賈福榮　樊剛強(qiáng)　張曉菊

（河套學(xué)院，巴彥淖爾015000）

基于風(fēng)力發(fā)電的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

賈福榮樊剛強(qiáng)張曉菊

（河套學(xué)院，巴彥淖爾015000）

利用內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)力資源較為豐富的優(yōu)勢(shì)，解決遠(yuǎn)離電網(wǎng)的農(nóng)牧民飲用水凈化的用電成本問(wèn)題，提出使用基于硅整流自勵(lì)單相交流發(fā)電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行方式的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)整風(fēng)力發(fā)電隨著風(fēng)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(jì)算得出。同時(shí)，為解決凈水設(shè)備持續(xù)凈化率的問(wèn)題，建議采用直流脈沖電源。

風(fēng)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(lái)將會(huì)出現(xiàn)資源枯竭。同時(shí)，使用過(guò)程中給環(huán)境帶來(lái)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(yáng)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(guó)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(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能占到全國(guó)的40%左右。早在20世紀(jì)七十年代，內(nèi)蒙古地區(qū)就開(kāi)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(wàn)千瓦，占全國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量的1/3，居全國(guó)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(wàn)農(nóng)牧民的用電問(wèn)題。

本課題通過(guò)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(wèn)題，讓農(nóng)牧民較為經(jīng)濟(jì)地喝到滿(mǎn)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(guò)程是清潔無(wú)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(lái)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(lái)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。本項(xiàng)目研究的目的是為了解決遠(yuǎn)離電網(wǎng)的農(nóng)牧民水凈化設(shè)備的電能問(wèn)題，所以選擇獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)。

獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最重要的風(fēng)電機(jī)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(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(guò)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。

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(guò)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(chǎng)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(guò)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(mǎn)的過(guò)沖問(wèn)題和負(fù)荷變化造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定問(wèn)題。延長(zhǎng)電池組壽命，增加系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定性。

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

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(guò)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(wèn)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　結(jié)論

通過(guò)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)。

［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(jì)［D］.保定：華北電力大學(xué)，2012.

［2］賈淼.交流雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究 ［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2012.

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

［4］趙虎，王三根，王紀(jì)元.風(fēng)光互補(bǔ)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(jī)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(xué)院科研項(xiàng)目（HTXYZY13011）。