毕业论文设计：小型风力供电系统设计(编辑修改稿)

毕业论文设计：小型风力供电系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

磁，永磁同步发电机结构简单，加工及装配比较容易。 一般小型永磁风力发电机的励磁磁钢安置在转子上。 由于这类发电机省掉了一般同步发电机的电刷、滑环和励磁绕组 ,从而节约了成本。 特别是小型风力发电机组的发电机直接与风轮耦合 ,安置于机组顶端的空中无需经常对电刷和滑环维护 ,提高了机组运行的可靠性。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 8 整流器 整流电路 按组成的器件可分为 不可控、半控、全控 三种 按电路结构可分为 桥式电路 和 零式电路 按交流输入相数分为 单相电路 和 多相电路 整流器的主要功能是对风力发电机输出的三相交流电进行整流，整流后的直流 电经过控制器再对蓄电池进行充电。 根据风力发电系统的容量不同，整流器分为可控与不可控两种，可控整流器主要应用在功率较大的系统中，可以减小电感过大带来的体积大、损耗大等缺点；不可控整流器主要应用于小功率系统中。 目前在我国小型型风力发电系统中大量使用的是桥式不可控整流方式，如图 213所示。 因为它由二极管组成，具有功耗低、电路简单等特点。 图 24 三相不可控整流 三相整流器除了把输入的三相交流电能整流为可对蓄电池充电的直流电能之外，另外一个重要的功能是在外界风速过小或者基本没风的时候，风力发电 机的输出功率也较小，由于三相整流桥的二极管导通方向只能是由风力发电机的输出端到蓄电池，所以防止了蓄电池对风力发电机的反向供电。 DCDC 变换器 DCDC功率变换器的种类很多。 按照输入 /输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大类。 非隔离型的 DCDC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的 DCDC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。 DC/DC 变换器将直流电源能量传送到负载并加以控制，得到另一个直流输出电压或电流。 通过对开关管的导通或关断 时间长短控制，即控制从电源端到负载端传送的内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 9 能量。 DC/DC 变换器主要包括 Buck、 Boost、 BuckBoost、 Cuk 变换器 4种。 以 Buck变换器为例，如图 25，通过在功率开关管的控制端施加周期一定，占空比可调的驱动信号，使其工作在开关状态。 当开关管 Q导通时，二极管 D截止，发电机输出电压整流后通过能量传递电感向负载供电，同时使电感 能量增加；当开关管截止时，电感释放能量使续流二极管 D导通，在此阶段，电感 L把前一段的能量向负载释放，使输出电压极性不变且比较平直。 滤波电容 C使输出电压的纹波进一步减小。 显然，功率管在一个周期内导通时间越长，传递的能量越多，输出电压越高。 图 25 Buck变换电路 DC/DC 变换器的输入阻抗的大小可以通过控制开关电源的占空比来改变。 这种控制性能正好被用在小型风力发电系统中，通过控制发电机的输出电流，改变风力发电机的负载特性，即调节了发电机的转矩 转速特性，从而控制风力机转速用来改变叶尖速比，这样就控制了风能转换效率和风力发电机的输出功率。 蓄电池 蓄电池的工作原理 在小型风力发电系统中，蓄电池起着储存和调节电能的作用。 其它器件或技术 也有被利用来进行能量存储的，比如微型水泵、压缩空气或飞轮等，但是在小规模风力发电应用中，这些储能方式都不是很经济。 近年来，随着燃料电池和电解槽技术的发展，氢气作为一种能量存储介质进入人们的视野，这是一种比较有前途的技术方向。 但是要大范围的应用，还有很多技术难题待解决。 在本系统中，当风力很大致使产生的电能过剩时，蓄电池将多余的电能储存起来。 反之，当系统发电量不足或负载用电量大的时候，蓄电池向负载补充电能，并保持供内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 10 电电压的稳定。 铅酸蓄电池由于具有容量大，成本低，循环寿命长等优点，一直是小型电力系统的首选储能设 备。 蓄电池正负极板上的活性物质分别是二氧化铅（ 2pbo ）和海绵状铅（ pb ），它们与电解液中的硫酸接触，负极板上铅不断解离为正二价的铅离子（ 2pb ）和电子，铅离子融入电解液中，电子留在负极板上。 随着化学反应不断的进行，负极板上的负电荷逐渐增加，对电解液中的铅离子的吸引力也不断的加大，使得部分的铅离子获得电子沉积到负极板的表面。 当离开和沉积到负极板表面的铅离子相等，即氧化和还原的速度趋于平衡 时，负极板与电解液间形成稳定的电位差 (大约 )。 正极板上的二氧化铅（ 2pbo ）在电解液的作用下解离为铅离子（ 2pb ），既（ 2pbo ）从极板获得电子还原为（ 2pb ）进入电解液，同时电解液中的部分 2pb 失去电子氧化为4pb ，当氧化和还原的速度平衡时，正极板与电解液之间形成 +。 正、负极板与电解液之间的都存在着电位差，从整体看正极与负极的电位差有 也就是蓄电池的单体电压。 蓄电池与负载相接时，是它的放电过程，其化学反应方程式为 : pb + 42SOH + 2pbo 2 4pbso + OH2 （ 21） 放电过程中，负极板上的海绵状铅 (pb )，正极板上二氧化铅（ 2pbo )与电解液中的硫酸 ( 42SOH )反应，生成硫酸铅 ( 4pbso )。 电解液中消耗了硫酸 ( 42SOH )分子，增加了水 ( OH2 )分子，电解液中的硫酸浓度降低，蓄电池内阻逐渐增大，电动势逐渐降低。 蓄 电池的充电过程是放电过程的逆过程，是在外电源作用下的电化学反应，其化学反应方程式为 : 4pbso + 4pbso + OH2 pb + 42SOH + 2pbo （ 22） 充电过程中，在外电源的作用下，正极板上的硫酸铅（ 4pbso ）逐渐恢复成二氧化铅（ 2pbo )。 负极板上的硫酸铅（ 4pbso )逐渐恢复成海绵状铅（ pb ），电解液中的硫酸浓度增大，蓄电池内阻逐渐减小，电动势逐渐增大。 传统的开口式铅酸蓄电池，由于水的蒸发以及电解液的分解，需要经常对电解液的浓度进行检测，以确定是否对其添加蒸馏水。 另外，在电池充电过程中，由于化学反应剧烈，会产生大量有害气体形成酸雾，污染室内空气，对工作人员会产生职业危害。 而采用阀控式铅 酸蓄电池就会避免这些缺点。 阀控式铅酸蓄电池是相对于传统的开口式的铅酸蓄电池来讲的。 它是一种密封的电池，内外气压的平衡通过阀门来控制。 它具有一系列优点。 首先是安全，电池的阀门密封可阻止空气中的氧气流入。 当内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 11 电池过充时，内部压力过大，这时候阀门会自动打开，排出气体，防止电池内部气压过大而产生膨胀或爆炸。 其次是使用方便，传统的开口电池不能倾斜安装使用，而阀控式铅酸蓄电池就不存在这个问题，它既可立放也可横放，但是不能倒置。 第三是少维护，由于阀控式铅酸蓄电池密封性能好，水分不易蒸发，这样在进行电化学反应的时候将放电时产 生的水蒸汽完全吸收，所以不需要进行补水作业，但是阀控式铅酸蓄电池并不是完全不需要维护，尤其是对电池的充放电维护是必不可少的。 由于阀控式铅酸蓄电池具有显著的优点，所以在小型电力系统中，它渐渐成为主流的储能器件。 影响铅酸蓄电池寿命的因素 l)环境温度 铅酸蓄电池的的电能是通过化学反应产生的，不同温度下的化学反应速率是不一样的。 温度高时，蓄电池内部电解液与极板的化学反应加速，电解液浓度下降，减小了电池内阻，增加了电池的容量，充放电过程中容易出现过充和过放现象。 温度低时，电解液和极板间的反应速度变慢，电 解液的浓度升高，加大了电池的内阻，减少了电池的容量，缩短了蓄电池的寿命。 生产厂家一般要求蓄电池的运行环境温度为 15一25℃，当环境温度超过 25℃后，每升高 8℃，电池寿命就要缩短一半。 2)过度放电 蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿命的另一重要因素。 蓄电池为负载供电期间，若控制器突发故障或者过放控制点设置过低时，均会可能导致过放现象的发生。 过放现象会减少蓄电池的容量，并且难以恢复，严重时将会导致电池失效。 蓄电池被过度放电到输出电压为 OV时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸附到电池的阴极表面，形成电池阴极 的“硫酸盐化”。 由于硫酸铅本身是一种绝缘体，将会阻碍蓄电池内部化学反应的，阴极板上的硫酸铅越多，电池的内阻越大，电池的充放电性能就越差，电池的寿命就越短。 3)过度充电 蓄电池的充电电压也是影响其寿命的重要因素。 在开路状态下，铅合金和二氧化铅在硫酸溶液中，各自与电解液建立不同的平衡电极电位。 蓄电池的充电电压过高时，将会出现过充现象，此时正极栅板由于析氧反应，水不断的被消耗， H 增加，从而导致正极附近的酸度增高，栅板与电解液反应加速，析出的气体由于一部分排出，不可能全 部还原为水，蓄电池内部的电解液浓度增加，这样也会促使栅板的腐蚀加速，内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 12 活性物质减少，导致蓄电池的容量和寿命减少。 当失水 %时，容量降低 75%，失水达到 25%时，容量基本消失。 4)长期浮充电 蓄电池长期工作在浮冲状态下，只充电不放电，这种工作状态会造成蓄电池阳极的钝化，使电池的内阻急剧增大，实际容量远远低于其标准容量，从而导致电池所能提供的后备时间大大缩短，减少了其使用寿命。 阀控式铅酸蓄电池的使用原则 使用阀控式铅酸蓄电池的时候要遵循一些原则，有些原则是铅酸蓄电池都要遵守的基本原则，有些则是阀 控式铅酸蓄电池所特有的。 这样可以提高蓄电池的使用寿命。 1)尽量使阀控式铅酸蓄电池工作在 15℃一 35℃之内。 2)单体阀控式铅酸蓄电池的应浮充电压设计为 ， 48v系统的浮充电压应设置为。 这些都是在 25℃标准情况下得到的值。 当温度以 25℃为原点进行变化时，必须进行温度补偿。 当温度升高时，要降低浮充电压。 反之，则要升高浮充电压。 3)电池隔板寿命在环境温度为 30℃ 40℃时仅为 5一 6个月。 长时间存放的电池每六个月必须充电一次。 电池必须存放在干燥凉爽的环境中。 4)电池的周期寿命取决于放电率 、放电深度和充电方式，其中最重要的因素是放电深度。 放电深度越浅，电池生命周期越长。 所以，要尽量避免阀控式蓄电池深度放电。 5)禁止不同容量和不同厂家的电池混用，否则会严重降低电池使用寿命。 新旧电池也不要混用，否则会降低新电池的寿命。 铅酸蓄电池的充电方法 铅酸蓄电池的充电方法一般有恒流充电法、恒压充电法和分段充电法等。 恒流充电法在充电过程中保持充电电流始终不变，充电电压自动逐渐升高，该方法的缺点是充电后期水分解多，易使活性物质脱落，故较少采用。 恒压充电法在充电过程中充电电压始终不变，充电电流自 动逐渐减少。 这种方法有初期电流过大，极板深处的硫酸铅不易还原的缺陷，故仅在小功率的简单系统中大量使用。 本文中是采用恒压后的浮充的充电方法， 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 13 控制器 控制器的作用 小型风力发电供电系统中，通常用蓄电池起储存和调节电能的作用，而蓄电池的正常运行离不开控制器，控制器根据风力的大小以及负荷的变化，不断的对蓄电池的工作状态进行切换和调节，使其在充电、放电或浮充等多种工作情况下运行，从而保证风力发电系统的连续性和稳定性，当风力很大致使产生的电能过剩时，蓄电池将多余的电能储存起来；反之，当发电系统发电 量不足时，蓄电池向负载补充电能，并保持供电电压的稳定，同时保护蓄电池不受过度充放的损害，控制器通过检测蓄电池两端的电压状态，可以发出蓄电池继续放电、减少放电或停止充电的指令。 控制器的类型 应用于风力发电系统的控制其主要由旁路控制器、多阶控制器和脉冲控制器。 （ 1）旁路控制器 旁路控制器的原理是控制器检测电路监控蓄电池端电压，当达到标志着电池充满的电压阀值时，开关元件接通负载将蓄电。