楊 南 張振瑩

天津瑞源電氣有限公司

風(fēng)力發(fā)電的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)探微

楊 南 張振瑩

天津瑞源電氣有限公司

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，世界各國對(duì)能源需求的缺口也越來越大，風(fēng)能作為清潔能源也越來越受到人們的重視，開發(fā)利用可再生能源已成為目前能源發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇。

風(fēng)力發(fā)電；電控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

目前，由于石油、煤炭等不可再生的礦物質(zhì)燃料日趨減少，不久的將來將會(huì)出現(xiàn)資源枯竭。同時(shí)，使用過程中給環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染，也一直困擾著人們。因此，尋找和利用可再生的清潔能源逐漸成為當(dāng)務(wù)之急。風(fēng)能和太陽能的利用很快走進(jìn)了人們的視線。據(jù)風(fēng)力資源普查統(tǒng)計(jì)，每年大約有兩百億千瓦的風(fēng)能可利用，我國就有達(dá)三億千瓦(居世界首位)的陸地風(fēng)能資源可利用，而內(nèi)蒙古可開發(fā)利用的風(fēng)能占到全國的40%左右。早在20世紀(jì)七十年代，內(nèi)蒙古地區(qū)就開始試驗(yàn)、研制和推廣小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)蒙古風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)兩千萬千瓦，占全國風(fēng)電總裝機(jī)容量的1/3，居全國第一位。尤其是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，成功解決了遠(yuǎn)離電網(wǎng)的近百萬農(nóng)牧民的用電問題。

本課題通過對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)的研究，解決內(nèi)蒙古地區(qū)農(nóng)牧民飲水凈化設(shè)備的電源供給問題，讓農(nóng)牧民較為經(jīng)濟(jì)地喝到滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)的放心水，遠(yuǎn)離高氟、高砷水危害。

1 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電過程是清潔無污染的，但由于風(fēng)速的隨機(jī)變化，對(duì)發(fā)電機(jī)組的交變載荷帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。同時(shí)，在并網(wǎng)情況下也會(huì)給電網(wǎng)帶來一定的沖擊，對(duì)負(fù)載設(shè)備造成影響。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模和用途，可把其分為獨(dú)立運(yùn)行方式和與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行方式兩種。槳葉的結(jié)構(gòu)要求具有較好的流體動(dòng)力外形，在氣流的作用下產(chǎn)生空氣動(dòng)力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為齒輪箱的機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組有機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。電能需要經(jīng)過電控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整、變化、輸出，轉(zhuǎn)化為蓄電池的化學(xué)能或直接接負(fù)載供電。獨(dú)立運(yùn)行方式下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 獨(dú)立運(yùn)行方式下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)內(nèi)蒙古農(nóng)牧區(qū)凈化水設(shè)備電絮凝技術(shù)的需求，本項(xiàng)目經(jīng)過對(duì)比，選用硅整流自勵(lì)單相交流發(fā)電機(jī)。儲(chǔ)能蓄電池采用高密度、小體積的鋰電池組；鋰電池組的勵(lì)磁繞組之間采取串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。利用爪形磁極，使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組與滑環(huán)相接，硅整流器的直流輸出端與電刷相接，獲得直流勵(lì)磁電流。由于風(fēng)力的隨機(jī)變化，導(dǎo)致齒輪箱軸轉(zhuǎn)速變化。發(fā)電機(jī)的出口電壓發(fā)生波動(dòng)，勵(lì)磁磁場變化，再次造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口電壓波動(dòng)。這樣電壓波動(dòng)會(huì)增大，影響負(fù)載供電。本項(xiàng)目風(fēng)力發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)需要配置勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，通過繼電器恢復(fù)正常勵(lì)磁狀態(tài)。這樣同時(shí)可以避免鋰電池組充滿的過沖問題和負(fù)荷變化造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題。延長電池組壽命，增加系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于風(fēng)速的變化，造成發(fā)電機(jī)輸出的頻率和幅值隨時(shí)變化而產(chǎn)生不穩(wěn)定的交流電。為了得到持續(xù)50Hz頻率和穩(wěn)定波形，需要對(duì)輸出電流進(jìn)行整流后變成直流，再調(diào)整進(jìn)行儲(chǔ)存，或?qū)⒅绷髟倌孀兘涣鹘咏涣髫?fù)載。整流過程采用單相橋式整流電路。該電路由四個(gè)二階管和負(fù)載電阻組成，電路的定量關(guān)系和元件型號(hào)選擇由下述公式計(jì)算確定。脈動(dòng)直流電壓的平均值：

式中，U0表示整流電壓平均值；U2表示交流電壓有效值；UDRM表示二極管截止最高反向電壓；U2M表示變壓器二次側(cè)最大交流電壓。

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際需要，進(jìn)行計(jì)算選用KBPC5010。整流管的最大電流10A，二極管最大反向電壓50V，鋰電池選用串聯(lián)4節(jié)12V電壓鋰電池，驅(qū)動(dòng)電路上使用IGBT的EX841集成電路。為了解決使用電絮凝技術(shù)的凈化水設(shè)備可持續(xù)凈化效率的問題，采用直流脈沖電源，每隔10分鐘電源電極進(jìn)行自動(dòng)倒換。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制運(yùn)行安全保護(hù)系統(tǒng)

3.1 強(qiáng)風(fēng)保護(hù)安全系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)于風(fēng)力的切入和停機(jī)等操作的規(guī)定風(fēng)速有較高的要求，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是依靠風(fēng)所蘊(yùn)藏的巨大能量，但是，如若控制不好，風(fēng)能也會(huì)給風(fēng)力發(fā)電機(jī)帶來一定的損害，為確保安全發(fā)電，所以對(duì)于輸出的最大功率、槳距角等都有一定的規(guī)定。

3.2 參數(shù)越限保護(hù)

機(jī)組運(yùn)行的越限參數(shù)都有各自的規(guī)定，風(fēng)速、溫度等參數(shù)有自己的上下限值，而且這些限值還不確定是一個(gè)定值，也有可能隨著外界環(huán)境的變化而變化和調(diào)整。

3.3 電壓電流保護(hù)

風(fēng)力發(fā)電的一大問題是瞬間高電壓沖擊，如果沒有一定的保護(hù)措施，很有可能在那高電壓沖擊的瞬間造成元件裝置的損壞，所以就需要一些吸收高壓的元件來減少高壓沖擊。電流保護(hù)器的安裝也是很有必要的，對(duì)于高電壓的沖擊也還是需要保護(hù)的，可以在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b空開和熔斷器等元件。

3.4 電氣接地保護(hù)系統(tǒng)

電氣姐弟系統(tǒng)包括保護(hù)接地和工作接地，其中保護(hù)接地就是把電器的金屬外殼用導(dǎo)線連接并通過接地裝置與地相連，以減少機(jī)器外殼帶電造成的危害和傷害，而工作接地就是將電控系統(tǒng)統(tǒng)一在一點(diǎn)進(jìn)行接地，以達(dá)成保護(hù)和實(shí)現(xiàn)電器安全運(yùn)行的目的。

4 結(jié)論

通過對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)力資源情況和小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備使用狀況的分析，得出內(nèi)蒙古大力推廣風(fēng)力發(fā)電的可行性。同時(shí)，針對(duì)內(nèi)蒙古遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)的實(shí)際情況，為保障農(nóng)牧民的飲水安全，使凈水設(shè)備使用成本大幅下降，使用獨(dú)立運(yùn)行方式的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備成為必然。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)速大小影響發(fā)電設(shè)備輸出電壓波動(dòng)較大的特點(diǎn)，為減小電壓波動(dòng)對(duì)負(fù)載的影響，本項(xiàng)目配置勵(lì)磁調(diào)機(jī)器使系統(tǒng)回復(fù)正常勵(lì)磁。為了保證儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電能的儲(chǔ)存效率，采用大密度鋰電磁組，依據(jù)理論計(jì)算出電控系統(tǒng)的參數(shù)，從而為選擇系統(tǒng)元件提供科學(xué)依據(jù)。

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