并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模擬研究

胡嘉慧

（西北民族大學(xué)，甘肅蘭州，730124）

1 風(fēng)力發(fā)電背景及研究意義

風(fēng)力發(fā)電是指把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能。風(fēng)是一種沒有公害的能源，利用風(fēng)力發(fā)電非常環(huán)保，且能夠產(chǎn)生的電能非常巨大，因此越來越多的國家更加重視風(fēng)力發(fā)電。用風(fēng)力發(fā)電的嘗試，早在二十世紀(jì)初就已經(jīng)開始了。三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù)，成功地研制了一些小型風(fēng)力發(fā)電裝置。這種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，廣泛在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村使用，它所獲得的電力成本比小型內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電成本低得多。不過，當(dāng)時(shí)的發(fā)電量較低，大都在5千瓦以下。由于風(fēng)能豐富，價(jià)格便宜，可再生，可大范圍內(nèi)獲取，無污染等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是目前國內(nèi)外電力事業(yè)發(fā)展趨勢(shì)之一。

我們把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，大體上可分風(fēng)輪(包括尾舵)、發(fā)電機(jī)和鐵塔三部分。發(fā)電機(jī)的作用，是把由風(fēng)輪得到的恒定轉(zhuǎn)速，通過升速傳遞給發(fā)電機(jī)構(gòu)均勻運(yùn)轉(zhuǎn)，因而把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

目前對(duì)于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的教育和培訓(xùn)工作依然停留在理論講授的成面，主要從理論的角度向?qū)W員介紹風(fēng)力發(fā)電的工作原理，設(shè)計(jì)和安裝要領(lǐng)等，很少有實(shí)訓(xùn)的機(jī)會(huì)。且人才培養(yǎng)機(jī)構(gòu)在風(fēng)電設(shè)備的數(shù)量是明顯的不足，教學(xué)科研設(shè)備短缺，造成這種現(xiàn)象的原因有很多，資金投入不夠，缺乏對(duì)先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的引進(jìn)，而且風(fēng)電設(shè)備規(guī)模相對(duì)來說都較大，學(xué)校沒有合適的場(chǎng)地存放。學(xué)員們?cè)谶@樣的條件下，實(shí)操訓(xùn)練時(shí)間有限，掌握的知識(shí)也有限，學(xué)習(xí)進(jìn)程慢，教學(xué)效果較差。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的專業(yè)人才培養(yǎng)，應(yīng)該打破只教授理論知識(shí)的一貫教學(xué)方式，注重理論知識(shí)與實(shí)踐操作的結(jié)合，積極探究工學(xué)結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)形式，促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電專業(yè)人才培養(yǎng)模式的改革進(jìn)程。

2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)模擬裝置的總體設(shè)計(jì)

并網(wǎng)裝置的總體設(shè)計(jì)方案：風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)模擬裝置的組成部分有發(fā)電機(jī)、逆變器、升壓變壓器、降壓變壓器、負(fù)載和信息采集系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)發(fā)電，通過導(dǎo)線連接到電壓采集電路上，電路采集到的數(shù)據(jù)直接被 STM32 單片機(jī)，單片機(jī)通過采集到的數(shù)據(jù)判斷數(shù)值是否超過設(shè)定值，超過就執(zhí)行報(bào)警系統(tǒng)，不超過則將數(shù)據(jù)整合后傳到 OLED 顯示器上顯示出來，采集后直流電被傳輸?shù)侥孀兤鬓D(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡ㄟ^逆變器的電壓與頻率都是固定的，設(shè)計(jì)中采用程序?qū)?shù)據(jù)顯示在屏幕上，接著電能傳送到升壓變壓器變壓器，HLW8032 能耗采集模塊對(duì)升壓后的電能進(jìn)行采集，通過串口傳送到 STM32 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，并傳到OLED 顯示器上顯示，升壓后對(duì)電能進(jìn)行降壓，HLW8032 能耗采集模塊再對(duì)降壓后的電能數(shù)據(jù)采集，通過串口傳到 STM32 模塊進(jìn)行處理顯示。降壓后的電能再供給負(fù)載使用。

信息采集系統(tǒng)：系統(tǒng)主要由 STM32F103C8 模塊、HLW8032 模塊和 OLED顯示器組成，用于各個(gè)部分電能采集的是 HLW8032 能耗采集模塊，內(nèi)置頻率振蕩器、電壓參考源和電源監(jiān)控電路，采用 UART 通訊方式，適用于單相兩線的電能計(jì)算，在設(shè)計(jì)中用于電壓、電流、有功功率、視在功率和功率因的采集。數(shù)據(jù)合成模塊以 STM8032 模塊為主，外接用于保護(hù)的繼電器電路、報(bào)警系統(tǒng)、電壓檢測(cè)電路和 OLED 等構(gòu)成數(shù)據(jù)合成系統(tǒng)，數(shù)據(jù)合成系統(tǒng)接收來自HLW8032 的數(shù)據(jù)，送往 OLED 屏幕顯示，通過顯示的數(shù)據(jù)可以分析系統(tǒng)是否正常工作。升壓變壓器和降壓變壓器，都是低頻單向變壓器其鐵芯形狀為EI，變壓系統(tǒng)對(duì)電源傳輸過來的電能進(jìn)行升壓，再對(duì)電能進(jìn)行降壓，模擬了風(fēng)力發(fā)電的升壓，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，到用戶附近進(jìn)行降壓使用電能的過程。

在設(shè)計(jì)中信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)合成采用的是STM32F 103C8T6為核心的開發(fā)板，該芯片是基于 ARM的32位通用增強(qiáng)型微控制器，64K 閃存程序存儲(chǔ)器，工業(yè)級(jí)溫度范圍是-40℃～85℃，最高頻率是 72MHz，在設(shè)計(jì)中 STM32 需要與 兩個(gè) HLW8032 進(jìn)行通訊，該芯片總共有3個(gè)串口，串口設(shè)計(jì)中使用了接收數(shù)據(jù)(RXD)、發(fā)送數(shù)據(jù)(TXD)和信號(hào)地(GND)這三個(gè)引腳，完全滿足設(shè)計(jì)的串口使用，而且STM32擁有強(qiáng)大的時(shí)鐘系統(tǒng)，主要因?yàn)樵O(shè)有內(nèi)部鎖相環(huán)，一般系統(tǒng)時(shí)鐘都是外部或者是內(nèi)部高速時(shí)鐘經(jīng)過內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻后得到，鎖相回路或鎖相環(huán)，它能為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)，使得系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)模擬裝置的硬件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)供電電源

直流可調(diào)電源，系統(tǒng)供電設(shè)備，電源電路圖如圖2所示，交流電在 B1 整流橋轉(zhuǎn)換成直流電，電能通過 EPC17 時(shí)降低電壓為 12V，60W 的電能，調(diào)節(jié)可變電阻器 RP1，可以對(duì)輸出電壓再次調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)使用的是直流電，啟動(dòng)電流、電壓都很小，模擬裝置中應(yīng)用直流可調(diào)電源能提供直流電源，電壓電流都能夠滿足電動(dòng)機(jī)，同時(shí)作為風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)模擬裝置的啟動(dòng)和停止按鈕。

圖2 直流可調(diào)電源電路圖

（2）電動(dòng)機(jī)

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)模擬裝置要方便于教學(xué)的使用，所以模擬裝置受到多方面因數(shù)的影響，模擬裝置沒辦法使用真正的風(fēng)力來發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電只能模擬完成，為此選用電動(dòng)機(jī)來代替風(fēng)能，使電動(dòng)機(jī)通過皮帶帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電來完成模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電過程。設(shè)計(jì)中所用的直流電動(dòng)機(jī)純銅線圈、扭矩大、動(dòng)力足，電動(dòng)機(jī)的扭力比發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)下的扭力要大很多，自帶散熱風(fēng)扇，12V 時(shí)轉(zhuǎn)速 5000每分鐘，空載電流約 0.94A。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)得越快，發(fā)電機(jī)輸出的電壓越大，但是存在不足之處，電流越大時(shí)，發(fā)電機(jī)阻力也越大，也不滿足發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)扭力，在啟動(dòng)時(shí)需要用外力轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)的滾動(dòng)軸，發(fā)電機(jī)才能順利啟動(dòng)。

（3）發(fā)電機(jī)

交流發(fā)電機(jī)價(jià)格昂貴，帶負(fù)載時(shí)輸出電能頻率控制困難，而且體積龐大，能夠帶動(dòng)的電動(dòng)機(jī)體積也很大，這就導(dǎo)致攜帶不方便的同時(shí)還增加設(shè)計(jì)的成本，為此設(shè)計(jì)中使用直流發(fā)電機(jī)來代替，直流發(fā)電機(jī)的使用讓設(shè)計(jì)不得不增加逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，使用的發(fā)電機(jī)還要考慮發(fā)電機(jī)的功率是否滿足逆變器的條件，設(shè)計(jì)中的發(fā)電機(jī)是永磁式硅整流發(fā)電機(jī)，由勵(lì)磁硅整流發(fā)電機(jī)與永磁恒壓交流發(fā)電機(jī)合并改進(jìn)而成的，采用永久性磁條式轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)定子輸出的是交流電，內(nèi)部自帶整流以及全波穩(wěn)壓裝置輸出成直流電同時(shí)提高了發(fā)電機(jī)功率，發(fā)電機(jī)功率達(dá)到 10W 以上，設(shè)計(jì)中逆變器只需 10W 的功率就可以帶動(dòng)。

（4）逆變器

模擬裝置中發(fā)電機(jī)輸出的電能是直流電，在實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電廠輸出的電能是交流電，所以需要逆變器把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，切合實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電，逆變器電路圖如圖3所示，電能流經(jīng)逆變器，在 Q1 與 Q2 間輪流導(dǎo)通得到交流電，設(shè)計(jì)中選擇逆變器時(shí)要注意功率不能小于或等于系統(tǒng)瞬間啟動(dòng)峰值功率，必須預(yù)大 20%左右，也就是說，所選用的是12V，1200W 的逆變器所帶的實(shí)際功率不超過 600W，輸出的電壓是 220V，頻率為 50Hz，其空載電流小于 0.9A，這是因?yàn)槟孀兤魇侵绷麟娹D(zhuǎn)換交流電的轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換過程有損耗。

圖3 逆變器電路圖

（5）高壓輸電

高壓輸電是通過發(fā)電廠用變壓器將發(fā)電機(jī)輸出的電壓升壓后傳輸?shù)囊环N方式。之所以采用這種方式輸電是因?yàn)樵谕旊姽β实那闆r下，電壓越高電流就越小，這樣高壓輸電就能減少輸電時(shí)的電流從而降低因電流產(chǎn)生的熱損耗和降低遠(yuǎn)距離輸電的材料成本。

從現(xiàn)實(shí)來看，發(fā)電廠一般離用電用戶都很遠(yuǎn)，導(dǎo)致這種原因的有很多，風(fēng)力發(fā)電廠受到制約的因數(shù)則更多，發(fā)電廠發(fā)電后就面臨遠(yuǎn)距離輸送的問題，電能的輸送基本要求是可靠、保質(zhì)、經(jīng)濟(jì)，可靠指的是要求保證供電線路可靠的工作，減少故障和停電；保質(zhì)就是保證電能的質(zhì)量，電壓和頻率要穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)指的是輸電線路建造、運(yùn)行費(fèi)用低，損耗小、電價(jià)低。在電力系統(tǒng)中電抗消耗的是無功功率，發(fā)電機(jī)輸出電能時(shí)無功功率本來就不足，這就導(dǎo)致了需要在電力系統(tǒng)中設(shè)置變電站對(duì)電能進(jìn)行無功補(bǔ)償，以及使用分裂導(dǎo)線輸送電能也可以減小電抗，模擬裝置中使用的是變壓器，高壓輸電原本就是為了減小電流，降低損耗而且電阻消耗的是有功功率。經(jīng)過一系列的綜合考慮與研究后發(fā)現(xiàn)，采用高壓輸電是減小輸電線上功率損失的最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施，因此這就是發(fā)電廠先對(duì)電能升壓后再傳輸?shù)脑颉?/p>

4 總結(jié)

本文主要針對(duì)我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)知識(shí)在教學(xué)上風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)模擬裝置欠缺，導(dǎo)致學(xué)校教師只能上理論教學(xué)而設(shè)計(jì)的，該裝置通過發(fā)電機(jī)發(fā)電、將電能通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流、在把電能升壓運(yùn)輸、降壓到負(fù)載使用，做到了風(fēng)力發(fā)電廠從發(fā)電到用戶使用的全程模擬，使得學(xué)生不用去風(fēng)力發(fā)電廠在教室內(nèi)就可以觀察，而且所占空間小，既方便于老師的教學(xué)也節(jié)省了大量的時(shí)間和資源。信息采集系統(tǒng)中采用 HLW8032 能耗采集模塊來采集各個(gè)部分的電能數(shù)據(jù)，STM32 作為數(shù)據(jù)合成芯片，在通過其他一系列的輔助電路一起將風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)模擬裝置的電能數(shù)據(jù)傳到 OLED 顯示器上顯示出來。本文的優(yōu)勢(shì)在于材料成本低、模塊低功耗等通過軟硬件結(jié)合來設(shè)計(jì)的，具有體積小重量輕便于攜帶，結(jié)構(gòu)透明，模塊與模塊之間很明了，靈活的教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)工作時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能、逆變器的電能數(shù)據(jù)、升壓和降壓的電能數(shù)據(jù)都顯示在 OLED 上，學(xué)生通過按下翻頁按鈕就可以找到自己想要看的模塊數(shù)據(jù)，讓老師以簡(jiǎn)單的上課方式就可以快速的教會(huì)學(xué)生平時(shí)難教難懂得知識(shí)，大大提升學(xué)習(xí)的效率。