基于風力發(fā)電的電控系統(tǒng)設(shè)計研究

賈福榮　樊剛強　張曉菊

（河套學院，巴彥淖爾015000）

基于風力發(fā)電的電控系統(tǒng)設(shè)計研究

賈福榮樊剛強張曉菊

（河套學院，巴彥淖爾015000）

利用內(nèi)蒙古地區(qū)風力資源較為豐富的優(yōu)勢，解決遠離電網(wǎng)的農(nóng)牧民飲用水凈化的用電成本問題，提出使用基于硅整流自勵單相交流發(fā)電機的獨立運行方式的小型風力發(fā)電機進行發(fā)電。采用勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)整風力發(fā)電隨著風速的變化造成的輸出電壓不穩(wěn)定等情況，電控系統(tǒng)參數(shù)依據(jù)理論分析與計算得出。同時，為解決凈水設(shè)備持續(xù)凈化率的問題，建議采用直流脈沖電源。

風力發(fā)電電控系統(tǒng)直流脈沖電源

目前，由于石油、煤炭等不可再生的礦物質(zhì)燃料日趨減少，不久的將來將會出現(xiàn)資源枯竭。同時，使用過程中給環(huán)境帶來嚴重的污染，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務(wù)之急。風能和太陽能的利用很快走進了人們的視線。據(jù)風力資源普查統(tǒng)計，每年大約有兩百億千瓦的風能可利用，我國就有達三億千瓦（居世界首位）的陸地風能資源可利用，而內(nèi)蒙古可開發(fā)利用的風能占到全國的40%左右。早在20世紀七十年代，內(nèi)蒙古地區(qū)就開始試驗、研制和推廣小型風力發(fā)電機。最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)蒙古風電裝機容量達兩千萬千瓦，占全國風電總裝機容量的1/3，居全國第一位。尤其是小型風力發(fā)電機的應(yīng)用，成功解決了遠離電網(wǎng)的近百萬農(nóng)牧民的用電問題。

本課題通過對小型風力發(fā)電機電控系統(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)濟地喝到滿足生活飲用水衛(wèi)生標準（GB5749-2006）的放心水，遠離高氟、高砷水危害。

1　風力發(fā)電的特點

風力發(fā)電過程是清潔無污染的，但由于風速的隨機變化，對發(fā)電機組的交變載荷帶來嚴重負擔。同時，在并網(wǎng)情況下也會給電網(wǎng)帶來一定的沖擊，對負載設(shè)備造成影響。根據(jù)風力發(fā)電的規(guī)模和用途，可把其分為獨立運行方式和與電網(wǎng)并聯(lián)運行方式兩種。本項目研究的目的是為了解決遠離電網(wǎng)的農(nóng)牧民水凈化設(shè)備的電能問題，所以選擇獨立運行風力發(fā)電供電系統(tǒng)。

獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)最重要的風電機組是由槳葉和輪轂組成。槳葉的結(jié)構(gòu)要求具有較好的流體動力外形，在氣流的作用下產(chǎn)生空氣動力使風輪旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)化為齒輪箱的機械能，進而驅(qū)動發(fā)電機組有機械能轉(zhuǎn)化為電能。電能需要經(jīng)過電控系統(tǒng)進行調(diào)整、變化、輸出，轉(zhuǎn)化為蓄電池的化學能或直接接負載供電。獨立運行方式下，風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2　電控系統(tǒng)設(shè)計

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，本項目經(jīng)過對比，選用硅整流自勵單相交流發(fā)電機。儲能蓄電池采用高密度、小體積的鋰電池組；鋰電池組的勵磁繞組之間采取串聯(lián)勵磁調(diào)節(jié)器。利用爪形磁極，使轉(zhuǎn)子勵磁繞組與滑環(huán)相接，硅整流器的直流輸出端與電刷相接，獲得直流勵磁電流。由于風力的隨機變化，導致齒輪箱軸轉(zhuǎn)速變化。發(fā)電機的出口電壓發(fā)生波動，勵磁磁場變化，再次造成風力發(fā)電機出口電壓波動。這樣電壓波動會增大，影響負載供電。本項目風力發(fā)電機電控系統(tǒng)需要配置勵磁調(diào)節(jié)器，通過繼電器恢復(fù)正常勵磁狀態(tài)。這樣同時可以避免鋰電池組充滿的過沖問題和負荷變化造成的系統(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。

圖1　獨立運行方式下風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

風力發(fā)電機組由于風速的變化，造成發(fā)電機輸出的頻率和幅值隨時變化而產(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，需要對輸出電流進行整流后變成直流，再調(diào)整進行儲存，或?qū)⒅绷髟倌孀兘涣鹘咏涣髫撦d。整流過程采用單相橋式整流電路。該電路由四個二階管和負載電阻組成，電路的定量關(guān)系和元件型號選擇由下述公式計算確定。

脈動直流電壓的平均值：

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)本項目實際需要，進行計算選用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分鐘電源電極進行自動倒換。

3　結(jié)論

通過對內(nèi)蒙古地區(qū)風力資源情況和小型風力發(fā)電設(shè)備使用狀況的分析，得出內(nèi)蒙古大力推廣風力發(fā)電的可行性。同時，針對內(nèi)蒙古遠離電網(wǎng)的偏遠農(nóng)牧區(qū)的實際情況，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，使用獨立運行方式的風力發(fā)電設(shè)備成為必然。根據(jù)風力發(fā)電受風速大小影響發(fā)電設(shè)備輸出電壓波動較大的特點，為減小電壓波動對負載的影響，本項目配置勵磁調(diào)機器使系統(tǒng)回復(fù)正常勵磁。為了保證儲能系統(tǒng)對電能的儲存效率，采用大密度鋰電磁組，依據(jù)理論計算出電控系統(tǒng)的參數(shù)，從而為選擇系統(tǒng)元件提供科學依據(jù)。

［1］常波.基于分布式電源供電系統(tǒng)充電站的研究與設(shè)計［D］.保定：華北電力大學，2012.

［2］賈淼.交流雙饋變速恒頻風力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究 ［D］.淮南：安徽理工大學，2012.

［3］雍新萍.內(nèi)蒙古風力發(fā)電項目現(xiàn)狀分析及發(fā)展對策研究［D］.保定：華北電力大學，2008.

［4］趙虎，王三根，王紀元.風光互補發(fā)電系統(tǒng)在普適農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)機化研究，2010，（12）：198-201.

Research on the Design of Electric Control System based on Wind Power Generation

JIA Furong，F(xiàn)AN Gangqiang，ZHANG Xiaoju
（Hetao college，Bayannaoer 015000）

According to the advantage of abundant wind resources in Inner Mongolia region，away from the grid of the farmers and herdsmen drinking water purification of electricity cost is proposed based on silicon rectifier self-excited single phase AC generator of the independent operation of small wind turbines to generate electricity. Output voltage of the wind power with the change of the wind velocity caused by the instability of the excitation regulator to adjust，control system parameters according to the theory analysis and calculation，at the same time，for the problem of solving the continuous purification rate of water purification equipment，using DC pulse power supply.

wind power generation，electric control system，DC pulse power supply

河套學院科研項目（HTXYZY13011）。