电气工程及其自动化毕业设计-小型风力发电电气设计.doc

1、本科毕业论文（20 届）小型风力发电电气设计所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期目录摘要： .IAbstract.II引言 .11 绪论 .11.1 我国的风能资源 .11.2 风力发电的原理和特点 .21.3 论文方案概述 .22 风力机的原理与结构 .32.1 风力机的原理 .32.2 风力发电机的主要部件 .43 电气设计部分 .63.1 发电机 .63.1.1 发电机的结构与原理 .63.1.2 发电机的励磁 .73.2 整流 .103.3 蓄电池 .123.3.1 蓄电池的分类 .133.3.2 蓄电池的充放电 .133.3.3 蓄电池供电控制设计 .143.

2、4 逆变电路 .143.4.1 逆变电路及其工作原理 .143.4.2 逆变器的控制 .153.4.3 电流波形的跟踪控制 .173.5 驱动电路 .194 结论 .21参考文献 .22致谢 .23ContentsAbstract .II1 Introduction.11.1Our wind resource.11.2Principles and characteristics of wind power.11.3 Paper Solution Overview .22 Principle and structure of the wind turbine .32.1 Principle of

3、 wind turbines .32.2 The main components of the wind machine .43 Electrical Design section .63.1 generator .63.1.1Structure and principle of the generator.63.1.2Excited generator .73.2Rectification .103.3Battery .123.3.1Battery Categories.133.3.2 Battery charge and discharge.133.3.3Battery-powered c

4、ontrol design.143.4 Inverter .143.4.1Inverter circuit and how it works.143.4.2Inverter control technology.153.4.3Current waveform tracking control.173.5Drive circuit .194 Conclusion.21Reference .22Acknowledgement .23I小型家用风力发电毕业论文摘要：风能以一种清洁的 可再生能源的身份走进人们的视野，风力发电也慢慢地成为了前途光明的新兴产业。本论文阐述了小型风力独立发电的设计方案，对风

5、力发电机组的结构和电能变换以及继电控制电台做一些探讨。以风力发电机带动单项交流发电机，通过ACDCAC 交直交变换，转化为用户所需的标准交流电。考虑到风力发电的不稳定性，在电路系统中加入蓄电池组，通过控制电路的监控来实现对系统的控制，确保在风力资源充足的情况下将多余的电能进行储能，在风力不足时为系统供电。系统的运行状况采用继电控制电路进行监控和切换。关键词：风力发电 整流 逆变IIHousehold wind Graduation ThesisAbstract Wind energy in a clean and renewable energy identity into the spotl

6、ight, wind power has slowly become a promising new industry. This paper describes the design of small wind power independent of the structure and the wind turbine power conversion and control relay stations do some research.In the individual wind turbine drive alternators, by AC - DC - AC conversion

7、, the conversion to AC required by the user. Taking into account the instability of wind power, adding battery in the circuit system, monitored by the control circuit to achieve control of the system, to ensure that sufficient wind resources in the case of the excess energy in the energy storage, wh

8、en the wind is insufficient power the system. The health system adopts relay control circuit for monitoring and switching.Keywords：wind Power rectification inverter1引言随着社会工业化的脚步不断加快，全球自然资源消耗不断增加，各类工厂所排放的工业有害物质的排放量也与日俱增，我们周围遍布着各类颗粒、细菌，从而造成了疾病的多发、气候的变换异常、自然灾害的增多；因此，环境和能源的问题成了当前的首要难关。日益恶劣的环境问题和有能源问题引发的

9、危机，让人们意识到开发清洁能源和可再生能源已经是刻不容缓。对风力能源的开发和应用就是一个不错的方向。1 绪论风能是一种清洁的、可再生资源在自然资源中储量丰富，但和自然资源中的矿物质燃料如：煤、油、天然气等不同，它不会随着自身的使用而减少，所以可以说它是一种取之不尽用之不竭的自然资源。从第一次工业革命开始，煤等矿物质燃料进入人们的视线便被大量开采，但是矿物质需要大量时间和空间的累积才能形成，是属于不可再生资源；而且燃料的燃烧带来的严重污染问题和温室效应也是刻不容缓的问题；因此风力发电走进人们的视野。风力发电现状与展望全球的风力资源非常丰富风力发电是当今非水可再生资源发电技术中最成熟最具有大规模开

10、发条件和商业化前景的发展方式,风力发电在我国已经成为继水电之后最重要的可再生能源,是近期发展的重点。以下详细介绍了我国风能资源分布,风力发电的现状,并展望了风力发电的发展前景。1.1 我国的风能资源我国风能资源比较丰富。根据全国第 2 次风能资源普查结果,中国陆地风能离地面 10m 高度的经济可开发量 2.53 亿 kW,离地面 50m 估计可能增大一倍。近海资源估计比陆地上大 3 倍,10m 高经济可开发量约 7.5 亿 kW,50m 高约 15亿 kW。我国的风力资源主要分布在两大风带:一是三北地区 (东北、华北和西北地区)。包括东北 3 省和河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏、新疆等省区近

11、200km千米宽的地带,可开发利用的风能储量约 2 亿 kW,约占全国可利用储量的 79%。该地区风电场地形平坦,交通方便,没有破坏性风速,是我国连成一片的最大风能资源区,有利于大规模地开发风电场。二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。冬春季的冷空气、夏秋的台风,都能影响到沿海及其岛屿,是我国风能最佳丰富区,年有效风功率密度在 200W/m2 以上。如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等,可利用小时数约在 7000 至 8000h。这一地区特别是东南沿海,由海岸向内陆丘陵连绵,风能丰富地区仅在距海岸 50km 之内。21.2 风力发电的原理和特点风力发电是利用风能来发电，而

12、风力发电机组是是将风能转化为机械能再转化为电能的装置。风轮是风力发电机组的重要组成部分。风轮有两大类，水平式风车（主轴垂直安装）还有垂直式风车（即一直旋转的） ， 由叶片和轮毂组成。桨叶片具有良好的动力外形 ，在气流的作用下使风轮旋转将风能转化成机械能，再通过齿轮箱（或是一加速变速箱）增速驱动发电机，将机械能转化为电能。然后紧接着是一台异步发电机（风车通常使用异步发电机，而不是同步发电机，因为同步发电无法保证输出得到频率和转速相同，风车的转速不是一成不变的。 ）风力带动异步发电机，当桨叶转的快时，产生的电流较大，否则较小；当转速比较小时被检测电路测到，就分离发电机与电网系统的连接，如果不分离，

13、发电机转子转速小于同步转速就变成了电动机，即异步发电机就是异步电动机。按照具体要求具体操作，通过适当的变换调节将电能储存为化学能或并网使用或直接给负载充当电源。风力发电的特点有：（1）清洁、无污染、可再生；（2）分布广泛、适应能力强；（3）风力能量密度低，风能来自空气的流动，风的能量密度只有水的 1/816；（4）风力发电的不稳定性，给负荷或电网带来一定的影响；(5)风速的随时变化，发电机要承受交变负荷。风力发电的运行方式主要有两种：一种是独立运行的供电系统，即在没有通电的地方，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转化为交流电向负载供电；另一种是作为电网的电源，与电网并联运行。本次讨论的是

14、前者，即独立风力发电系统方案。1.3 论文方案概述该独立风力发电系统结构图如下图 11 所示。图 11 独立风力发电系统结构简图系统的具体运行情况如下：（1） 风力吹动桨叶片的转动；（2） 通过齿轮箱的变速功能来提高输出端转轴的转速，转轴与交流发电机相3连；（3） 转轴带动三相交流发电机转动，开始发电（此时交流电的频率和幅值都不稳定） ；（4） 三项交流电经过整流器的整定变成稳定的直流电；（5） 此时出现两种情况：a 如果风力充足，直流电经过控制电路一部分流向逆变器，另一部分流向蓄电池；b 如果风力不足，控制电路切换至蓄电池供电状态；(6)直流电经逆变器变换为恒频稳定的交流电，向负载供电。2

15、风力机的原理与结构风力的使用经过多年的发展和演变，已经形成了很多的形式，但综述归纳起来有两类：a 水平轴风力机，桨叶平的旋转转轴与方向平行；b 垂直轴风力机，桨叶片的转轴垂直于地面或气流方向。本文采用水平轴风力机。如图 21 所示。（a）高速风力机 （b）低速风力机图 21 水平轴风力机2.1 风力机的原理风力发电机主要是利用气动升力的桨叶，升力，就是向上的力。 使上升的力。 有很多种了。一般都是说在空气中。 也就是向上的力大于向下的力，其合力可以使物体上升。 这个力就是升力。如下图 22 所示。4图 22 气动升力图该图是一张机翼图。从图中可以看出机翼翼型运动的气流方向有所改变，在机翼的上表

16、面层形成了低压区而下表面层形成高压区，产生了向上的合力，并垂直于气流方向。产生升力的同时也产生了阻力使风速有所下降，但升力总是推动叶片绕中心轴转动。2.2 风力发电机的主要部件风力发电机通常由风轮（桨叶片） 、调速装置、调向装置、传动装置、发电机、塔架等组成。下面以一张水平轴风力发电机图（图 23）为例，介绍它的主要组成器件和功能。图 23 小型独立发电机简化图1风轮 2发电机 3回旋体 4调速装置 5调向装置 6手刹车装置7塔架 8蓄电池组 9逆变器（1） 风轮：有 2 或 3 个将叶片组成，它是用来捕捉和吸收风能的主要器件。当风轮旋转的时候，叶片会受到离心力和气升动力的作用，离心力对叶片是

17、拉力而气升动力会使叶片弯曲。当风力大于风轮的使用设计风速时，为防止叶片损坏，需要对风轮进行控制，控制风轮的方法有两种：a 使风轮偏离主要方向；b 改变叶片的偏斜角度，利用扰流器，产生阻力，从而降低风轮转速。5（2） 调速装置：自然界的风速经常变换。风轮的转速随风速的增大而变快，使发电机的输出电压、频率、功率增大。风力是不稳定的，不但会影响发电机电流的输出，超大强风时会导致发电机的烧毁，当风轮的转速超过设计允许值时，极有可能导致机组的损坏和寿命减少。为了使风轮能在一定转速内工作，风力发电机必须安装调速装置（调速装置是在风速大于设计允许额定风速时才使用，又称为限速装置） 。国内外的风力发电机的调速

18、装置，归纳整理按调速原理可分为三类：减少风轮迎风面积、改变叶片翼型攻角值、利用风轮圆周切线方向的阻力进行限制风速。（3） 调向装置：自然界中风速和风向一直都是变化的，为了使风力发电机更有效地利用风，提高风能的利用效率， ，就应该安装对风装置跟踪风向的变化，确保风轮的旋转面始终处于迎风状态。风力机的调向装置主要有尾翼（尾舵）自动对风、电动机机构和舵轮四种本文主旨只是家用的小型风力发电机，可利用尾翼的控制带动水平轴旋转，使风轮总是朝向风流风向。如下图 24 所示。图 24 所示 调向装置（4）传动装置：风力机的传动装置包括增速器和联轴器等。通常风轮的转速低于发电机转子所需的转速，所以要进行增速（若

19、是较小型的风力发电机可不设置增速器直接连接） 。增速器和发电机之间用联轴器连接，且风轮与增速器之间也用联轴器连接，有时候为了减少占用空间，通常将联轴器和制动器设计在一起。（5）发电机：发电机将由风轮通过联轴器传来的机械能转换为电能的设备风力发电机上长用的发电机有四种：直流发电机、永磁发电机、同步交流发电机、异步交流发电机。如下：a 直流发电机常用在微、小型风力发电机上。直流电压为 12V、24V 、36V等，有时候中型风力机上也有直流发电机；b 永磁式发电机常用在小型风力发电机上，中、大型风力机一般不用，其电压等级有 115V、127V 等。永磁式发电机有交流有直流，比如我国交流电压440/240 的高效永磁式交流发电机，能制造出多级低转速，比较适合安装在风力发电机中；c 同步交流发电机 它的电枢磁场和主磁场同步（同时旋转、同量转速） ；