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风力发电机系统蓄电池系统学号：20112104425姓名：艾热拉提.马木西风力发电机系统蓄电池系统【摘要】风能是可再生能源中最重要的能源之一,风力发电对于改善能源结构、推动生态和环境建设具有十分重要的意义。小型风力发电系统具有投资小、使用灵活的特点,非常适合于解决居住相对分散、风力资源较好的无电地区居民的用电问题,具有广阔的市场前景。小型风力发电系统虽然已经在国内外大规模使用,但由于存在效率低和可靠性不高的问题,直接限制了小型风力发电系统的推广应用和发展。本文引入能量管理集成控制的思想,从分析系统工作原理、能量流动关系和工作模式转换入手,通过系统数学建模、仿真研究和实验研究,以期实现小型风力发电系统的优化及可靠运行。论文首先简述了风力发电的意义和风能利用及风力发电历史,综述了美国、加拿大、欧洲和我国的小型风力发电发展现状和趋势,总结了小型风力发电的应用状态及存在问题,概括了小型风力发电系统的国内外研究状况。其次,为了提高小型风力发电系统能量转换效率和可靠性,采用了定桨距风力机直接耦合永磁同步发电机的拓扑结构,在二极管整流桥与蓄电池之间插入DC/DC变换器实现功率调节,结合机械折尾翼与耗能电阻方式进行风力机限速保护。介绍了研究的小型风力发电系统各组成部分的工作原理,阐述了风力机运行特性、DC/DC变换器阻抗变换原理及通过DC/DC变换器实现最大功率跟踪控制和负载跟踪控制的功率调节原理。第三,分析了传统小型风力发电系统的工作特性,指出了系统无功率调节及风力机与发电机功率匹配不尽合理是系统效率低的主要原因,系统不对充放电电流进行控制会引起蓄电池提前损坏。为了实现系统的优化及可靠运行,将能量管理集成控制思想引入小型风力发电系统,完成对系统内部能量变换、流动及设备安全保护的检测和控制。分析了小型风力发电系统中的能量流动关系以及系统可能的工作模式,找出能量在系统内部转换的规律和工作模式转换条件,建立了工作模式转换图。第四,介绍了最大功率跟踪控制方法的原理,给出了一种无机械传感器的最佳功率给定法,针对小型风力发电系统的非线性和时变性特点,设计了一种自整定型模糊PID控制器进行功率调节。第五,分析了铅酸蓄电池的工作特性和影响蓄电池寿命的各种因素,结合快速充电原理和风力发电系统特性,提出了一种变电流快速充电和基于电流补偿的回差电压放电控制策略。变电流快速充电控制既能够快速储存能量,又可以避免过充电;具有电流补偿功能的回差电压放电控制能够保证在不同放电电流下蓄电池放出相同的能量,同时又避免过放电。2.3风力机工作原理风力发动机的风轮与纸风车转动原理一样，但是，风轮叶片具有比较合理的形状。为了减小阻力，其断面呈流线型。前缘有很好的圆角，尾部有相当尖锐的后缘，表面光滑，风吹来时能产生向上的合力，驱动风轮很快地转动。对于功率较大的风力发动机，风轮的转速是很低的，而与之联合工作的机械，转速要求较高，因此必须设置变速箱，把风轮转速提高到工作机械的工作转速。风力发动机只有当风垂直地吹向风轮转动面时，才能发出最大功率来，由于风向多变，因此还要有一种装置，使之在风向变化时，保证风轮跟着转动，自动对淮风向，这就是机尾的作用。风力发动机是多种工作机械的原动机。利用它带动水泵和水车，就是风力提水机；带动碾米机，就是风力碾米机；此类机械统称为风能的直接利用装置。带动发电机的就叫风力发电机。它们均由两大部分组成，一部分是风力发动机本体和附件，是把风能转化为机械能的装置；另一部分是电气部分，包括发电机及电气装置，把机械能转化为电能，并可靠地提供给用户。小风力发电机的容量不大，功率一般从几瓦到几千瓦，大都具有结构简单，搬运方便的优点。按风力发动机与发电机的连接方式分，有变速连接的和直接连接的两种。3.2运行方式风能发电的主要形式有三种：一是独立运行；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合；三是风力并网发电。小型独立风力发电系统：小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。它的构成为：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。风力发电机系统蓄电池的合理配置有了合适的风力资源，怎样选择一台合适的风力发电机呢？这需要根据实际用电情况，计算需要的用电负荷，根据用电负荷来选择合适功率的发电机。常见用电设备的功率和估计用电量参考下表：电器名称一般电功率(W)估计用电量（度）窗式空调机800-1300最高每小时0.8-1.3灯泡60-100每小时0.06到0.1家用电冰箱65-130大约每日0.85-1.7家用洗衣机(单缸)(双缸)加热（滚动式）230-380850-1750最高每小时0.23最高每小时0.38最高每小时0.85-1.75微波炉950每10分钟0.16电热淋浴器1200每小时1.2电水壶2000每小时2电饭煲1200每小时1.2电熨斗750每20分钟0.25理发吹风器450每5分钟0.04电脑300每小时0.3吸尘器400每15分钟0.1吊扇（大型）（小型）15075每小时0.15每小时0.08其他设备如电动机、水泵、通信设备、监测设备等未列出，请根据具体设备的功率进行计算。一般用电设备按负载分为三大类，即电阻性负载（如灯泡、热水器、电视机）、电容性负载（如交换式电源供应器）及电感性负载（如传动马达、洗衣机、水泵、空调）。在计算总功率时电阻性负载和电容性负载按实际功率累加，电感性负载按三倍实际功率累加，得到的总功率再乘1.2即为所需风力发电机的功率。比如1台800W空调+3个60W灯泡+1台200W电视机，所需的风力发电机功率为(800×3+3×60+200)×1.2=3336W。但如果当地的风力资源较好，或者用电时间短则可以选用更小一点功率的风力发电机，能够提供每日所需总用电量即可。三、逆变器的选择如果电器中有电感性负载，则需要使用正弦波逆变器；如果只有电阻性负载和电容性负载则只配备修正波或方波逆变器即可。这是因为电感性负载的反电动势是修正波或方波的致命伤，必须使用正弦波。而电容性负载需要较高的峰值电压来驱动，修正波或方波恰好有高峰值的特性，无须使用正弦波。在选择逆变器功率时需注意，一定要保证逆变器的最大输出功率大于同时使用的用电设备的总功率（电感性负载的功率按三倍实际功率计算）。四、是否并网如果当地法规允许用户的发电机并入电网，则可以选择并网控制器和并网逆变器，将风力发电机发出的电并入电网；用户的用电设备可连接电网使用，这样就省去了蓄电池组。客户在订购我们的产品时，只需注明是否并网即可，我们会根据客户的需要来选择控制器和逆变器。五、选择蓄电池在离网环境中风力发电机的应用需要配合蓄电池，蓄电池组的总容量按以下经验公式计算：总容量=（每日用电时间×用电器总功率×1.67）÷蓄电池组电压。在实际应用中，蓄电池组的电压需和风力发电机的额定输出直流电压一致。下面举例说明：用电设备总功率800W、每天用电6小时、风力发电机功率1000W、额定电压48V，则配套蓄电池的理论总容量=（6×800×1.67）÷48=167AH。在实际配置中应该比计算值稍大一点，因为蓄电池是不应该完全放电的，因此选择200AH48V的蓄电池一块，或100AH24V的蓄电池两块串联使用。但不应配置更大的蓄电池，以免蓄电池因长时间浮充或充不满影响寿命。蓄电池配置说明：1.蓄电池必须安放在干燥的室温较稳定的建筑物内，安放蓄电池的四周要宽敞通风，确定好蓄电池串联的总数量，然后设计安放蓄电池和控制器、逆变器的支架。2.将蓄电池串联起来，具体方法是：第一块电池的正极接第二块电池的负极，依次类推。3.把所有接线头部位都涂上油脂或其他防腐蚀材料，在蓄电池正极安装保险丝。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。1.蓄电池容量的确定蓄电池容量配置的是否合理，直接影响风力发电的各项技术经济指标。容量选的小了，多风时发出的富余电量得不到充分储存。容量选的太大，一则增加投资；二则蓄电池可能会长期处于充电不满状态，将会影响蓄电池的效率和使用寿命。表一为蓄电池在风力发电设备中所占投资情况。一般常规充电是“两阶段恒电流充电”，此法既不浪费电力，充电时间短，对延长蓄电池使用寿命有利，同时计算蓄电池容量也容易得多。风力发电的情况，则不同于常规充电。由于风速经常变化，电机输出的电流时大时小，时有时无，这样蓄电池充电电流和所需充电时间就很难确定。针对这种实际情况，我们采用如下两种计算方法来确定配置蓄电池容量。1.电量平衡计算法。计算步骤如下：a.根据当地气象部门提供的风速资料，以十天为一时度，逐旬分别统计风机起始工作风速至停机风由范围内的不同风速发生小时数。b.根据选用的风力发电机的P＝f(V)特性曲线和风速资料，计算—台机逐旬所能发出的电量，并绘出其全年发电量过程曲线。图—是根据内蒙察右后旗的风速资料计算绘制的商都牧机厂ED1.5～100型风机的年发电量过程线。计算得出该机在当地的风况下，年发电量为276度。从过程线看出各旬的发电量变化很大，最多的四月下旬为19度，最少的二月下旬仅0.95度、相差近20倍，说明配置蓄电池进行储能调节是必要的。C根据用电信况，计算出逐旬的用电量，并给出全年用电量过程线。附图中虚线所示。d.比较发电量和用电量过程线，以发电少于用电差值最大的时段(图中斜线部分)的电量来确定所需蓄电池容量。图中差值最大的电量为2。3度。需配置2300伏安时电池，实际选用12伏48安时蓄电池4块。总容量2304伏安时。2.经验计算法根据我们试点的经验，在察右后旗、商都地区的风况下，也可采用以下公式简便估算所需电池容量。即式中：Q——所需配置蓄电池容量(安时)；p——负载功率(瓦)；t——日用电小时数；U——标准蓄电池电压(一般为12伏)；n——电池储备周期系数；(根据风况而确定，一般取3～8天)K——放电控制系数、(取0.75～0.8)上式考虑了：①用电设备的额定功率，②当地气象情况，即无风期平均时间，⑧为了防止蓄电池过放电，放电应控制在一定程度。仍以察右后旗为例，安装一台100瓦机，供3户用电，每户装设12伏15瓦的灯泡2只平均每天照明5小时，计算所需配置的蓄电池容量。(储备系数取6，放电控制系数取0.8)代入公式得：选用6块l2伏48安时蓄电池，总容量288安时。确定标准电池时，必须注意：蓄电油组的容量应能安全接受风力发电机输出的最大电流强度Imax。3.蓄电池的类型选择蓄电池有多种类型，目前，风力发电普通采用于荷铅酸蓄电池。这种电池灌液后，经过30分钟，待液温为l5℃时即可使用，不需要进行初充电。对刚刚安装风力机，又不具备初充电条件的偏远地方，立即可以用电，是很优越的。这种电池的缺点是体积和重量较大，搬运不方便。市场销售的铝酸蓄电池多是机动车启动用电池，其极板结构和制造特点，使用在风力发电的充放运行条件下，是不适合的，使用命短，一般只有2～3年左右。在容量较大的风力发电站中，最好采用固定型防酸隔爆式铅蓄电池，这种电池具有容量大，电液比重较低(15℃时约在1.21左右)，减少对极板和隔板的腐蚀，可延长蒸发时间，还有防渗漏措施，减少了对地的