小型风力发电机控制器设计Word文档下载推荐.docx

1、一 绪论随着现代工业的发展和社会的进步，人们对供电持续性和供电量的要求也越来越高。而煤炭、石油的日趋减少，开发新能源成为当今社会最热门的话题之一。风能作为一种自然资源，它有取之不尽、清洁无污染等优点，所以被人们称为“绿色资源”受到青睐。利用可再生能源可以节约能源和保护环境，而风力发电与其它再生能源相比，更具竞争潜力，因而发展迅速。我国的风能资源十分丰富，目前已经探明的风能储量约为 3226GW，其中可利用风能约为 253GW，主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿上。据统计，截至到 2006 年底，我国大陆地区已建成并网型风电场 91 座，累计运行风力发电机组 3311

2、 台，总容量达 259.9 万 kW。已经建成并网发电的风场主要分布在新疆、内蒙、广东、浙江、辽宁等 16 个省区。根据电监会公布的数据，截至 2006 年底,中国发电装机容量达到 62200 万 kW，风力发电占全国总装机容量的 0.42%。和火力发电相比，风力发电还具有以下显著的优点： 风能是一种可再生的洁净能源，它既不消耗自然资源，也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的。 风力发电系统的建设周期要比火力发电系统短，而且投入的资金也要少得多。 由于现代高科技技术得融入，使得风力发电的可靠性得到显著提高。大中型风力发电机组的可靠性从 80 年代的 50提高到 98，已经高于火力发电，并且机组

3、寿命可达 20 年以上。 与火力发电相比，风力发电机组建设的占地面积要远远小于火力发电，并且风力发电既可以并网运行，也可以和其他能源，如柴油发电、太阳能发电、水力发电组成互补系统。还可以独立运行。对于解决边远无电或供电困难地区的用电问题提供了现实的可行性。由以上所述可以看出，风力发电对我国的经济发展有着巨大的意义。作者希望通过对小型风力发电机及其相关控制技术的研究，来改进和完善风力发电技术，为风力发电技术的发展提出一些创造性的想法。二 小型风力发电系统原理2.1 风力发电系统组成普通的独立式小型风力发电系统由风力发电机、控制系统、整流电路、斩波电路、蓄电池充放电控制电路、蓄电池及其用电设备组成

4、（见图 2.1），其中整流电路和斩波电路也可以合称为电能变换单元电路，它实现了将风能转换为电能和变换为能够使用的电能的整个过程。利用风力带动发电机发电，将发出的电能存储在蓄电池中，在需要使用的时候再把存储的电能释放出来。图 2.1 小型风力发电系统结构示意图2.2 风电系统的运行特点对于独立运行的小型风力发电系统,它的工作情况主要由风速、蓄电池状态和负载情况决定,发电机输出的能量要与负载当前消耗的能量以及蓄电池所能储存的能量总和匹配。系统运行状态的分析如表2.1所示：表2.1 风电系统运行模式状态是否存在风机状态蓄电池状态负载状态发电不发电充电放电有电无电1NOYES（状态1）YES（状态2）

5、YES（状态3）YES（状态4）状态说明：状态 1：风机不发电，由蓄电池单独为负载供电；状态 2：风机发电，由风机和蓄电池一起为负载供电；状态 3：风机发电，为蓄电池充电，风机和蓄电池都没有为负载供电；状态 4：风机发电，为蓄电池充电的同时也为负载供电。由以上状态分析可以看出，风力发电系统一般都是在以上四种状态下工作的，随着外界环境的变化，如风速、风向的不同，还有负载工作情况的变化，整个风力发电系统是在四种状态间切换工作的。 当由于环境风速低于风力机的启动风速，而使风力发电机无法发电时，则要由蓄电池为负载供电，这就是第一种工作状态；当风速足够大，风力发电机可以发电，且蓄电池不需要充电时，则可以

6、由风力机和蓄电池一同为负载供电，若负载较小时，也可由风力发电机单独为负载供电，这就是第二种工作状态；当风速不是很大，且蓄电池亏电较为严重时，为了保护蓄电池，则需要停止为负载供电，而风力发电机只为蓄电池充电，这就是第三种工作状态；与第三种状态类似，当蓄电池亏电严重，而风速较大时，风力发电机发出的电能较多，除了满足为蓄电池充电外，还可以为负载供电，这就是第四种工作状态。2.3 电能变换单元和控制单元在发电系统中，整流模块是非常重要的一个环节。发电机发出的交流电能必须通过整流模块，整形成直流电能，才能向蓄电池充电，或给后接负载供电。根据发电系统的容量不同，整流器可分为可控整流器和不可控整流器两种，可

7、控型整流器主要用在大功率的发电系统中，可以克服由于电感过大引起的体积大、功耗大等缺点；不可控型整流器主要用在功率较小的发电系统中，其特点是体积小、成本较低。可控型整流器如图 2.2 所示，其使用的是全控或半控型的功率开关管，如门极可关断晶体管 GTO、功率 MOSFET 或门极绝缘双极性晶体管 GTR 等。图 2. 2 可控整流桥式电路不可控整流器如图 2.3 所示，其使用的是不可控型的功率开关管，如大功率二极管，该电路具有结构简单、功耗低、成本低等优点，普遍应用在中、小功率发电系统中。 图 2.3 不可控整流桥式电路DC/DC 变换器是使用半导体开关器件，通过控制器件的导通和关断时间，再配合

8、电感、电容或高频变压器等以连续改变和控制输出直流电压的变换电路。一般情况下，直直变换器分为直接变换和间接变换两种，直接变换没有变压器的介入，直接进行直流电压的变化，这种电路也称为非隔离型的 DC/DC 变换器（斩波电路）；间接变换则是先将直流电压变换为交流电压，经变压器转换后再变换为直流电压，此种直交直电路也称为隔离型 DC/DC 变换器。近年来，随着高频化、软开关和三电平技术的不断发展，DC/DC 变换器向着体积更小、重量更轻、效率更高的方向发展，可供风力发电系统使用的 DC/DC 变换器类型也不断增加。在风力发电系统中使用的 DC/DC 变换器具有以下特点： 与传统的 DC/DC 变换器相

9、比，在风力发电系统中使用的 DC/DC 变换器除了具有电压变换的作用外，还要实现最大功率点跟踪（MPPTMaximum Power Point Tracking）功能。（又可称为最大功率输出控制） 在闭环控制的系统的中，DC/DC 变换器的反馈信号常为其输出电压，而在风电系统中，为了实现风力发电机的最大功率输出控制，就需要采用相应的 MPPT 算法，因此，DC/DC 的反馈信号就不只仅限于输出电压了，还可能使用变换器的输入电压、输出电流或输出功率等作为反馈参数。 传统的 DC/DC 变换器多为专用芯片提供控制信号，其控制比较简单；而在风电系统中，由于要实现 MPPT 功能，所以需要使用单片机或

10、 DSP，采用 PWM 控制方式来调节功率开关管来实现系统功能。2.4 锂电池在数码产品中，无论是从技术角度评估还是从价格方面的考虑，电池都占有十分重要的地位。时值今日，市场上正在销售的数码产品中，所使用的电池已经基本完成了从镍电池到锂电池的过渡。也许是由于电池刚刚完成了一次镍电池到锂电池的革命，所以人们对锂电池的认识并不统一，在许多情况下不正确的说法和做法颇为流行。因此，懂得一点锂电池的知识，掌握锂电池的正确使用方法是非常有必要的。目前市面上所使用的二次电池主要有镍氢（Ni-MH）与锂离子（Li-ion）两种类型。锂离子电池中已经量产的有液体锂离子电池（LiB）和聚合物锂离子电池（LiP）两

11、种。所以在许多情况下，电池上标注了Li-ion的，一定是锂离子电池。但不一定就是液体锂离子电池，也有可能是聚合物锂离子电池。锂离子电池是锂电池的改进型产品。锂电池很早以前就有了，但锂是一种高度活跃的金属，它使用时不太安全，经常会在充电时出现燃烧、爆裂的情况，后来就有了改进型的锂离子电池，加入了能抑制锂元素活跃的成份（比如钴、锰等等）从而使锂电真正达到了安全、高效、方便，而老的锂电池也随之基本上淘汰了。至于如何区分它们，从电池的标识上就能识别，锂电池为Li、锂离子电池为Li-ion。现在，笔记本和手机使用的所谓“锂电池”，其实都是锂离子电池。现代电池的基本构造包括正极、负极与电解质三项要素。作为

12、电池的一种，锂离子电池同样具有这三个要素。一般锂离子技术使用液体或无机胶体电解液，因此需要坚固的外壳来容纳可燃的活性成分，这就增加了电池的重量和成本，也限制了尺寸大小和造型的灵活性。阶段 1：小电流预充先用 50mA 小电流对电池预充。当电池电压=2.5V 时转到下一阶段。 阶段 2：恒流充用 500mA 恒定电流对电池快速充电。=4.2V 时转到下一阶段。 阶段 3：恒压充逐渐减少充电电流，保证电池电压恒定=4.2V当充电电流=50mA 时，停止充电 阶段4：涓流充充电结束后，为维持电池电压，进行小电流脉冲充电。因为锂电池的自放电较轻微，故该阶段可省略。如图 2.4 所示。图 2.4 锂电池

13、充电过程曲线三 小型风力发电机控制器的设计3.1 电机的选择发电机是由线圈作为转子，磁铁作为定子，形成稳定磁场。手摇使线圈在磁场中连续转动切割磁场，发生电磁感应现象，产生电流。定子由机座.定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构件组成。线圈作为转子，磁铁作为定子，形成稳定磁场。其原理图如图3.1所示。图3.1发电机原理图本设计采用的是拆机日产直流减速电机，额定功率10W，最大电流500mA。适合电压：6V-24V，转速：32-130转/分钟，重量：200克。直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。这大大提高了，直流电机在自动化行业中的使用率。减速电机是指减速机和电机（马达）的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货。减速电机广泛应用于钢铁行业、机械行业等。使用减速电机的优点是简化设计、节省空间。直流减速电机在机电行业是比较常见的微型减速电机,但是对于减速电机的性能和材料了解应该不太多而且厂家