并网型风力发电机组的模拟研究

胡嘉慧

（西北民族大学，甘肃兰州，730124）

1 风力发电背景及研究意义

风力发电是指把风的动能转为电能。风是一种没有公害的能源，利用风力发电非常环保，且能够产生的电能非常巨大，因此越来越多的国家更加重视风力发电。用风力发电的尝试，早在二十世纪初就已经开始了。三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，当时的发电量较低，大都在5千瓦以下。由于风能丰富，价格便宜，可再生，可大范围内获取，无污染等优点，发展风力发电是目前国内外电力事业发展趋势之一。

我们把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。

目前对于风力发电设备的教育和培训工作依然停留在理论讲授的成面，主要从理论的角度向学员介绍风力发电的工作原理，设计和安装要领等，很少有实训的机会。且人才培养机构在风电设备的数量是明显的不足，教学科研设备短缺，造成这种现象的原因有很多，资金投入不够，缺乏对先进实验设备的引进，而且风电设备规模相对来说都较大，学校没有合适的场地存放。学员们在这样的条件下，实操训练时间有限，掌握的知识也有限，学习进程慢，教学效果较差。对于风力发电的专业人才培养，应该打破只教授理论知识的一贯教学方式，注重理论知识与实践操作的结合，积极探究工学结合的创新教学形式，促进风力发电专业人才培养模式的改革进程。

2 风力发电并网模拟装置的总体设计

并网装置的总体设计方案：风力发电并网模拟装置的组成部分有发电机、逆变器、升压变压器、降压变压器、负载和信息采集系统，发电系统主要负责发电，通过导线连接到电压采集电路上，电路采集到的数据直接被 STM32 单片机，单片机通过采集到的数据判断数值是否超过设定值，超过就执行报警系统，不超过则将数据整合后传到 OLED 显示器上显示出来，采集后直流电被传输到逆变器转变为交流电，通过逆变器的电压与频率都是固定的，设计中采用程序将数据显示在屏幕上，接着电能传送到升压变压器变压器，HLW8032 能耗采集模块对升压后的电能进行采集，通过串口传送到 STM32 单片机进行数据合成，并传到OLED 显示器上显示，升压后对电能进行降压，HLW8032 能耗采集模块再对降压后的电能数据采集，通过串口传到 STM32 模块进行处理显示。降压后的电能再供给负载使用。

信息采集系统：系统主要由 STM32F103C8 模块、HLW8032 模块和 OLED显示器组成，用于各个部分电能采集的是 HLW8032 能耗采集模块，内置频率振荡器、电压参考源和电源监控电路，采用 UART 通讯方式，适用于单相两线的电能计算，在设计中用于电压、电流、有功功率、视在功率和功率因的采集。数据合成模块以 STM8032 模块为主，外接用于保护的继电器电路、报警系统、电压检测电路和 OLED 等构成数据合成系统，数据合成系统接收来自HLW8032 的数据，送往 OLED 屏幕显示，通过显示的数据可以分析系统是否正常工作。升压变压器和降压变压器，都是低频单向变压器其铁芯形状为EI，变压系统对电源传输过来的电能进行升压，再对电能进行降压，模拟了风力发电的升压，远距离运输，到用户附近进行降压使用电能的过程。

在设计中信息采集系统的数据合成采用的是STM32F 103C8T6为核心的开发板，该芯片是基于 ARM的32位通用增强型微控制器，64K 闪存程序存储器，工业级温度范围是-40℃～85℃，最高频率是 72MHz，在设计中 STM32 需要与 两个 HLW8032 进行通讯，该芯片总共有3个串口，串口设计中使用了接收数据(RXD)、发送数据(TXD)和信号地(GND)这三个引脚，完全满足设计的串口使用，而且STM32拥有强大的时钟系统，主要因为设有内部锁相环，一般系统时钟都是外部或者是内部高速时钟经过内部锁相环倍频后得到，锁相回路或锁相环，它能为系统提供基本的时钟信号，使得系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

图1 总体设计结构图

3 风力发电并网模拟装置的硬件设计

（1）系统供电电源

直流可调电源，系统供电设备，电源电路图如图2所示，交流电在 B1 整流桥转换成直流电，电能通过 EPC17 时降低电压为 12V，60W 的电能，调节可变电阻器 RP1，可以对输出电压再次调节，电动机使用的是直流电，启动电流、电压都很小，模拟装置中应用直流可调电源能提供直流电源，电压电流都能够满足电动机，同时作为风力发电并网模拟装置的启动和停止按钮。

图2 直流可调电源电路图

（2）电动机

风力发电并网模拟装置要方便于教学的使用，所以模拟装置受到多方面因数的影响，模拟装置没办法使用真正的风力来发电，风力发电只能模拟完成，为此选用电动机来代替风能，使电动机通过皮带带动发电机发电来完成模拟风力发电机的发电过程。设计中所用的直流电动机纯铜线圈、扭矩大、动力足，电动机的扭力比发电机额定运行状态下的扭力要大很多，自带散热风扇，12V 时转速 5000每分钟，空载电流约 0.94A。电动机转得越快，发电机输出的电压越大，但是存在不足之处，电流越大时，发电机阻力也越大，也不满足发电机的启动扭力，在启动时需要用外力转动发电机的滚动轴，发电机才能顺利启动。

（3）发电机

交流发电机价格昂贵，带负载时输出电能频率控制困难，而且体积庞大，能够带动的电动机体积也很大，这就导致携带不方便的同时还增加设计的成本，为此设计中使用直流发电机来代替，直流发电机的使用让设计不得不增加逆变器将直流电转换成交流电，使用的发电机还要考虑发电机的功率是否满足逆变器的条件，设计中的发电机是永磁式硅整流发电机，由励磁硅整流发电机与永磁恒压交流发电机合并改进而成的，采用永久性磁条式转子，发电机定子输出的是交流电，内部自带整流以及全波稳压装置输出成直流电同时提高了发电机功率，发电机功率达到 10W 以上，设计中逆变器只需 10W 的功率就可以带动。

（4）逆变器

模拟装置中发电机输出的电能是直流电，在实际的风力发电厂输出的电能是交流电，所以需要逆变器把直流电转变成交流电，切合实际的风力发电，逆变器电路图如图3所示，电能流经逆变器，在 Q1 与 Q2 间轮流导通得到交流电，设计中选择逆变器时要注意功率不能小于或等于系统瞬间启动峰值功率，必须预大 20%左右，也就是说，所选用的是12V，1200W 的逆变器所带的实际功率不超过 600W，输出的电压是 220V，频率为 50Hz，其空载电流小于 0.9A，这是因为逆变器是直流电转换交流电的转换器，转换过程有损耗。

图3 逆变器电路图

（5）高压输电

高压输电是通过发电厂用变压器将发电机输出的电压升压后传输的一种方式。之所以采用这种方式输电是因为在同输电功率的情况下，电压越高电流就越小，这样高压输电就能减少输电时的电流从而降低因电流产生的热损耗和降低远距离输电的材料成本。

从现实来看，发电厂一般离用电用户都很远，导致这种原因的有很多，风力发电厂受到制约的因数则更多，发电厂发电后就面临远距离输送的问题，电能的输送基本要求是可靠、保质、经济，可靠指的是要求保证供电线路可靠的工作，减少故障和停电；保质就是保证电能的质量，电压和频率要稳定，经济指的是输电线路建造、运行费用低，损耗小、电价低。在电力系统中电抗消耗的是无功功率，发电机输出电能时无功功率本来就不足，这就导致了需要在电力系统中设置变电站对电能进行无功补偿，以及使用分裂导线输送电能也可以减小电抗，模拟装置中使用的是变压器，高压输电原本就是为了减小电流，降低损耗而且电阻消耗的是有功功率。经过一系列的综合考虑与研究后发现，采用高压输电是减小输电线上功率损失的最有效、最经济的措施，因此这就是发电厂先对电能升压后再传输的原因。

4 总结

本文主要针对我国风力发电技术知识在教学上风力发电并网模拟装置欠缺，导致学校教师只能上理论教学而设计的，该装置通过发电机发电、将电能通过逆变器转换成交流、在把电能升压运输、降压到负载使用，做到了风力发电厂从发电到用户使用的全程模拟，使得学生不用去风力发电厂在教室内就可以观察，而且所占空间小，既方便于老师的教学也节省了大量的时间和资源。信息采集系统中采用 HLW8032 能耗采集模块来采集各个部分的电能数据，STM32 作为数据合成芯片，在通过其他一系列的辅助电路一起将风力发电并网模拟装置的电能数据传到 OLED 显示器上显示出来。本文的优势在于材料成本低、模块低功耗等通过软硬件结合来设计的，具有体积小重量轻便于携带，结构透明，模块与模块之间很明了，灵活的教学的优点，在系统工作时发电机发出的电能、逆变器的电能数据、升压和降压的电能数据都显示在 OLED 上，学生通过按下翻页按钮就可以找到自己想要看的模块数据，让老师以简单的上课方式就可以快速的教会学生平时难教难懂得知识，大大提升学习的效率。