風力發(fā)電電能變換裝置的研究 電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論文

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精品文檔 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 題 目 風力發(fā)電電能變換裝置的研究 （院）系 電氣與信息工程系 專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 0004 學號 0001120531 學生姓名 郭 瑩 輝 導(dǎo)師姓名 浣 喜 明 完成日期 2004年6月17日 湖南工程學院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 設(shè)計（論文）題目： 風力發(fā)電電能變換裝置的研究 姓名 郭瑩輝 系別 電氣與信息工程系專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級0004學號 0001120531 指導(dǎo)老師 浣喜明 教研室主任 一、 基本任務(wù)及要求： 在規(guī)定時間內(nèi)，完成以下工作： 1．整體方案的確定； 2．主電路設(shè)計、元器件選擇；軟件設(shè)計； 3．裝置工藝設(shè)計：畫出布置圖和電氣接線圖； 4．裝置調(diào)試與實驗：寫出調(diào)試和實驗報告。 5．提交設(shè)計說明書和圖紙。 二、 進度安排及完成時間： （1）第二周至第四周：查閱資料、撰寫文獻綜述和開題報告； （2）第五周至第六周：畢業(yè)實習； （3）第六周至第七周：總體方案的確定； （4）第八周至十二周：主電路設(shè)計與元器件的選擇；軟件設(shè)計； （5）第十三周至第十四周：裝置工藝設(shè)計； （6）第十五周至第十六周：裝置調(diào)試與實驗； （7）第十七周至第十九周：撰寫設(shè)計說明書 （8）第二十周：畢業(yè)設(shè)計答辯 目 錄 摘要……………………………………………………………………………………1 概述……………………………………………………………………………………1 第1章 風力發(fā)電的電能變換裝置及其工作原理 ………………………………… 1 1.1 風力發(fā)電的特點和風力發(fā)電機的系統(tǒng)……………………………………1 1.2 風力發(fā)電的電能變換裝置的組成…………………………………………2 1.3 風力發(fā)電的電能變換裝置的工作原理……………………………………4 第2章 整流電路………………………………………………………………………5 2.1 單相可控整流電路…………………………………………………………5 2.2 三相可控整流電路…………………………………………………………7 2.3 三相不可控整流電路………………………………………………………9 2.4 直流濾波電路 ……………………………………………………………11 第3章 蓄電池組 ……………………………………………………………………14 3.1 蓄電池的種類和特性 ……………………………………………………14 3.2 鉛酸蓄電池的基本概念 …………………………………………………14 3.3 免維護鉛酸蓄電池的特性 ………………………………………………17 3.4 鉛酸蓄電池的工作原理 …………………………………………………18 第4章 充電電路 ……………………………………………………………………19 4.1 充放電裝置的設(shè)計要求 …………………………………………………19 4.2 充放電控制過程分析 ……………………………………………………20 第5章 斬波電路 ……………………………………………………………………22 5.1 Cuk變換器工作原理………………………………………………………22 5.2 有變壓隔離器的Cuk變換器 ……………………………………………25 5.3 DC/DC變換器主回路的線路結(jié)構(gòu)…………………………………………27 5.4 DC/DC的驅(qū)動電路…………………………………………………………28 第6章 逆變電路 ……………………………………………………………………29 6.1 換流方式 …………………………………………………………………29 6.2 電壓型逆變電路 …………………………………………………………30 6.3 電流型逆變電路 …………………………………………………………34 6.4 PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用………………………………………36 第7章 靜態(tài)開關(guān) ……………………………………………………………………38 7.1單繼電器做靜態(tài)開關(guān) ……………………………………………………38 7.2 電子式靜態(tài)開關(guān) …………………………………………………………39 第8章 控制檢測保護電路 …………………………………………………………42 8.1單相正弦脈寬調(diào)制(SPWM)電路 …………………………………………42 8.2三相正弦脈寬調(diào)制(SPWM)電路 …………………………………………45 8.3 保護電路 …………………………………………………………………46 第9章 結(jié)束語 ………………………………………………………………………48 致謝 參考文獻 摘要 風能是一種取之不盡、用之不竭的清潔、可再生的新型能源，而且無污染，因此當今世界各國都把開發(fā)風力發(fā)電作為現(xiàn)代科技的新興產(chǎn)業(yè)。本文主要研究風力發(fā)電的電能變換及其裝置，介紹和比較各電力電子電路的特性，選擇風力發(fā)電電能變換裝置適合的電路，使風能通過整流，充電電路，蓄電池組的儲能，逆變器電路和斬波電路再通過靜態(tài)開關(guān)的切換和控制電路的控制檢測保護電路的控制監(jiān)測使其能夠輸出恒久穩(wěn)定的電壓，從而利用風力發(fā)電電能變換裝置達到風力發(fā)電的要求和目標。 關(guān)鍵詞：風力發(fā)電 電能變換 整流 逆變 靜態(tài)開關(guān) Abstract Wind power is a kind of regeneration new energy sources which supply is inexhaustible and inexhaustible. Because of no pollution, all of the countries take the development of wind power electricity as modern science and technology of new rising estate in modern time. The Electric power transformation and its devices of the main research in this text wind power, introduction with the characteristic of each electric power electronics electric circuit, choose the electric circuit that wind power electric power transformation equip in keeping with, make wind energy passed to commutate, refresh the electric circuit, storage battery a control for keeping can, changing machine electric circuit with an electric circuit again passing the switch of static state cutting over with controlling electric circuit examination protection the control of the electric circuit monitors to make its can output the endurable and stable electric voltage, from but make use of the wind power electric power transformation equip to attain the request of the wind power with target. Keywords: The Wind Power Electric, Power Transformation Commutates, Rectification, Inversion, Static State Switching 第1章 風力發(fā)電的電能變換裝置及其工作原理 1.1 風力發(fā)電的特點和風力發(fā)電機的系統(tǒng) 1.1.1 風力發(fā)電的特點 由于風能的特殊性，與常規(guī)的水火電系統(tǒng)相比風電系統(tǒng)具有很大的差別，主要表現(xiàn)在三個方面： (1)風能的隨機性 風速隨著大氣的氣溫、氣壓、濕度、干度、太陽及月亮的活動和風電場地形地貌等因素的不同而不同，是隨機和不可控的，這樣作用在風力機葉片上的風能也就是隨機的和不可控制的。 (2) 風力機轉(zhuǎn)動慣量大 風能密度分布相對比較低，為了盡可能捕獲較多的風能，風力機轉(zhuǎn)動的葉片直徑必須做的很大，典型的商業(yè)化中大型風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)動葉片直徑大概在20m～60m之間。顯然，巨大的轉(zhuǎn)子葉片的直徑，必然使得風力機具有較大的轉(zhuǎn)動慣量。 (3) 風力機與發(fā)電機之間的柔性連接 為了有效的轉(zhuǎn)換風能，風力機轉(zhuǎn)子由于受到風能轉(zhuǎn)換效率（理論極限值是0.59）的限制，葉尖速率比不λ可能很大，風力機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度不會很高，與發(fā)電機轉(zhuǎn)動的速度相差比較大，發(fā)電機與風力機之間不能直接相連，必須通過一定變比的升速齒輪箱進行傳動。這樣發(fā)電機與風力機之間的剛性度大大降低。換句話說，風力機和發(fā)電機兩大系統(tǒng)之間是柔性連接的。 (4) 異步發(fā)電機 目前，大規(guī)模的風力發(fā)電機系統(tǒng)一般采用異步發(fā)電機直接并網(wǎng)的運行方式。通常機端配備有補償電容器組，以提供異步發(fā)電機在啟動和運行時所需要的激磁無功。異步發(fā)電機的頻率由大系統(tǒng)來決定，風能的變化將引起異步發(fā)電機轉(zhuǎn)差的變化，相應(yīng)地其注入電網(wǎng)的有功和吸收的無功也要隨著風速的變化而變化，這將導(dǎo)致系統(tǒng)，特別是風電場附近電網(wǎng)母線電壓的波動，嚴重時還可能引起電壓閃變。隨著電力電子的發(fā)展，新型的風力發(fā)電機可以選用變速恒頻交流勵磁雙饋發(fā)電機，則無須配備補償電容器組。這種交流勵磁雙饋發(fā)電機不僅能發(fā)有功功率，而且還能發(fā)無功功率，且能方便地調(diào)節(jié)有功功率，使得風力發(fā)電系統(tǒng)具有良好的性能 1.1.2 風力發(fā)電機的系統(tǒng) 目前風力發(fā)電機技術(shù)越來越得到風力發(fā)電工作者的注意，因此都考慮采用交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。變速恒頻風力發(fā)電機采用采用雙饋型發(fā)電機，它與饒縣型感應(yīng)電機相似，其定子接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、相位、幅值都可調(diào)節(jié)的電源供給三相低頻交流勵磁電流(如圖1.1所示)。低頻勵磁電流在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場旋轉(zhuǎn)速度wS與轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速wr相加等于定子磁場的同步轉(zhuǎn)速w1，即w1=wr+wS，從而發(fā)電機定子感應(yīng)出共頻電壓。當風速變化引起發(fā)電機轉(zhuǎn)速wr變化時，改變轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速ws，可是定子旋轉(zhuǎn)磁場w1保持恒定，達到變速恒定的目的。 圖1.1 交流勵磁雙饋風力發(fā)電機原理圖 由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一小部分，因此圖1.1中所示的雙向變頻器的容量僅為發(fā)電機容量的一小部分，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低。另外發(fā)電機運行時，既可超同步速運行，也可亞同步速運行，變速運行的范圍比較寬。 這種采用交流勵磁雙饋發(fā)電機的控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻控制，減小變頻器容量外，還可實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補償?shù)淖饔?。缺點是交流勵磁發(fā)電機仍然有滑環(huán)和電刷。 1.2 風力發(fā)電的電能變換裝置的組成 風力發(fā)電的電能變換裝置主要由輸入整流電路、蓄電池組、充電電路、斬波電路、逆變器電路、靜態(tài)開關(guān)和控制檢測保護電路七個部分組成。 1.2.1 輸入整流電路 整流電路主要是將交流電變?yōu)橹绷麟?，在風力發(fā)電的電能變換裝置中，蓄電池組、逆變器及其控制電路均需要直流電，因此，整流電路的主要作用就是將交流電變?yōu)橹绷麟姙槠涮峁┓€(wěn)定的直流電，保持電壓穩(wěn)定的輸出以及抑制電網(wǎng)的干擾信號。 1.2.2 蓄電池組 蓄電池組是風力發(fā)電電能變換裝置的心臟，沒有蓄電池組的裝置只能稱作交流穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。目前在不間斷供電中，廣泛使用蓄電池作為儲存電能的裝置。當風力發(fā)電正常時，蓄電池由直流電源對其充電，將電能轉(zhuǎn)換成化學能而儲存起來；當風力發(fā)電供應(yīng)中斷時，裝置用儲存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作，此時蓄電池通過放電將化學能轉(zhuǎn)化為電能提供給系統(tǒng)使用，因此蓄電池是一種可逆電源。目前在中小型風力發(fā)電電能變換裝置中廣泛使用的是所謂的免維護的密封式鉛酸蓄電池，它的價格較貴，一般占UPS總生產(chǎn)成本的1/4～2/5。在返修的UPS中，由于蓄電池的故障而引起的風力發(fā)電電能變換裝置不能正常工作的比例占1/3。由此可見，正確的使用并維護好蓄電池組，對延長蓄電池使用壽命極大，如果正確使用，蓄電池的壽命一般可達到3～5年。 1.2.3 充電電路 風力發(fā)電電能變換裝置中充電電路將蓄電池放電后損失的能量重新補充，一般充電電路是獨立于逆變器而工作的，也就是說即使不用逆變器，只要將電源接通，充電電路就可以工作。在充電過程中，充電器的控制電路檢測整流充電過程，一般在充電階段是恒流充電過程，隨著電池電壓的上升，當蓄電池的電壓達到浮充電壓以后，充電器工作在恒壓階段，直到電池被充滿。因此，充電電路的反饋回路一般有兩個，一個作為電流反饋，另一個是電壓反饋。主電路一般采用開關(guān)型電路，其類型一般有降壓電路和升壓電路兩種。這些電路稱為基本充電電路。為了減少充電時間，各種快速充電電路在風力發(fā)電電能變換裝置中也得到了應(yīng)用。 1.2.4 斬波電路 風力發(fā)電電能變換裝置中的斬波器即DC/DC，就是利用晶閘管或自關(guān)斷器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓加到負載上，通過通、斷的時間變化來改變負載電壓平均值。它具有效率高、體積小、重量輕、成本底等優(yōu)點，現(xiàn)在廣泛地用于USP和風力發(fā)電電能變換裝置的直流—直流變換器和功率因數(shù)校正電路中，對整流電壓或蓄電池電壓進行升、降壓和穩(wěn)壓。 1.2.5 逆變器電路 風力發(fā)電電能變換裝置逆變器的功能是將風力發(fā)電整流所得的直流電壓或蓄電池電壓逆變成頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、波形失真小的交流電壓。目前在風力發(fā)電電能變換裝置的逆變器中，逆變原理普遍采用脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM技術(shù)）及波形疊加技術(shù)，該波形經(jīng)過LC低通濾波器濾波得到標準正弦波。 1.2.6 靜態(tài)開關(guān) 靜態(tài)開關(guān)是風力發(fā)電電能變換裝置的保護設(shè)備和供電轉(zhuǎn)換器件，它一方面保護裝置和負載，另一方面作為風力發(fā)電和蓄電池供電的轉(zhuǎn)換器件。由于靜態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換時間很短，因此在轉(zhuǎn)換過程中不會出現(xiàn)間斷。在風力發(fā)電電能變換裝置一般采用一對反向并聯(lián)的快速可控硅作為靜態(tài)開關(guān)。 1.2.7控制檢測保護電路 控制檢測保護電路主要由保護、監(jiān)測和報警電路組成?？刂齐娐肥秋L力發(fā)電電能變換裝置的神經(jīng)中樞，其輸出電壓精度高低、波形失真大小以及長期工作可靠性的高低均與控制電路密切相關(guān)。為了使裝置可靠工作，應(yīng)具有較為完善的保護電路，一般的風力發(fā)電電能變換裝置都具有電池電壓過低自動保護、逆變器輸出過載或短路自動保護電路、逆變器過壓輸出自動保護電路、輸入電壓過高自動保護電路等保護電路。監(jiān)測和報警電路則是為了隨時的掌握和了解裝置的工作狀態(tài)和運行情況。 1.3 風力發(fā)電的電能變換裝置的工作原理 風力發(fā)電電能變換裝置原理: ① 當風力發(fā)電正常時，輸出電壓經(jīng)過整流濾波電路，一路經(jīng)過斬波器給逆變器提供電壓，逆變器輸出變壓器和輸出濾波電路將SPWM波形變換成隔離的純正弦波，另一路送入充電器給蓄電池補充能量。這種工作狀態(tài)時，靜態(tài)開關(guān)切換到逆變器。風電經(jīng)整流濾波器、逆變器及靜態(tài)開關(guān)給負載供電，并且由逆變器來完成穩(wěn)壓和頻率跟蹤的功能。 ② 當風力發(fā)電不足或輸出故障或輸出過載時，工作在后備狀態(tài)，靜態(tài)開關(guān)仍然切換到逆變器端，由蓄電池經(jīng)逆變器將蓄電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓通過靜態(tài)開關(guān)輸出到負載。 ③ 在風力發(fā)電正常，逆變器出現(xiàn)故障或輸出過載時，裝置工作在旁路狀態(tài)，靜態(tài)開關(guān)切換到市電直接給負載供電。如果靜態(tài)開關(guān)的轉(zhuǎn)換是由逆變器故障引起，裝置會發(fā)出報警信號；如果是由過載引起，當過載消失以后，靜態(tài)開關(guān)重新切換回逆變器端。 整流電路 DC/DC 蓄電池組 充電電路 逆變電路 靜態(tài)開關(guān) 控制檢測保護電路 輸入 輸出 控制電路 控制、監(jiān)測、顯示、告警及保護電路提供逆變、充電、靜態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換所需的控制信號，并顯示其各工作狀態(tài)，當出現(xiàn)過電壓、過電流、短路、過熱時及時報警，同時提供相應(yīng)的保護。比如當負載發(fā)生短路是，保護電路會很快將逆變器關(guān)斷，使其免受損壞，短路消失后逆變器會重新自動啟動，恢復(fù)風力發(fā)電。由此可見，無論風力是否正常，其輸出總是由逆變器提供，所以在風力不正常的時候，其輸出不會有任何間斷。其原理框圖如圖1.2所示。(主線路圖見附錄) 圖1.2 風力發(fā)電電能變換裝置框圖 第2章 整流電路 整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)的最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式多種多樣，各具特色。 整流電路主要的分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。 2.1 單相可控整流電路 單相可控整流電路的交流側(cè)接單相電源，它包括半波可控整流、全波可控整流、橋式全控整流和橋式半控整流。 2.1.1 單相半波可控整流 單相半波整流電路，是電路中采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，支流輸出電壓Ud 為極性不變但瞬時值變化的脈動直流，其波形只在正半周內(nèi)出現(xiàn)，所以叫半波整流。如圖所示2.1。 圖2.1 單相半波可控整流電路及波形 半波整流在負載R上的直流電壓U的數(shù)值，為半波電壓在整個周期的平均電壓值，即： 半波整流中，流過整流元件的平均電流Id與流過阻感負載的直流電流Ir相等，即： 式中，； 整流元件承受的最大反向電壓U反，就是變壓器次級電壓U2的最大值，即： U反= 2.1.2 單相全波整流電路 單相全波整流電路，由兩個單相半波整流電路組合而成,由于加在負載上的電壓有兩個波，包括了電源電壓的整流波形，所以叫做全波整流。變壓器次級有個中心抽頭，上下兩部分匝數(shù)相等，即變壓器的輸出電壓U2與U2/的大小相等，相位相反，彼此相差180o。如圖所示2.2。 圖2.2 單相全波可控整流電路及波形 單相全波整流電路，在負載電阻R上得到的單方向的半波電壓是半波整流電路的2倍，因為兩個整流元件是輪流導(dǎo)通的，所以流過每個整流元件的電流只有負載電流的一半，然而，加在整流元件上的反向電壓，卻比半波整流增加了一倍，也就是說，在單相全波整流中，每個整流元件所承受的最大反向電壓，是變壓器次級電壓最大值的兩倍。 2.1.3 單相橋式全控整流電路 在單相橋式全控整流電路中，晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3組成另一對橋臂。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為。如圖所示2.3。 圖2.3 單相橋式全控整流電路及波形 由于在交流電源的正負半周都有整流輸出電流流過負載，故該電路為全波整流。變壓器二次繞組中，正負兩個半周電流方向相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器繞組的利用率也高，整流電壓平均值為： 當電路中帶有阻感負載時，電感的存在使負載電流不能突變，對負載電流起平波作用，其電壓平均值為： 2.1.4 單相橋式半控整流電路 在單相橋式半控電路中，每個導(dǎo)電回路中只需1個晶閘管導(dǎo)通以控制導(dǎo)電回路，另1個則用1個二極管代替，從而簡化整個電路。如圖所示2.4。 圖2.4 單相橋式半控整流電路及波形 半控電路與全控電路在電阻負載時的工作情況相同，在電感負載工作時，當α處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖時，u2過零變負時，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通。但電流不再流過變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。此時，ud=0,不像全控橋電路那樣出現(xiàn)負值。當α突然增大至180o或觸發(fā)脈沖丟失時，由于電感儲能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負載電阻上，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)通的失控現(xiàn)象，因此在電路中加設(shè)續(xù)流二極管VDR以避免此失控現(xiàn)象，同時，續(xù)流期導(dǎo)電回路中只有一個管壓降，少了一次管壓降，有利于降低損耗。 2.2 三相可控整流電路 當整流負載容量教大，或要求直流電壓脈動較小時，應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。在三相控整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的就是三相橋式全控整流電路，以及雙反星形可控整流電路，均可在三相半波的基礎(chǔ)上進行分析。一般三相橋式整流電路是由三相輸入變壓器、六只整流二極管、及負載組成，三相變壓器的初級和次級既可接成星形，也可接成三角形。這里主要介紹三相橋式全控整流電路，其電路和波形如圖所示2.5。 圖2.5 三相橋式全控整流電路及波形 目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，習慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。 當電路中帶有電阻負載時，三相橋式全控整流電路在每個時刻均需2個晶閘管同時導(dǎo)通，形成向負載供電的回路，其中一個晶閘管是共陰極組的，一個是共陽極組的，且不能為同1相的晶閘管。6個晶閘管的脈沖按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的順序，相位依次差60。；共陰極組的脈沖依次差120。，共陽極組也依次差120。；同一相的上下兩個橋臂的脈沖相差180。。整流輸出電壓ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。在整流電路合閘啟動過程中或電流續(xù)流時，同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖，以確保電路的正常工作。 當電路中帶有阻感負載時，α≤60。時，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于得到的負載電流id波形不同，阻感負載時由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，近似為一條水平線。當α>60。時，阻感負載由于電感L的作用，ud的波形會出現(xiàn)負的部分。若電感L足夠大，ud中正負面積將基本相等，ud平均值近似為零。這表明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的α角移相范圍為90。。當α≤60。時，整流輸出電壓平均值為： 當α>60。時,整流電壓平均值為： 三相橋式全控整流電路接反電動勢阻感負載時，在負載電感足夠大足以使負載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同，僅在計算Id時有所不同，接反電動勢阻感負載時的Id為： ； 2.3 三相不可控整流電路 在三相不控整流電路中，使用最多的也是三相橋式整流電路，一般三相橋式整流電路是由三相輸入變壓器、六只整流二極管、及負載組成。三相橋式不控整流電路與三相橋式可控整流電路的區(qū)別在于可控整流電路可以通過觸發(fā)脈沖來控制觸發(fā)角從而達到控制電壓大小的目的。但在風力發(fā)電電能變換裝置中，要將風能盡可能的轉(zhuǎn)化為電能，因此選用三相不可控整流電路，因為三相不可控整流電路是直接由電流來控制二極管導(dǎo)通的，不用考慮觸發(fā)角的問題。三相橋式不可控整流電路和波形如圖2.6所示。 圖2.6三相橋式不控整流電路及其波形 從圖中可以看出：在t1～t2時間內(nèi)，變壓器次級a相電壓與b相電壓的差值最大，因此整流二極管VD1、VD2導(dǎo)通，其通路為a→b→VD1→R→VD2→b，其他整流元件受反向電壓作用而不導(dǎo)通，整流器的輸出電壓為變壓器次級電壓uab。在t2～t3時間內(nèi)，a相電壓雖然仍為正值，且與t1～t2時間內(nèi)電壓值大小一樣（變化的趨勢則不相同），但b相電壓已經(jīng)高于c相電壓，所以此時是a 相電壓與c相電壓的差值最大，因此D4截止，VD1、VD6導(dǎo)通，其通路為a→VD1→R→VD6→b，其他整流元件則受到反向電壓作用而不導(dǎo)通，整流輸出電壓為變壓器次級電壓uca。在t3～t4時間內(nèi)，b相電壓為正值，c相電壓為負值，線電壓ubc最大，因此整流元件VD3與VD6導(dǎo)通，其他整流元件則受到反向電壓作用而不導(dǎo)通，整流輸出為線電壓ubc。依次類推，負載R上得到的脈動直流電壓U在一個周期內(nèi)，有6次為變壓器次級電壓的線電壓值，而每一次的線電壓均為兩相相電壓之和，即 故在任意時間里，整流電壓的瞬時值等于對應(yīng)的兩相電壓瞬時值之和。因此可得： 即： 從圖中還可以看出任何時間里均由兩個整流元件串聯(lián)導(dǎo)通，而在一個周期里，每個整流元件只導(dǎo)通一次，連續(xù)導(dǎo)通時間為2π/3，所以通過每個整流元件的平均電流Icp為負載電流IR的1/3，即: 而加在整流元件上的最大反向電壓為變壓器的次級電壓的線電壓uab（或ubc或uca），即: 2.4 直流濾波電路 整流電路將交流電變成直流電，并不是一個純粹的直流電壓，而是一個脈動的直流電壓，它除了直流成分外，還包括著不同頻率、不同振幅的交流成分（通常稱為諧波）。也就是說，整流器輸出的電壓，可以看成的一個直流成分和多個不同交流成分之和，而且頻率越低者，振幅越大，頻率愈高者，振幅愈小。人們通常說交流成分的大小，就是指最低次諧波或基波的大小，交流成分越大，對設(shè)備的干擾也越大。 濾波電路是接在整流電路之后，起著減少交流成分，有使整流器輸出的脈動電流變成平滑的直流電流（仍包括一定的交流成分）的作用。 濾波電路一般由電感線圈、電容器、電阻等電氣元件組合而成。常用的濾波電路有電容濾波電路、L型濾波電路、π型濾波電路、RC濾波電路等。 2.4.1 電容濾波電路 C RL 電容濾波電路是利用電容器對直流不能通過，而對交流成分呈現(xiàn)較小的阻抗，以達到短路交流，減少整流器的輸出電壓脈動成分的目的而且電容器越大，效果越好。當然，電容器大了以后，為防止加電瞬間電容器的過大充電電流，在電路設(shè)計時必須采用限流措施。電容濾波電路如圖所示2.7。 圖2.7 電容濾波電路 2.4.2 L型濾波電路 RL C L 由電感電容組成倒L字型的濾波電路，稱L型濾波電路或倒L型濾波電路。其電路如圖所示2.8 圖2.8 L形濾波電路 L型濾波電路利用扼流圈L對脈動電流的交流成分產(chǎn)生較大的衰減，而電容又對交流成分旁路的特點，使電容電感相互配合，大大改善濾波效果。L型濾波電路的濾波效果，主要取決于LC的乘積，即LC愈大，濾波效果愈好。 2.4.3 π型濾波電路 由電感，電容器組成π型濾波電路，其電路如圖所示2.9 RL C L1 L2 圖2.9 π形濾波電路 π型濾波電路的濾波效果，等于整流器輸出電壓中的脈動交流成分先由電容器旁路，再經(jīng)L型濾波器將其部分進行衰減。因此，它是各類無源濾波電路中濾波效果中最好的一種。 2.4.4 RC濾波電路 將L型濾波電路或π型濾波電路中的電感L用電阻R代替，即由電阻R和電容器C組成的濾波電路，稱RC濾波器。其電路如圖所示2.10。 RC濾波電路在自動控制電路與小功率整流電路中經(jīng)常用到，因為它不需要體積大、繞線麻煩的電感線圈L。 RC濾波電路的濾波效果取決于電阻R和電容器的大小，電阻R、電容器C愈大則濾波效果愈好。但電阻R和電容器C不能過大，因為電容器C值過大則體積和重量增大，成本提高。電阻R太大，在電阻R上的損耗也大。因此，要綜合考慮。為了能較好地旁路交流電流，一般滿足1/mωC<10C <3C <2C 表格3.1各種蓄電池的特性比較 選擇蓄電池的主要依據(jù)是電池的能量密度、電池的容量及電壓等級的選取，它們決定了電池為負載提供電能的速度和大小。對于放電速率要求不高的產(chǎn)品，如便攜式計算機、蜂窩電話機和手提式視頻設(shè)備，可以使用鎳金屬氧化物電池和鋰離子電池。因為它們具有較大的內(nèi)阻，從而限制了峰值放電電流，使它們比較適用子長期電流消耗要求較小的產(chǎn)品。而密封鉛酸蓄電池和鎳鎘電池由子內(nèi)阻較小，可以提供較大的電流，所以適用子放電速率要求較高的產(chǎn)品。因此，在風力發(fā)電的電能變換裝置中，選用鉛酸蓄電池。 3.2 鉛酸蓄電池的基本概念 由于蓄電池的充電本身涉及到許多相關(guān)的專業(yè)知識，為了能夠更好的理解本課題，本節(jié)將簡要介紹鉛酸蓄電池有關(guān)的一些知識。 1. 電池容量 電池容量是蓄電池使用過程中的一個重要參數(shù)，它指蓄電池充足電后放電到終止電壓時所輸出的電量，也就是在一定的放電條件下可以從電池中獲得的電量。單元電池內(nèi)活性物質(zhì)的數(shù)量決定了單元電池含有的電荷量，因此，電池越大，它的容量越高。電池容量用C表示，其單位用Ah、mAh表示。 2. 充電速率和放電速率 為了對不同容量的電池加以比較，蓄電池的充電電流不用電流的絕對值來表示，而是用電池的額定容量C和放電時間t的比來表示，稱為電池的充電速率或放電倍率。例如一個額定容量C為100Ah的電池，充電2小時后，電池完全充滿，則它的充電電流為： I=C/2=0.5C（A） (3.l) 即它的充電速率為0.5C：若用1O小時就達到充滿狀態(tài)，則它的充電電流為： I=C/10=0.1C（A） (3.2) 即它的充電速率為0.1C。放電速率的描述和充電速率相同。 3. 充電終止電壓和放電終止電壓 蓄電池充足電時，極板上的活性物質(zhì)己達到保護狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。放電終止電壓是指蓄電池可放電的最低電壓，如果電壓低于放電終止電壓后繼續(xù)放電，電池兩段電壓會迅速下降，形成過放電。這極易對電池造成永久性損害，影響蓄電池的使用壽命。放電終止電壓和放電率有關(guān)。 4. 電池的過充電 當高速率充電而又不能及時地在滿充電后結(jié)束充電過程，電池則很容易存在大電流過充電的問題。過充電會使電池內(nèi)部的溫度和壓力都急劇上升，造成對電池的損害。這是因為在過充電階段電池內(nèi)部所進行的反應(yīng)為消耗反應(yīng)，它會增大電池內(nèi)部的壓力，同時，由于氧氣的產(chǎn)生和吸收都是放熱反應(yīng)，這就使電池溫度迅速上升。因此在電池充電接近滿充點時，只能采用低速率充電。這是因為電池在低電流過充電時所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象較輕，同時電池的熱量可以及時地向空中散發(fā)，基本上不會對電池造成傷害。 5. 電池的內(nèi)阻 當電流流過蓄電池時，蓄電池兩端所呈現(xiàn)出來的電阻稱為蓄電池的內(nèi)阻，這個內(nèi)阻與其它電源的內(nèi)阻有所不同，它包含兩個部分，即： R＝RO十RN (3.3) 其中RO為電極與電解液的內(nèi)阻之和，該電阻遵守歐姆定律，是不變的量；RN是由干電流流過蓄電池時兩電極的電位有所改變而表現(xiàn)出來的，因此又稱為極化電阻或假電阻，其值與流過電池的電流強度有關(guān)，電流越大，RN越大。 6. 電池的極化現(xiàn)象 由干蓄電池內(nèi)阻并不是純電阻，所以蓄電池的端電壓也與其它電源有所不同。該值與蓄電池的工作狀態(tài)有關(guān)，它一般有三種狀態(tài)的值： 1. 當蓄電池為開路狀態(tài)時，所測得的電池兩極間的電壓稱為電池的開路電壓； 2. 當蓄電池充電時所測得的電壓稱為電池的充電電壓； 3. 電池放電時測得的電壓稱為放電電壓。 這三種狀態(tài)的電壓具有下述特點：充電電壓高干開路電壓，而且隨著充電時間的增加而略有升高；放電電壓則低于開路電壓，而且隨著放電時問的增加而略有降低，這種現(xiàn)象稱為電池的極化。這種現(xiàn)象的產(chǎn)主，主要是因為一般的密封式蓄電池在充電過程中，內(nèi)部會產(chǎn)生氧氣和氫氣，其中主要是氧氣，氫氣只占一小部分，當產(chǎn)生的氧氣不能被及時吸收時，它便堆積在正極飯上，使得電池內(nèi)部壓力增大，電池溫度上升，同時縮小了電池正極板的板面積，表現(xiàn)為電池內(nèi)阻上升，即使得電池出現(xiàn)了所謂的極化現(xiàn)象。上面提到的蓄電池的極化電阻正是由子電池的極化現(xiàn)象所表現(xiàn)出來的。當充電速率較低時，充電時所產(chǎn)生的氧氣可以被及時吸收，因此電池的極化現(xiàn)象很輕，一般不會對電池造成很大的傷害；當高速率恒流充電時，這一現(xiàn)象則不容忽視。 蓄電池的極化現(xiàn)象對蓄電池的工作是不利的。它不僅使電池發(fā)熱，而且降低了電池的效率，同時也加速了電池的老化。 7. 電池的老化 電池的老化是指另外一種現(xiàn)象：電池在開始使用的一段時間內(nèi)，電池容量增加大約5％～10％，接下來的一段時間，電池的容量大約不變，然后開始慢慢減少，即開始了電池的老化過程。當電池的老化達到一定程度時，這個電池就報廢了。一般經(jīng)驗來講，當電池的容量達到額定容量的80％時，就可以認為電池的壽命基本結(jié)束了。 8. 循環(huán)壽命 循環(huán)壽命是指在其實際容量降低至某一規(guī)定值之前所經(jīng)歷的充放電循環(huán)的次數(shù)，通常用宋定義蓄電池的使用壽命。根據(jù)前面所介紹的放電深度的概念中可以看出，放電深度不同，電池的循環(huán)壽命是不同的。在正常維護條件下，蓄電池浮充供電的時間，稱為浮充壽命。 9. 自放電現(xiàn)象 當電池處于閑置不用（非工作狀態(tài)）時，雖然沒有電流流過蓄電池，但電池內(nèi)的活性物質(zhì)與電解液間自發(fā)的反應(yīng)卻一直在進行，這造成了電池內(nèi)的化學能量無益的損耗，使電池的容量下降，通常將這種現(xiàn)象稱為電池的自放電。自放電的大小一般用單位時間的電池容量下降的百分比來表示，見公式2-4： 自放電＝[（Q0-Qr）/Q0]*100％ (3.4) 其中，Q。為蓄電池在規(guī)定條件下的容量，Qr為電池存儲一段時間后，在同樣規(guī)定條件下的容量。自放電通常與環(huán)境溫度有密切關(guān)系。但環(huán)境溫度較高時，電池的自放電現(xiàn)象比較明顯。所以電池應(yīng)在適宜的溫度和適度下保存。自放電一般不會損傷電池，只要重新充足電量，還可以照常使用。鉛酸蓄電池的自放電相對鎳鎘電池來講比較嚴重，經(jīng)驗表明，鉛酸蓄電池在閑置一個月后，自放電達30％左右?？紤]到這一點，在設(shè)計蓄電池充電裝置時，應(yīng)在電池長時間不用的情況下對電池進行補充充電。 3.3 免維護鉛酸蓄電池的特性 3.3.1 免維護鉛酸蓄電池的特點 與普通蓄電池相比，免維護鉛酸蓄電池具有以下特點： (1) 由于是全密封結(jié)構(gòu)，使用中不會發(fā)主漏液現(xiàn)象，充電時幾乎不產(chǎn)主酸霧或其它有害氣體，在壽命期內(nèi)無需加液，真正做到了免維護，十分適合于無人值守變電的運行。 (2) 自放電速率也較小。 (3) 有良好的放電性能。由子采用了先進的工藝和配方，其高倍率放電性能明顯優(yōu)于舊式開口鉛酸蓄電池，而接近于中倍率鎳鎘電池的水平，可以滿足電磁式操作機構(gòu)的合閘要求。 (4) 使用壽命長。由子采用了耐腐蝕的鉛鈣合金板柵，其壽命要高于鉛酸蓄電池，而與鎳鎘電池相當。一般50Ah/12V蓄電池浮充設(shè)計壽命可達5年，100Ah/12V蓄電池在7年左右，300Ah/2V蓄電池浮充設(shè)計壽命可達10～15年。對于不同蓄電池生產(chǎn)廠家，蓄電池的浮充設(shè)計壽命也會不同。 3.3.2 鉛酸蓄電池的充放電特性 1. 充電特性 充電過程通常要完成兩個任務(wù)，首先是使電池恢復(fù)額定容量，另一個是補充電池因自放電而產(chǎn)生的容量損失，以維持電池的額定電量。常溫下的最佳浮充電壓約為2.25V/單體。 電池充足電后，維持電池容量的最佳方法是在電池組兩端加入恒定的電壓。這就是說，電池充足電后，充電裝置應(yīng)輸出恒定的浮充電壓（2.25V/單體）。圖3.2是按10小時率額定容量50％及100％放電后的恒壓限流充電的充電特性圖。放電后的蓄電池充滿電所需時間隨放電量、充電初期電流、溫度而變化。如圖3.2中100％放電后的電池在250C時進行恒壓限流充電（電壓為2.25V/單體、電流為0.1C10），24小時時左右可以充電至放電量100％以上。 浮充電壓不能過高，以免因嚴重過充電而縮短電池的壽命。采用適當?shù)母〕潆妷?，免維護鉛酸蓄電池的浮充壽命可達10年以上。實踐證明，實際的浮充電壓與規(guī)定的浮充電壓相差5％時，免維護蓄電池的壽命將縮短一半。 圖3.2 鉛酸蓄電池的充電特性 2．放電特性 放電電流越小放電容量越大；反之，放電電流越大放電容量越小。放電容量還會隨著環(huán)境溫度的降低而減少。圖3.3為250C溫度下01C10-2.OC10的放電電流放電至終止電壓時的恒流放電特性圖。 圖3.3 鉛酸蓄電池的放電特性 3.4 鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池由正極板（二氧化鉛）、負極板(海棉狀鉛)以及電解液（硫酸）組成。充電時，硫酸鉛通過氧化還原反應(yīng)分別恢復(fù)成二氧化鉛和鉛，電解液中的硫酸濃度增大；放電時，正極板的二氧化鉛和負極板的鉛與電解液中的硫酸反應(yīng)，生成硫酸鉛，電解液中的濃度降低。 在充放電狀態(tài)下，鉛酸蓄電池的正、負極板上在進行不同的化學反應(yīng)，產(chǎn)生正負離子形成電流，稱為成流反應(yīng)。正極的成流反應(yīng)為公式3.5： PbO2＋3H+＋HSO4－＋2e=PbSO4＋ 2H2O (3.5) 負極的成流反應(yīng)為公式3.6： Pb＋HSO4-= PhSO4＋2e＋H+ (3.6) 電池的總反應(yīng)如公式3.7： PbO2＋Pb＋ 2H2SO4=2PbSO4＋2H2O (3.7) 反應(yīng)的中間過程可以表示如公式3.8和公式3.9，式中左方向為放電反應(yīng)，右方向為充電反應(yīng)。 PbPb2++2е (3.8) Pb2++HSO4-PbSO4+H+ (3.9) 對于老式鉛酸式蓄電池，其中電解液中的水分，在浮動充電及均衡充電末期都會產(chǎn)生電解分離反應(yīng)而被電解成氫氣和氧氣，這些氫氣和氧氣將慢慢消失在空氣中。因此每隔一定時間必須對蓄電池進行定期補水，以補充電解液中水分的損夫，否則蓄電池中的電解液濃度將大大超過規(guī)定值。 對于免維護鉛酸蓄電池，它采用了先進的陰極吸收式密封技術(shù)，可把這種定期補水的間隔時間延長到五年以上。生成的氧氣在電場作用下移向電池組的陰極，在陰極催化劑的作用下，重新與氫氣化合成水。在理想的工作狀態(tài)下，它可維持蓄電池的電解液中水的含量保持不變，為了使得電池內(nèi)部的這種氣體陰極吸收方式能夠充分進行，它要求在電解過程中水的電解反應(yīng)要盡可能進行的緩慢，還要求電池內(nèi)部的陽極、陰極及中間隔離板的結(jié)構(gòu)必須易于氣體通過和傳輸。因此，要想提高電池的使用壽命，必須嚴格遵循充電電流不得超過電池所允許的最大充電電流的規(guī)定，過大的充電電流會導(dǎo)致蓄電池使用壽命的縮短。 第4章 充電電路 無論在變電站還是發(fā)電廠，直流電源系統(tǒng)都是一種重要的裝備。它既可作為正常運行時的操作（合閘等）電源，又可作為事故停電后的后備電源，在變電站的安全運行中起著不可替代的作用。因而對直流供電系統(tǒng)進行不斷的研究、改造，使之更加完善、可靠是一項重要工作。 蓄電池充電裝置是直流電源系統(tǒng)的核心部件之一，其性能的優(yōu)劣直接決定了直流電源的水平。人們對充電裝置的要求主要有兩方面：其一是要有較高的性能指標，如由平均無故障運行時間所表達的可靠性，由穩(wěn)壓穩(wěn)流精度、動態(tài)調(diào)整速度及紋波系數(shù)等所表達的動、靜態(tài)特性；其二是要有較為完善的自我檢測與控制功能，有較高的智能水平，可以根據(jù)蓄電池的特性和用戶的具體需要，選擇最佳的充電規(guī)律，以提高蓄電池的蓄電容量和使用壽命。并能對充電電壓、電流，進行監(jiān)視、顯示等。后者正是智能充電裝置的控制器要完成的功能。 4.1 充放電裝置的設(shè)計要求 4.1.1 裝置的基本功能 ①.實時監(jiān)控蓄電池的充電電壓和充電電流。 ②.實時監(jiān)測蓄電池組的環(huán)境溫度。 ③.具有掉電記憶保護功能。 ④.具有恒流放電的功能。 ⑤.充電過程可以在控制器的控制下智能地快速地完成。 4.1.2 裝置的設(shè)計技術(shù)指標 根據(jù)實際需要，本裝置應(yīng)該在一定的使用條件下按要求的技術(shù)指標對免維護鉛酸蓄電池進行理想的快速充電： ⑴.電網(wǎng)頻率波動范圍不超過額定值的士2％； ⑵.輸出電壓：DC10V～300V； ⑶.輸出電流：5A～10OA，連續(xù)可調(diào)； 4.2 充放電控制過程分析 4.2.1 鉛酸蓄電池的充電工藝要求 1. 充電電流應(yīng)小于或等于蓄電池可接受充電電流。充電過程中，如果充電電流大于可接受充電電流，過剩的電流將以有害的負反應(yīng)過程——電解水消耗掉。在大量析氣的狀態(tài)下，用于有效充電消耗的電能，還不到總消耗量的10％（即浪費的電能超過了90％），這樣既延長了工作時間，嚴重的析氣也使正極板腐蝕，損壞了蓄電池。 2. 深放電后，充電參數(shù)的選擇原則是防止過大的熱沖擊。蓄電池溫度應(yīng)不超過450C。 3. 防止充電不足。長期充電不足使得蓄電池容量下降，造成蓄電池的早期損壞。對存放中的電池和處于潺流充電過程中的電池，應(yīng)定期進行活化充電。 4. 防止過充電。過充電時有大量氣體析出，這時正極板活性物質(zhì)要遭受氣體的沖擊，這種沖擊會使活性物質(zhì)脫落；此外，正極板柵合金也遭受嚴重的陽極氧化而腐蝕，所以電池過充電時會使用壽命縮短 。 4.2.2 充電過程 對于免維護鉛酸蓄電池來講，常用的充電方式有恒流限壓和恒壓限流兩種充電方式，然而，單獨采用其中的一種充電方式，沒有動態(tài)跟蹤電池的實際狀態(tài)和可接受充電電流大小的技術(shù)，對免維護鉛酸蓄電池的充電效果不是很理想。鑒于免維護鉛酸蓄電池的充放電特性，我們采用微機控制的智能充電方法對兔維護鉛酸蓄電池充電，這種方法是在模擬圖4.l所示最佳充電曲線的基礎(chǔ)上，動態(tài)跟蹤電池可接受的充電電流，應(yīng)用dV/dt技術(shù)，采用主充、均充和浮充三個階段進行充電。充電系統(tǒng)由充電裝置和被充蓄電池組組成二元閉環(huán)回路，充電裝置根據(jù)電池的狀態(tài)確定充電工藝參數(shù)，充電電流從始至終處在電池的可接受充電電流曲線附近，使電池幾乎在無氣體析出的條件下充電，做到既節(jié)約用電又對電池無損傷。整個充電過程如圖4.1所示。 1. 主充 當系統(tǒng)檢測到蓄電池虧電時，首先以恒流方式充電。為了避免產(chǎn)生劇烈的化學反應(yīng)而影響壽命，主充