风力发电的电控系统设计探微

杨 南 张振莹

天津瑞源电气有限公司

风力发电的电控系统设计探微

杨 南 张振莹

天津瑞源电气有限公司

随着工业的不断发展，世界各国对能源需求的缺口也越来越大，风能作为清洁能源也越来越受到人们的重视，开发利用可再生能源已成为目前能源发展战略的必然选择。

风力发电；电控系统；设计

目前，由于石油、煤炭等不可再生的矿物质燃料日趋减少，不久的将来将会出现资源枯竭。同时，使用过程中给环境带来严重的污染，也一直困扰着人们。因此，寻找和利用可再生的清洁能源逐渐成为当务之急。风能和太阳能的利用很快走进了人们的视线。据风力资源普查统计，每年大约有两百亿千瓦的风能可利用，我国就有达三亿千瓦(居世界首位)的陆地风能资源可利用，而内蒙古可开发利用的风能占到全国的40%左右。早在20世纪七十年代，内蒙古地区就开始试验、研制和推广小型风力发电机。最新统计数据显示，内蒙古风电装机容量达两千万千瓦，占全国风电总装机容量的1/3，居全国第一位。尤其是小型风力发电机的应用，成功解决了远离电网的近百万农牧民的用电问题。

本课题通过对小型风力发电机电控系统的研究，解决内蒙古地区农牧民饮水净化设备的电源供给问题，让农牧民较为经济地喝到满足生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)的放心水，远离高氟、高砷水危害。

1 风力发电的特点

风力发电过程是清洁无污染的，但由于风速的随机变化，对发电机组的交变载荷带来严重负担。同时，在并网情况下也会给电网带来一定的冲击，对负载设备造成影响。根据风力发电的规模和用途，可把其分为独立运行方式和与电网并联运行方式两种。桨叶的结构要求具有较好的流体动力外形，在气流的作用下产生空气动力使风轮旋转，将风能转化为齿轮箱的机械能，进而驱动发电机组有机械能转化为电能。电能需要经过电控系统进行调整、变化、输出，转化为蓄电池的化学能或直接接负载供电。独立运行方式下，风力发电系统结构图如图1所示。

图1 独立运行方式下风力发电系统结构图

2 电控系统设计

根据内蒙古农牧区净化水设备电絮凝技术的需求，本项目经过对比，选用硅整流自励单相交流发电机。储能蓄电池采用高密度、小体积的锂电池组；锂电池组的励磁绕组之间采取串联励磁调节器。利用爪形磁极，使转子励磁绕组与滑环相接，硅整流器的直流输出端与电刷相接，获得直流励磁电流。由于风力的随机变化，导致齿轮箱轴转速变化。发电机的出口电压发生波动，励磁磁场变化，再次造成风力发电机出口电压波动。这样电压波动会增大，影响负载供电。本项目风力发电机电控系统需要配置励磁调节器，通过继电器恢复正常励磁状态。这样同时可以避免锂电池组充满的过冲问题和负荷变化造成的系统不稳定问题。延长电池组寿命，增加系统输出电压的稳定性。风力发电机组由于风速的变化，造成发电机输出的频率和幅值随时变化而产生不稳定的交流电。为了得到持续50Hz频率和稳定波形，需要对输出电流进行整流后变成直流，再调整进行储存，或将直流再逆变交流接交流负载。整流过程采用单相桥式整流电路。该电路由四个二阶管和负载电阻组成，电路的定量关系和元件型号选择由下述公式计算确定。脉动直流电压的平均值：

式中，U0表示整流电压平均值；U2表示交流电压有效值；UDRM表示二极管截止最高反向电压；U2M表示变压器二次侧最大交流电压。

根据本项目实际需要，进行计算选用KBPC5010。整流管的最大电流10A，二极管最大反向电压50V，锂电池选用串联4节12V电压锂电池，驱动电路上使用IGBT的EX841集成电路。为了解决使用电絮凝技术的净化水设备可持续净化效率的问题，采用直流脉冲电源，每隔10分钟电源电极进行自动倒换。

3 风力发电机组控制运行安全保护系统

3.1 强风保护安全系统

风力发电机组对于风力的切入和停机等操作的规定风速有较高的要求，风力发电机是依靠风所蕴藏的巨大能量，但是，如若控制不好，风能也会给风力发电机带来一定的损害，为确保安全发电，所以对于输出的最大功率、桨距角等都有一定的规定。

3.2 参数越限保护

机组运行的越限参数都有各自的规定，风速、温度等参数有自己的上下限值，而且这些限值还不确定是一个定值，也有可能随着外界环境的变化而变化和调整。

3.3 电压电流保护

风力发电的一大问题是瞬间高电压冲击，如果没有一定的保护措施，很有可能在那高电压冲击的瞬间造成元件装置的损坏，所以就需要一些吸收高压的元件来减少高压冲击。电流保护器的安装也是很有必要的，对于高电压的冲击也还是需要保护的，可以在适当的位置安装空开和熔断器等元件。

3.4 电气接地保护系统

电气姐弟系统包括保护接地和工作接地，其中保护接地就是把电器的金属外壳用导线连接并通过接地装置与地相连，以减少机器外壳带电造成的危害和伤害，而工作接地就是将电控系统统一在一点进行接地，以达成保护和实现电器安全运行的目的。

4 结论

通过对内蒙古地区风力资源情况和小型风力发电设备使用状况的分析，得出内蒙古大力推广风力发电的可行性。同时，针对内蒙古远离电网的偏远农牧区的实际情况，为保障农牧民的饮水安全，使净水设备使用成本大幅下降，使用独立运行方式的风力发电设备成为必然。根据风力发电受风速大小影响发电设备输出电压波动较大的特点，为减小电压波动对负载的影响，本项目配置励磁调机器使系统回复正常励磁。为了保证储能系统对电能的储存效率，采用大密度锂电磁组，依据理论计算出电控系统的参数，从而为选择系统元件提供科学依据。

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