并網型風力發電機組的模擬研究

胡嘉慧

（西北民族大學，甘肅蘭州，730124）

1 風力發電背景及研究意義

風力發電是指把風的動能轉為電能。風是一種沒有公害的能源，利用風力發電非常環保，且能夠產生的電能非常巨大，因此越來越多的國家更加重視風力發電。用風力發電的嘗試，早在二十世紀初就已經開始了。三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯和美國應用航空工業的旋翼技術，成功地研制了一些小型風力發電裝置。這種小型風力發電機，廣泛在多風的海島和偏僻的鄉村使用，它所獲得的電力成本比小型內燃機的發電成本低得多。不過，當時的發電量較低，大都在5千瓦以下。由于風能豐富，價格便宜，可再生，可大范圍內獲取，無污染等優點，發展風力發電是目前國內外電力事業發展趨勢之一。

我們把風的動能轉變成機械能，再把機械能轉化為電能，這就是風力發電。風力發電所需要的裝置，稱作風力發電機組。這種風力發電機組，大體上可分風輪(包括尾舵)、發電機和鐵塔三部分。發電機的作用，是把由風輪得到的恒定轉速，通過升速傳遞給發電機構均勻運轉，因而把機械能轉變為電能。

目前對于風力發電設備的教育和培訓工作依然停留在理論講授的成面，主要從理論的角度向學員介紹風力發電的工作原理，設計和安裝要領等，很少有實訓的機會。且人才培養機構在風電設備的數量是明顯的不足，教學科研設備短缺，造成這種現象的原因有很多，資金投入不夠，缺乏對先進實驗設備的引進，而且風電設備規模相對來說都較大，學校沒有合適的場地存放。學員們在這樣的條件下，實操訓練時間有限，掌握的知識也有限，學習進程慢，教學效果較差。對于風力發電的專業人才培養，應該打破只教授理論知識的一貫教學方式，注重理論知識與實踐操作的結合，積極探究工學結合的創新教學形式，促進風力發電專業人才培養模式的改革進程。

2 風力發電并網模擬裝置的總體設計

并網裝置的總體設計方案：風力發電并網模擬裝置的組成部分有發電機、逆變器、升壓變壓器、降壓變壓器、負載和信息采集系統，發電系統主要負責發電，通過導線連接到電壓采集電路上，電路采集到的數據直接被 STM32 單片機，單片機通過采集到的數據判斷數值是否超過設定值，超過就執行報警系統，不超過則將數據整合后傳到 OLED 顯示器上顯示出來，采集后直流電被傳輸到逆變器轉變為交流電，通過逆變器的電壓與頻率都是固定的，設計中采用程序將數據顯示在屏幕上，接著電能傳送到升壓變壓器變壓器，HLW8032 能耗采集模塊對升壓后的電能進行采集，通過串口傳送到 STM32 單片機進行數據合成，并傳到OLED 顯示器上顯示，升壓后對電能進行降壓，HLW8032 能耗采集模塊再對降壓后的電能數據采集，通過串口傳到 STM32 模塊進行處理顯示。降壓后的電能再供給負載使用。

信息采集系統：系統主要由 STM32F103C8 模塊、HLW8032 模塊和 OLED顯示器組成，用于各個部分電能采集的是 HLW8032 能耗采集模塊，內置頻率振蕩器、電壓參考源和電源監控電路，采用 UART 通訊方式，適用于單相兩線的電能計算，在設計中用于電壓、電流、有功功率、視在功率和功率因的采集。數據合成模塊以 STM8032 模塊為主，外接用于保護的繼電器電路、報警系統、電壓檢測電路和 OLED 等構成數據合成系統，數據合成系統接收來自HLW8032 的數據，送往 OLED 屏幕顯示，通過顯示的數據可以分析系統是否正常工作。升壓變壓器和降壓變壓器，都是低頻單向變壓器其鐵芯形狀為EI，變壓系統對電源傳輸過來的電能進行升壓，再對電能進行降壓，模擬了風力發電的升壓，遠距離運輸，到用戶附近進行降壓使用電能的過程。

在設計中信息采集系統的數據合成采用的是STM32F 103C8T6為核心的開發板，該芯片是基于 ARM的32位通用增強型微控制器，64K 閃存程序存儲器，工業級溫度范圍是-40℃～85℃，最高頻率是 72MHz，在設計中 STM32 需要與 兩個 HLW8032 進行通訊，該芯片總共有3個串口，串口設計中使用了接收數據(RXD)、發送數據(TXD)和信號地(GND)這三個引腳，完全滿足設計的串口使用，而且STM32擁有強大的時鐘系統，主要因為設有內部鎖相環，一般系統時鐘都是外部或者是內部高速時鐘經過內部鎖相環倍頻后得到，鎖相回路或鎖相環，它能為系統提供基本的時鐘信號，使得系統共用一個晶振，便于各部分保持同步。

圖1 總體設計結構圖

3 風力發電并網模擬裝置的硬件設計

（1）系統供電電源

直流可調電源，系統供電設備，電源電路圖如圖2所示，交流電在 B1 整流橋轉換成直流電，電能通過 EPC17 時降低電壓為 12V，60W 的電能，調節可變電阻器 RP1，可以對輸出電壓再次調節，電動機使用的是直流電，啟動電流、電壓都很小，模擬裝置中應用直流可調電源能提供直流電源，電壓電流都能夠滿足電動機，同時作為風力發電并網模擬裝置的啟動和停止按鈕。

圖2 直流可調電源電路圖

（2）電動機

風力發電并網模擬裝置要方便于教學的使用，所以模擬裝置受到多方面因數的影響，模擬裝置沒辦法使用真正的風力來發電，風力發電只能模擬完成，為此選用電動機來代替風能，使電動機通過皮帶帶動發電機發電來完成模擬風力發電機的發電過程。設計中所用的直流電動機純銅線圈、扭矩大、動力足，電動機的扭力比發電機額定運行狀態下的扭力要大很多，自帶散熱風扇，12V 時轉速 5000每分鐘，空載電流約 0.94A。電動機轉得越快，發電機輸出的電壓越大，但是存在不足之處，電流越大時，發電機阻力也越大，也不滿足發電機的啟動扭力，在啟動時需要用外力轉動發電機的滾動軸，發電機才能順利啟動。

（3）發電機

交流發電機價格昂貴，帶負載時輸出電能頻率控制困難，而且體積龐大，能夠帶動的電動機體積也很大，這就導致攜帶不方便的同時還增加設計的成本，為此設計中使用直流發電機來代替，直流發電機的使用讓設計不得不增加逆變器將直流電轉換成交流電，使用的發電機還要考慮發電機的功率是否滿足逆變器的條件，設計中的發電機是永磁式硅整流發電機，由勵磁硅整流發電機與永磁恒壓交流發電機合并改進而成的，采用永久性磁條式轉子，發電機定子輸出的是交流電，內部自帶整流以及全波穩壓裝置輸出成直流電同時提高了發電機功率，發電機功率達到 10W 以上，設計中逆變器只需 10W 的功率就可以帶動。

（4）逆變器

模擬裝置中發電機輸出的電能是直流電，在實際的風力發電廠輸出的電能是交流電，所以需要逆變器把直流電轉變成交流電，切合實際的風力發電，逆變器電路圖如圖3所示，電能流經逆變器，在 Q1 與 Q2 間輪流導通得到交流電，設計中選擇逆變器時要注意功率不能小于或等于系統瞬間啟動峰值功率，必須預大 20%左右，也就是說，所選用的是12V，1200W 的逆變器所帶的實際功率不超過 600W，輸出的電壓是 220V，頻率為 50Hz，其空載電流小于 0.9A，這是因為逆變器是直流電轉換交流電的轉換器，轉換過程有損耗。

圖3 逆變器電路圖

（5）高壓輸電

高壓輸電是通過發電廠用變壓器將發電機輸出的電壓升壓后傳輸的一種方式。之所以采用這種方式輸電是因為在同輸電功率的情況下，電壓越高電流就越小，這樣高壓輸電就能減少輸電時的電流從而降低因電流產生的熱損耗和降低遠距離輸電的材料成本。

從現實來看，發電廠一般離用電用戶都很遠，導致這種原因的有很多，風力發電廠受到制約的因數則更多，發電廠發電后就面臨遠距離輸送的問題，電能的輸送基本要求是可靠、保質、經濟，可靠指的是要求保證供電線路可靠的工作，減少故障和停電；保質就是保證電能的質量，電壓和頻率要穩定，經濟指的是輸電線路建造、運行費用低，損耗小、電價低。在電力系統中電抗消耗的是無功功率，發電機輸出電能時無功功率本來就不足，這就導致了需要在電力系統中設置變電站對電能進行無功補償，以及使用分裂導線輸送電能也可以減小電抗，模擬裝置中使用的是變壓器，高壓輸電原本就是為了減小電流，降低損耗而且電阻消耗的是有功功率。經過一系列的綜合考慮與研究后發現，采用高壓輸電是減小輸電線上功率損失的最有效、最經濟的措施，因此這就是發電廠先對電能升壓后再傳輸的原因。

4 總結

本文主要針對我國風力發電技術知識在教學上風力發電并網模擬裝置欠缺，導致學校教師只能上理論教學而設計的，該裝置通過發電機發電、將電能通過逆變器轉換成交流、在把電能升壓運輸、降壓到負載使用，做到了風力發電廠從發電到用戶使用的全程模擬，使得學生不用去風力發電廠在教室內就可以觀察，而且所占空間小，既方便于老師的教學也節省了大量的時間和資源。信息采集系統中采用 HLW8032 能耗采集模塊來采集各個部分的電能數據，STM32 作為數據合成芯片，在通過其他一系列的輔助電路一起將風力發電并網模擬裝置的電能數據傳到 OLED 顯示器上顯示出來。本文的優勢在于材料成本低、模塊低功耗等通過軟硬件結合來設計的，具有體積小重量輕便于攜帶，結構透明，模塊與模塊之間很明了，靈活的教學的優點，在系統工作時發電機發出的電能、逆變器的電能數據、升壓和降壓的電能數據都顯示在 OLED 上，學生通過按下翻頁按鈕就可以找到自己想要看的模塊數據，讓老師以簡單的上課方式就可以快速的教會學生平時難教難懂得知識，大大提升學習的效率。