小型風力發(fā)電實驗裝置的設(shè)計與制作

孫澤臣++李佳興

[摘 ?要]人類在經(jīng)歷了長久的發(fā)展已經(jīng)進入了新的文明時代，科技日新月異，但自然環(huán)境卻收到了嚴重的破壞，傳統(tǒng)能源也在損耗中越來越少，使得世界必須對能源應用有新的認識，在環(huán)保、節(jié)能的理念下，強化對新能源的開發(fā)、應用，將人類向可持續(xù)方向發(fā)展。風能是一種自然能源，取之不盡、用之不竭，且具有清潔、無污染的優(yōu)勢，因此作為了新能源開發(fā)的一個重點，引起了世界的極大關(guān)注。對小型風力發(fā)電技術(shù)的研究，可在實驗室開展，并通過風電試驗平臺的建立就可順利開展。本文對500w直驅(qū)式風力發(fā)電試驗平臺的設(shè)計方案做了詳細的研究，包含了風力機模擬裝置、電力電子變換裝置、永磁同步發(fā)電機、DSP控制器等硬件部件。實驗表明該試驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，并能保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。

[關(guān)鍵詞]風能 ?小型風力發(fā)電實驗 ?平臺設(shè)計

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）24-0121-01

時代的巨輪不斷向前，社會也在不斷發(fā)展，各行業(yè)各領(lǐng)域?qū)δ茉吹男枨笠苍絹碓酱螅瑐鹘y(tǒng)能源如煤炭、石油等，都是不可再生資源且急速消耗，為了節(jié)約對傳統(tǒng)能源等損耗，世界各國都加大了對新能源的開發(fā)和利用。風能是一種自然界就能獲取的資源，不僅可利用，還具有取之不盡、用之不竭、清潔無污染等優(yōu)勢，被人們稱為“綠色能源”。風能具有不需要采購、運輸，開采，消耗資源的的特點，因此在國內(nèi)外取得了廣泛的應用。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)一般采用雙饋電機或直驅(qū)電機，直驅(qū)式風力發(fā)電以其自身的優(yōu)點成為未來風力發(fā)電發(fā)展的方向。在實驗室建立直驅(qū)式風力發(fā)電的試驗平臺，研究變流器以及并網(wǎng)的控制策略，對風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展十分重要。在對直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)原理研究的基礎(chǔ)上，致力于小功率直驅(qū)式風力發(fā)電試驗平臺的設(shè)計是工作的重點。

一、小型風力發(fā)電系統(tǒng)及小型風力發(fā)電組的優(yōu)點

（一）小型風力發(fā)電系統(tǒng)風能發(fā)電的原理

是利用風力機將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，風力機帶動發(fā)電機再將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。小型風力發(fā)電系統(tǒng)一般將發(fā)電機發(fā)出的電能用儲存設(shè)備儲存起來（一般用蓄電池），需要時再提供給負載，并可以通過整流，逆變裝置將發(fā)電機輸出的電能進行交直流變換[1]，適應負載的需要。

（二）小型風力發(fā)電組的優(yōu)點

①機動性高：小型發(fā)電機可配合需要增加或變更組件大小;②安裝方便：可根據(jù)需要隨時安裝，安裝簡單，快速解決日常用電問題;③能源使用多元化：小型發(fā)電機可與多種不同的可再生能源組合，方便可靠;④量身定做的電力使用：某些小型發(fā)電機種可以配合實際的電力需求調(diào)節(jié)發(fā)電量，提升發(fā)電效率;⑤可靠且穩(wěn)定：小型發(fā)電機組容易維修，它屬于小地區(qū)發(fā)電與輸配網(wǎng)路，萬一斷電的話，影響較小;⑥減少對環(huán)境的沖擊：減少因燃燒木柴、干草以及使用電池后遺留下的重金屬對環(huán)境與地下水的污染。

二、建立直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)的實驗平臺

（一）直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)基本原理

直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)采用風力機和永磁同步發(fā)電機直接耦合，與雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)相比較省去了故障率較高的齒輪箱。永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子為永磁式，無需外部提供勵磁。永磁同步發(fā)電機發(fā)出頻率變化的交流電，經(jīng)整流器整流成直流電后，再經(jīng)過逆變器變換為頻率恒定的交流電并入電網(wǎng)。發(fā)電機組所產(chǎn)生的電能都要經(jīng)過變流器送入電網(wǎng)，變流器的容量和永磁同步發(fā)電機的容量相同。直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

風力發(fā)電系統(tǒng)各部分的組成及功能如下：

①發(fā)電系統(tǒng)：由風力機帶動永磁同步發(fā)電機發(fā)出頻率變化的交流電，并送入整流器進行整流，是整個系統(tǒng)能量的來源。

②變流器：采用IPM智能功率模塊構(gòu)成AC/DC和DC/AC變流器，采用一定的控制方法控制發(fā)電機側(cè)變流器，將發(fā)電機發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并控制發(fā)電機發(fā)出的交流電為正弦交流電;控制網(wǎng)側(cè)變流器工作在有源逆變狀態(tài)，把直流電變換為三相正弦交流電并能進行單位功率因數(shù)并網(wǎng)[2]。IPM模塊將功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，并有過電壓、過電流以及橋臂互鎖等保護電路。

③中間直流環(huán)節(jié)：采用大電容作為中間直流環(huán)節(jié)，其主要作用是緩沖變流器交流側(cè)和直流負載之間的能量交換，并能穩(wěn)定直流側(cè)電壓，抑制直流側(cè)諧波電壓。

（二）試驗平臺方案設(shè)計

1.硬件設(shè)計

試驗平臺系統(tǒng)主要包括風力機模擬裝置、永磁同步發(fā)電機，背靠背雙PWM變換器、電壓電流檢測裝置、并網(wǎng)變壓器以及主控DSP芯片以及相應的驅(qū)動和保護電路。

①直驅(qū)式風力發(fā)電試驗平臺采用變頻器拖動三相異步電動機模擬風力機，帶動永磁同步發(fā)電機運行，異步電動機和永磁同步發(fā)機均采用容量為500W的電機，異步電機和永磁同步發(fā)電機安裝在同一個底座上，并用聯(lián)軸器連接，采用光電編碼器測量電機的實時轉(zhuǎn)速。異步電機的控制采用變頻器調(diào)速來控制電機的轉(zhuǎn)速，用來模擬風速的變化。

②發(fā)電機側(cè)變流器和并網(wǎng)變流器可以采用IPM模塊和IGBT封裝模塊構(gòu)建，試驗平臺采用IPM智能功率模塊，總共需要2片IPM模塊構(gòu)造機側(cè)變流器和并網(wǎng)變流器。由于試驗平臺的設(shè)計是基于容量為500W的永磁同步發(fā)電機，而變流器的容量選擇與電機相同或略大一些，所以IGBT單管的耐壓值應選取1200V以上，電流值選取40A，中間直流環(huán)節(jié)采用兩只220uF的電解電容串聯(lián)，以提高耐壓值。

③根據(jù)永磁同步發(fā)電機的輸出電壓和輸出功率，并留取一定的安全裕量，并網(wǎng)變壓器的容量選取為0.8KW。并網(wǎng)逆變器的輸出經(jīng)并網(wǎng)變壓器直接與電網(wǎng)連接運行。

④試驗平臺中的機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器分別采用兩塊DSP開發(fā)板控制，兩片控制芯片通過串口進行通訊。兩套DSP控制電路均采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2812芯片負責AD采樣、完成控制算法以及生成SVPWM驅(qū)動波。

⑤在試驗平臺系統(tǒng)中需要分別采樣機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的交流電壓和交流電流以及中間直流環(huán)節(jié)的電壓值，該系統(tǒng)采樣使用LEM公司生產(chǎn)的電壓和電流傳感器，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置通過光電編碼器檢測得到。傳感器參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)的容量選擇安裝。試驗平臺硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

（三）實驗結(jié)果

在風力發(fā)電原理上，根據(jù)系統(tǒng)的硬件元器件選型和控制方案設(shè)計，構(gòu)造了試驗系統(tǒng)，可以滿足發(fā)電系統(tǒng)的電流需求。

三、結(jié)語

本文對小型風力發(fā)電系統(tǒng)及其優(yōu)勢做了簡述，對在風力發(fā)電原理基礎(chǔ)上建立了直驅(qū)式風力發(fā)電試驗平臺，對硬件、軟件、控制方案進行了設(shè)計，可以滿足發(fā)電需求，印證了設(shè)計的合理性和正確性，為小型發(fā)電系統(tǒng)實驗室研究提供實現(xiàn)的平臺。

參考文獻：

[1]金子軼.獨立運行小型風力發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].大連交通大學，2013.

[2]王小娟.小型風力發(fā)電系統(tǒng)集成控制的設(shè)計與實現(xiàn)[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2009.