風力發電的電控系統設計探微

楊 南 張振瑩

天津瑞源電氣有限公司

風力發電的電控系統設計探微

楊 南 張振瑩

天津瑞源電氣有限公司

隨著工業的不斷發展，世界各國對能源需求的缺口也越來越大，風能作為清潔能源也越來越受到人們的重視，開發利用可再生能源已成為目前能源發展戰略的必然選擇。

風力發電；電控系統；設計

目前，由于石油、煤炭等不可再生的礦物質燃料日趨減少，不久的將來將會出現資源枯竭。同時，使用過程中給環境帶來嚴重的污染，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務之急。風能和太陽能的利用很快走進了人們的視線。據風力資源普查統計，每年大約有兩百億千瓦的風能可利用，我國就有達三億千瓦(居世界首位)的陸地風能資源可利用，而內蒙古可開發利用的風能占到全國的40%左右。早在20世紀七十年代，內蒙古地區就開始試驗、研制和推廣小型風力發電機。最新統計數據顯示，內蒙古風電裝機容量達兩千萬千瓦，占全國風電總裝機容量的1/3，居全國第一位。尤其是小型風力發電機的應用，成功解決了遠離電網的近百萬農牧民的用電問題。

本課題通過對小型風力發電機電控系統的研究，解決內蒙古地區農牧民飲水凈化設備的電源供給問題，讓農牧民較為經濟地喝到滿足生活飲用水衛生標準(GB5749-2006)的放心水，遠離高氟、高砷水危害。

1 風力發電的特點

風力發電過程是清潔無污染的，但由于風速的隨機變化，對發電機組的交變載荷帶來嚴重負擔。同時，在并網情況下也會給電網帶來一定的沖擊，對負載設備造成影響。根據風力發電的規模和用途，可把其分為獨立運行方式和與電網并聯運行方式兩種。槳葉的結構要求具有較好的流體動力外形，在氣流的作用下產生空氣動力使風輪旋轉，將風能轉化為齒輪箱的機械能，進而驅動發電機組有機械能轉化為電能。電能需要經過電控系統進行調整、變化、輸出，轉化為蓄電池的化學能或直接接負載供電。獨立運行方式下，風力發電系統結構圖如圖1所示。

圖1 獨立運行方式下風力發電系統結構圖

2 電控系統設計

根據內蒙古農牧區凈化水設備電絮凝技術的需求，本項目經過對比，選用硅整流自勵單相交流發電機。儲能蓄電池采用高密度、小體積的鋰電池組；鋰電池組的勵磁繞組之間采取串聯勵磁調節器。利用爪形磁極，使轉子勵磁繞組與滑環相接，硅整流器的直流輸出端與電刷相接，獲得直流勵磁電流。由于風力的隨機變化，導致齒輪箱軸轉速變化。發電機的出口電壓發生波動，勵磁磁場變化，再次造成風力發電機出口電壓波動。這樣電壓波動會增大，影響負載供電。本項目風力發電機電控系統需要配置勵磁調節器，通過繼電器恢復正常勵磁狀態。這樣同時可以避免鋰電池組充滿的過沖問題和負荷變化造成的系統不穩定問題。延長電池組壽命，增加系統輸出電壓的穩定性。風力發電機組由于風速的變化，造成發電機輸出的頻率和幅值隨時變化而產生不穩定的交流電。為了得到持續50Hz頻率和穩定波形，需要對輸出電流進行整流后變成直流，再調整進行儲存，或將直流再逆變交流接交流負載。整流過程采用單相橋式整流電路。該電路由四個二階管和負載電阻組成，電路的定量關系和元件型號選擇由下述公式計算確定。脈動直流電壓的平均值：

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表示變壓器二次側最大交流電壓。

根據本項目實際需要，進行計算選用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4節12V電壓鋰電池，驅動電路上使用IGBT的EX841集成電路。為了解決使用電絮凝技術的凈化水設備可持續凈化效率的問題，采用直流脈沖電源，每隔10分鐘電源電極進行自動倒換。

3 風力發電機組控制運行安全保護系統

3.1 強風保護安全系統

風力發電機組對于風力的切入和停機等操作的規定風速有較高的要求，風力發電機是依靠風所蘊藏的巨大能量，但是，如若控制不好，風能也會給風力發電機帶來一定的損害，為確保安全發電，所以對于輸出的最大功率、槳距角等都有一定的規定。

3.2 參數越限保護

機組運行的越限參數都有各自的規定，風速、溫度等參數有自己的上下限值，而且這些限值還不確定是一個定值，也有可能隨著外界環境的變化而變化和調整。

3.3 電壓電流保護

風力發電的一大問題是瞬間高電壓沖擊，如果沒有一定的保護措施，很有可能在那高電壓沖擊的瞬間造成元件裝置的損壞，所以就需要一些吸收高壓的元件來減少高壓沖擊。電流保護器的安裝也是很有必要的，對于高電壓的沖擊也還是需要保護的，可以在適當的位置安裝空開和熔斷器等元件。

3.4 電氣接地保護系統

電氣姐弟系統包括保護接地和工作接地，其中保護接地就是把電器的金屬外殼用導線連接并通過接地裝置與地相連，以減少機器外殼帶電造成的危害和傷害，而工作接地就是將電控系統統一在一點進行接地，以達成保護和實現電器安全運行的目的。

4 結論

通過對內蒙古地區風力資源情況和小型風力發電設備使用狀況的分析，得出內蒙古大力推廣風力發電的可行性。同時，針對內蒙古遠離電網的偏遠農牧區的實際情況，為保障農牧民的飲水安全，使凈水設備使用成本大幅下降，使用獨立運行方式的風力發電設備成為必然。根據風力發電受風速大小影響發電設備輸出電壓波動較大的特點，為減小電壓波動對負載的影響，本項目配置勵磁調機器使系統回復正常勵磁。為了保證儲能系統對電能的儲存效率，采用大密度鋰電磁組，依據理論計算出電控系統的參數，從而為選擇系統元件提供科學依據。

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