分排出，不可能全 部還原為水，蓄電池內(nèi)部的電解液濃度增加，這樣也會(huì)促使柵板的腐蝕加速，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 12 活性物質(zhì)減少，導(dǎo)致蓄電池的容量和壽命減少。當(dāng)失水 %時(shí)，容量降低 75%，失水達(dá)到 25%時(shí)，容量基本消失。 4)長(zhǎng)期浮充電 蓄電池長(zhǎng)期工作在浮沖狀態(tài)下，只充電不放電，這種工作狀態(tài)會(huì)造成蓄電池陽(yáng)極的鈍化，使電池的內(nèi)阻急劇增大，實(shí)際容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其標(biāo)準(zhǔn)容量，從而導(dǎo)致電池所能提供的后備時(shí)間大大縮短，減少了其使用壽命。 閥控式鉛酸蓄電池的使用原則 使用閥控式鉛酸蓄電池的時(shí)候要遵循一些原則，有些原則是鉛酸蓄電池都要遵守的基本原則，有些則是閥 控式鉛酸蓄電池所特有的。這樣可以提高蓄電池的使用壽命。 1)盡量使閥控式鉛酸蓄電池工作在 15℃一 35℃之內(nèi)。 2)單體閥控式鉛酸蓄電池的應(yīng)浮充電壓設(shè)計(jì)為 ， 48v系統(tǒng)的浮充電壓應(yīng)設(shè)置為 。這些都是在 25℃標(biāo)準(zhǔn)情況下得到的值。當(dāng)溫度以 25℃為原點(diǎn)進(jìn)行變化時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。當(dāng)溫度升高時(shí)，要降低浮充電壓 。反之，則要升高浮充電壓。 3)電池隔板壽命在環(huán)境溫度為 30℃ 40℃時(shí)僅為 5一 6個(gè)月。長(zhǎng)時(shí)間存放的電池每六個(gè)月必須充電一次。電池必須存放在干燥涼爽的環(huán)境中。 4)電池的周期壽命取決于放電率 、放電深度和充電方式，其中最重要的因素是放電深度。放電深度越淺，電池生命周期越長(zhǎng)。所以，要盡量避免閥控式蓄電池深度放電。 5)禁止不同容量和不同廠家的電池混用，否則會(huì)嚴(yán)重降低電池使用壽命。新舊電池也不要混用，否則會(huì)降低新電池的壽命。 鉛酸蓄電池的充電方法 鉛酸蓄電池的充電方法一般有恒流充電法、恒壓充電法和分段充電法等。 恒流充電法在充電過(guò)程中保持充電電流始終不變，充電電壓自動(dòng)逐漸升高，該方法的缺點(diǎn)是充電后期水分解多，易使活性物質(zhì)脫落，故較少采用。 恒壓充電法在充電過(guò)程中充電電壓始終不變，充電電流自 動(dòng)逐漸減少。這種方法有初期電流過(guò)大，極板深處的硫酸鉛不易還原的缺陷，故僅在小功率的簡(jiǎn)單系統(tǒng)中大量使用。本文中是采用恒壓后的浮充的充電方法， 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 控制器 控制器的作用 小型風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)中，通常用蓄電池起儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能的作用，而蓄電池的正常運(yùn)行離不開(kāi)控制器，控制器根據(jù)風(fēng)力的大小以及負(fù)荷的變化，不斷的對(duì)蓄電池的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)，使其在充電、放電或浮充等多種工作情況下運(yùn)行，從而保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，當(dāng)風(fēng)力很大致使產(chǎn)生的電能過(guò)剩時(shí)，蓄電池將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)；反之，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電 量不足時(shí)，蓄電池向負(fù)載補(bǔ)充電能，并保持供電電壓的穩(wěn)定，同時(shí)保護(hù)蓄電池不受過(guò)度充放的損害，控制器通過(guò)檢測(cè)蓄電池兩端的電壓狀態(tài)，可以發(fā)出蓄電池繼續(xù)放電、減少放電或停止充電的指令。 控制器的類型 應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制其主要由旁路控制器、多階控制器和脈沖控制器。 （ 1）旁路控制器 旁路控制器的原理是控制器檢測(cè)電路監(jiān)控蓄電池端電壓，當(dāng)達(dá)到標(biāo)志著電池充滿的電壓閥值時(shí)，開(kāi)關(guān)元件接通負(fù)載將蓄電