【设计】小型风力发电系统检测保护及显示电路的设计

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第一章绪论
1.1 研究本课题的背景
小型风力发电机不断出现在人们的身边，它作为一种清洁能源产品，越来越被人们喜欢。

在全世界各个国家中，只要经济发展很快的国家，肯定伴随着对能源的大量需求，并且还在不断增长中，一次性的能源，不断地被大量消耗着。

煤、石油、天然气消耗过程中会产生大量污染物，对环境的破坏很大，地球的负担越来越大，人类的生活坏境不断变差，能源危机日趋严重。

并且，地球上的煤、石油、天然气等都是有限的，不可再生的。

面对这样的现状，可再生资源、无污染物产生的资源不仅进入了人们的视野中，而且对人们的吸引力也越来越大。

而这些可再生的能源主要有太阳能、风能、潮汐能等，这些能源都是可再生，可持续利用的资源，并且还能够再开发使利用率再次提升。

然而风能技术已经非常成熟了，经济可行性又高，利用风能的优势远远大于其他可再生能源，风作为我们身边最常见的能源，人们对风能的研究已经能不断地提高其转换成电能的效率了。

风能由太阳能折射热引起，风能其实就是太阳能转换的。

太阳的能量照射到地球表面，因为就算相邻的地方受热也不一样，这就引起大气的对流运动从而产生了风。

对可再生资源风能的研究，一方面，风能是可再生，无污染，对环境保护很有利；另一方面，风能的有效利用更能适度缓解对不可再生资源的消耗。

1.2 国内外风力发电的实际情况
1.2.1 国外风力发电的实际情况
在2013年全年的风力发电新增加的装机容量上没有前一年的新增装机容量多，全球累计装机容量同比增长百分之十二点五，这一年共有24个国家的风力发电装机容量超过一吉瓦。

全球共有80个国家拥有风力发电装机能力。

2013年全球风力发电年增总装机容量为三十五吉瓦，2014年全球风力发电年增总装机容量为四十五吉瓦。

全球累计装机容量达到三百一十八点一二吉瓦，同比增长百分之十二点五。

截止到2013年底，美国市场的新增装机容量较少，才为1吉瓦。

这和美国在2012年创纪录的十二吉瓦，相比较，美国在2013年的装机容量非常明显的减少很多，全球的风力发电在不断地增长，虽然美国在2013年新增的装机量不多，但是风力发电不仅限于美国，而对于包括美国在内的全球风力发电的发展大趋势来说都是非常可观的。

近几年来，亚洲的年新增风力发电装机容量一直很好，一直位居全球各大地区的首位。

在2013年中亚洲又以十八点二吉瓦的年新增装机容量再一次位居首位，中国和印度这两个国家依然是引领亚洲风力发电发展的主要国家。

在2013年期间加拿大实现了装机总容量为一千五百九十九兆瓦的目标，加拿大已经成为这一年中的第五位总风力发电装机的大国。

而美国的风力发电装机容量在这一年里非常不乐观，在2013年这一年里美国风力发电市场很是不济，新增装机的数量不断下降，这个主要原因是美国的PTC政策的影响，因为美国的PTC政策不稳定。

然而欧洲在这一年里的风力发电装机容量却很稳定，在这一年中欧洲总体实现了一万两千三十一兆瓦新增装机容量，其中欧盟28国新增装机容量总体已经达到一万一千一百五十九兆瓦。

在这一年中，英国和德国这两个国家的风力发电的发展最好了，这两个国家的风力发电装机量占欧洲总装机容量近一半。

在2013年中拉丁美洲的风力发电装机总容量的发展又一次突破1GW，新增装机总容量达到一千一百六十三吉瓦，累计装机容量为四千八百兆瓦。

巴西一直都是拉丁美洲风力发电的领导者，2013年巴西又新增装机容量九百五十二兆瓦，累计装机容量为三千四百六十一兆瓦。

海上风力发电情况，在2013年这一年里，欧洲海上风力发电新增装机容量为一千五百六十七兆瓦，累计装机容量达到六千五百六十二兆瓦。

欧洲海上风力发电大约占到欧洲2013年全年风力发电发展的十四个百分点。

累计装机容量为六千五百六十二兆瓦将生产两千四百吉瓦每小时的电量，可以提供给欧洲百分之零点七的电力消费。

这一年中日本已经有四十九点六兆瓦的海上风力发电装机容量，其中包括四兆瓦漂浮式风电装机。

在2013年中，美国风力发电情况不容乐观，美国在这一年中失去了风力发电总装机容量第一的位置。

而维斯塔斯又重回到了榜单的首位，市场占有率达到百分之十三点一。

因为中国对风力发电的需求量不断增加，风力发电在中国不断取得装机容量迅猛提升的情况，中国企业的占有率也一直位居第二，而德国的紧随中国之后位居第三。

在2014年里，全球新增风力发电装机总容量首次超过五千千万瓦，高达到五千一百四十八万千瓦，累计装机容量为三点零七亿千瓦。

综合GWEC相关统计数据以及其他相关材料，对2014年世界主要国家和各地区风力发电发展概况及特点总结以下几点。

1）美国风力发电市场有些回暖但是仍然乏力
美国在2014这一年中，新增风力发电装机总容量相对于前一年有所提升，这一年美国新增风力发电装机总容量为四百八十五万千瓦。

美国累计风力发电装机总容量六千
五百八十八万千瓦，约占世界总量的百分之十七点八，继续稳居世界第二。

美国在2014年底要进行的风力发电项目规模将近一千三百万千瓦，这个规模足以使美国在下一年中风力发电新增规模将要恢复到千万千瓦级别。

2）德国风力发电新增规模创近年来新高
德国风力发电装机总容量在2014年中，新增的装机总容量已经稳居欧洲榜首，在全世界的排名位居世界第三。

在这一年中德国新增装机容量为五百三十万千瓦其中陆地上风力发电就有有四百七十五万千瓦，累计装机容量为三千九百一十七万千瓦。

德国风力资源也是非常丰富的，基于风力资源的洁净性，欧洲各国都在努力建设自己国家的风力发电项目。

德国发展风力发电项目的时间比较早，所以德国有很多风力发电机组需要进行翻新、直接更换或者拆除，2014年一共有五百四十四台风机（共计三十六点四万千瓦）被拆除，因此德国在陆地上风电净增装机实际达到四百三十九万千瓦，还对所有超过一百万千瓦的风电场进行了一次翻新，翻新市场规模已经超过十亿欧元。

估计2015年德国净装机容量规模大概在三百五十到四百万千瓦之间，2016年可能有所回落。

3）欧盟新增风力发电装机超过燃煤和燃气新增之和
在2014年里，德国和英国这两个国家始终还是年新增装机总量最多的国家，在欧盟各个成员国中，德国和英国的表现非常的好，不仅年新增风力发电装机总量能达到整个欧盟的一半以上，而且一下子把整个欧盟的风力发电装机总容量超过了燃煤机和燃气机的装机总容量，而且欧盟的燃煤和燃气机组退役容量远远超过新增容量。

在2014年中，欧盟累计风力发电装机容量已经有一点亿千瓦，而欧盟可再生能源新增装机2130万千瓦，已经占到新增装机总容量二千六百九十万千瓦的百分之七十九点一。

4）英国、德国继续引领世界海上风力发电发展
在2014年中，全球各国新增海上风力发电装机已经达到一百七十三万千瓦，累计海上风力发电装机为八百七十七万千瓦，这其中欧洲新增一百四十八万千瓦，在欧洲累计海上风力发电装机为八百零五万千瓦。

在2014年全年，欧洲总共有四百零八台海上风力发电机组并网发电。

英国在海上风力发电方面一直都很不错，德国随着英国排名其次。

英国在过去3年中每年新增海上风力发电装机都占世界第一，但是根据项目建设的进展，2015年德国最有希望超过英国。

即便如此，英国累计海上装机容量仍然超过世界其他国家之和，当然第一海上风力发电大国地位短期内还是难以动摇的。

5）印度是个非常缺电的国家，在发展中国家中，印度对电的需求和渴望是非常大的，印度政府制定了一些鼓励风力发电发展的政策，印度在2014年群全年中，新增的
风力发电总装机容量为二百三十二万千瓦，这个不错的表现一下子使印度位居亚洲第二。

印度的风力发电正在新的势头上。

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1.2.2 中国风力发电的实际情况
在中国，风力发电起步比较晚，但是国家重视风力发电这项技术带来的可观的经济效益，还有就是对环境没有任何污染情况，所以国家出台了一些政策和提供了经济的支持，风力发电在中国才得到快速地发展。

1986年我国在山东荣成建立了，我国首个风力发电场，直到2003年，我国才建成四十个风力发电场，装机容量刚刚达到五十六点七万千瓦。

小型风力发电机在我国建设的时间较早，目前我国小型风力发电技术已经较为成熟，对于解决边远地区和沿海地区用电难的问题起到了很大的作用。

我国大型风力发电设备早些年主要依赖进口，我风电事业一直都和发达国家之间存在很明显的差距，从发展速度上看，中国也在逐渐追赶外国。

虽然小型风力发电技术已经趋于成熟，但是小型风力发电技术的稳定性有待提高。

我国风力资源是非常丰富的，可开发的风力资源更是可观，尤其是近海风力资源，近海风力资源开发价值更高。

我国风力资源丰富的地区主要聚集在我国华北北部，东南沿海，西北等地区。

据统计中国新增风力发电装机容量约占全球的百分之四十五。

中国持续推进全球风力发电的增长，现在稳居世界第一，已经遥遥领先。

2014年全年我国风力发电新增装机容量为两千三百三十五万千瓦，大概占世界全部风力发电新增装机容量的百分之四十五点二%，据统计装机容量已经达到一点一五亿千瓦，拥有世界风力发电装机全部容量的百分之三十一。

因为中国在风力发电领域的不错表现，所有亚洲也成为全球装机最多的区域，每年新增装机容量达两千六百一十六万千瓦。

1.3风力发电系统的发展方向
1、在我国现阶段的风力开发一点点的开始规范起来了，带动的经济效益也是非常可观的，而且我国风力发电的前景也是非常好的。

今年我国装机总量还在不断提升，进行的装机计划和下的订单可以一直进行到明年，势头非常的好。

虽然发展难免会遇到些问题，但是只要国家支持，相应的政策稳定，我国的风力资源就会实现可持续发展，我国的风力资源就能较快的发展，持续增长。

2、因为逐年增长的风力发电规模，一些很好地收益难以实现，弃风限电等问题不断出现，管理就算加强了，都难以解决这些问题，这些问题如果持续发展，将会给开发
商和国家带来不可估量的阻力，所以我们需要对风电机组制造输出的质量标准进行规范化。

3、我国风力发电运行和维护的商家不断出现和壮大，他们获得了很好地发展。

我国因为风力发电装机容量增加迅猛，那么运行维护的需求就会逐渐增加，我国现在平均每年增加一万多台风力发电机组，而且我国每年需要维护的发电机组将近十万台左右，早期生产安装的风力发电机组，已经运行了这么多年了，难免会出现质量等问题。

除此之外，我国每一年都有很多风力发电机组过了保质期需要进行维护，所以需要运行和维护的风力发电机正向运维市场推进。

现在在做风力发电机组运行和维护的不仅有运营开发商和整机制造商，还有许多风电运行和维护企业也在做，并且把风力发电机组的运行维护进行了实际的专业化，规模化。

4、我国领土非常大，不仅陆地领土大，而且海洋领土也很大，当然海上的风力资源也异常的丰富，我国规定的海上电价政策的出台对海上风力发电有很大的推动发展作用。

5、机组技术的快速发展。

随着我国风力发电技术的不断创新和提升，在两兆瓦及以下风力发电机组的生产已经非常成熟，风力发电机组在设计方面更加智能化和细分化，更加因地制宜的使用风力发电机组了;三兆瓦及以上的大型风力发电机组以及海上风力发电机组技术发展迅速，已经有很多非常好用的甚至达到兆瓦级海上风力发电机组产品成功研发并投入试验和批量供货。

6、我国在新的十三五规划中，我国国内风电新增装机容量很可能达到一亿千瓦，平均每年新增风力发电装机容量达两千万千瓦。

我国经济要很好地发展，生态也要保护好，基于这种挑战，一切不适合可再生能源发展的，都要革除。

第二章小型风力发电系统概述
2.1 小型风力发电的定义
国际电工委员根据小型风力发电机组最新标准IEC61400-2定义的小型风力发电机组（Small Wind Turbine，SWT）非常适合应用于风轮扫掠面积小于二百平方米的小型风力系统，这个小型风力发电系统可以非常有效的将风能转换为电能。

目前，世界各个国都在进行小型风力发电系统的市场研究、起草了可再生能源法律或已经指定财务援助计划等项目时，都已经建立了他们自己对小型风力发电机的定义。

在五个主要的小型发电机制造国家的定义中，小型风力发电最大容量范围的差异一般在十五到一百千瓦之间变化。

2.2 小型风力发电系统的组成
风力发电机在和电网连接的时候叫做并网型风力发电机，风力发电机独立运行的时候叫做离网型风力发电机。

离网型风力发电机（或是小型风力发电系统）是一种可以应用在比较偏远地区和电网电力输送不过去的地方，这种离网型风力发电机一般功率都不大。

独立风力发电机一般用蓄电池储能，再加上控制部分控制直流交流的转换，还有保护部分，一起组成了独立运行的小型风力发电系统。

这样的独立运行的风力发电系统，产生的电量一般能供应一家的用电需求，还有这样独立运行的风力发电系统甚至可以解决部分家庭的用电现状。

小型风力发电系统的组成：
(1)风力发电机组：一般是由风力机、发电机及控制部件组成的发电系统（简称风电机组）。

(2)蓄电池组：由1台以上的蓄电池经过串联组成的储存电能的装置。

(3)控制器：主要是系统控制的装置，其主要功能是对蓄电池进行过充过放保护，同时又对系统输入和输出功率起着调节与分配的作用等。

(4)逆变器：可以将直流电转换化为交流电的电力电子设备。

(5)交流负载：用交流电作为其工作的装置或设备。

2.3 小型风力发电系统的种类
1）独立型（离网型）风力发电系统
小型风力发电（独立风力发电）规模较小，独立型风力发电系统作为可单独运行的系统，在一些偏远的地区，用电不方便的地区得到很好地使用，其一台容量为十千瓦以下，一般用蓄电池等储能的装置或和其他能源发电技术相结合，就能把风力发出的电能为当地的用电设备供给，解决其用电难的问题。

2）并网型风力发电系统
并网型风力发电系统接入电力系统运行且规模较大的风力发电场。

单机容量一般在数百千瓦及兆瓦。

并网风力发电就既有风力发电系统发出的电能又有电网上的电能，当风力发电系统产生电能多的时候，就把多余的电能传输给电网，这样就可以增加电网中的电能了。

当风力发电系统发出的电能不足时，电网也可以补充并网运行设备所需要的电量。

大功率风力电机组并网发电是当代主流的风力发电方式，高效率大规模的使用并网发电，效果明显，经济又实用。

2.4 小型风力发电系统的用途
小型风力发电系统的应用：
1）无电地区电力建设：无电地区一般是不容易接通电路的地区，电网无法铺设到
得地区，那么人们在这样的地区生活，始终还是需要电的，所以小型风力发电系统在这样的地方再适合不过了，在农场和牧场里，最早应用了小型风力发电系统。

像草原这样地势平坦的地理条件最适合小型风力发电系统来发电供给设备使用。

草原简直就是现代小型风力发电系统的最理想应用场所。

2）商业和工业应用：小型风力发电系统在城市和工厂里的应用，一般都是并网使用的，这样的系统一并网使用能满足工厂和商店的电能消耗。

小型风力发电系统的商业和工业应用不仅为业主减少了常规电的使用，塑造了一个积极、绿色的形象，同时也提高了，其产品和服务的竞争力。

如果业主得到一些补偿（如净计量、上网电价或税收补偿方案），那么业主可进一步在经济上受益于商业化的小型风力发电系统。

3）海水淡化和提纯：随着世界人口的不断增加，日常用的淡水资源肯定不断增加，不仅人口增加需要大量的淡水，就连工业生产制造的过程中也需要很多的淡水，但是随着环境污染的严重，对水资源也有很大的污染。

我们身边的淡水资源还是需要我们有效的维护的，当然反向渗透技术带给我们可观的希望，它是海水除盐和提纯的一种重要方法。

对于缺水地区而言，小型风力发电系统可以提供高性价比海水淡化供电电源。

该技术已经非常成功应用到世界一些地区不同国家的现实生活中了。

4）渔业和游船：渔民和水手大部分时间都在湖（河）或海面上工作，这就使得小型风力发电系统可以利用水面上更好地风能资源来发出清洁的、噪音声小的、便宜的电能。

5）边防哨所：小型风力发电系统不仅可以利用风能发出清洁的电能，同时也展示给用户在环保方面积极的绿色形象。

小型风力发电技术不断提高，使得供电系统越来越高效可靠，军队也开始推广应用小型风力发电系统以代替柴油发电机，来满足他们日常用电的需求。

6）互补混合系统：现在的风力发电系统不断地和其他可再生资源混合使用。

风力发电和太阳能互补路灯是市场上推广最快的互补发电应用之一。

其是配有蓄电池的互补双系统，不仅非常显著地提高了这个供电系统的可靠性，而且还使得产生电能供给的波动性变为最小。

7）抽水系统：抽水系统一般都是由风推动风车来完成的。

现阶段我国小型风力发电机系统用于抽水的方式已经应用到基层的农业灌溉和大小型水库的供电系统中了，在缺水地区，小型风力发电系统已经取代了传统的柴油发电机的发电，供给水泵动力，为人们提供经济实惠的水资源。

8）通信基地：一些偏远地区的通信塔，由于电网无法延伸或者建立电网经济性太差，通常用柴油机发电作为基站的供电。

独立供电的小型风力发电系统正在成为柴油发电的替代能源，具有相当大的优势。

2.5 小型风力发电系统的指标
1）风力发电系统的叶片一般为两到三个，也有四到六个的，而且叶片的结构和制造方法有很多种。

2）配以尾翼、塔架、底座、地锚和拉索等。

3）风力发电系统中发电机选择具有低速特性的永磁发电机。

使得发电机的效率从普通的零点五提高到很多，最高可以达到普通的零点八二。

4）绝大多数小型风力发电机都采用被动式侧偏调速保护，这种保护方式使得其风轮的最大功率系数最高可以达到零点四二，并且较低风速也可以启动。

5）根据风轮的迎风方式可分为上风型和下风型。

6）根据风轮的发动机轴，小型风力发电系统分为水平轴型或垂直轴型。

7）叶片材料多样化。

8）风轮一般采用定桨距和变桨距这两种，现实中定桨距采用的比较多。

9）小型风力发电系统运行平稳、质量可靠，设计的使用寿命一般为十五到二十年。

10）小型风力发电机的不仅体积小、重量轻，而且便于安装和运输。

2.6 风力发电的优点和缺点
风力发电的优点：使用风力发电，不会产生任何排泄物、废气以及可吸入颗粒物，风力发电是对环境没有任何污染的；风力发电还是可以再生的，不断地生成供给人们使用，这样的免费资源是非常可观的，不仅供给人们使用的电能可观，更重要的是，风力资源是不会枯竭的；风力发电设施的建设时间短，相对于其他可再生资源，风能的基础建设所用的时间周期算是非常短的了；还有就是风力发电装机可以是一台，也可以是几台，规模大小要根据当地风力资源的丰富程度决定，这一点说明风力发电非常灵活。

风力发电的缺点：风力发电优点很多，经济效益也非常的好，但是它同时也具有一些缺点，如：风力发电机转动的时候，难免会产生一些噪音，很影响路过的人；风力发电规模比较大的时候，人们望眼看去，估计都会产生密集恐惧症的感觉，这是视觉污染；风力发电机不管是一台还是多台，它都会占据一定的土地资源的；虽然现阶段风力发电的技术已经成熟，但是其制造成本也是很高的；风力发电机在风力资源比较丰富的地区建
设，会影响当地的鸟类正常飞行，对鸟类的伤害也是比较大的；还有就是风力资源是不稳点的，也不是人们可以控制其风速的大小或者风的方向的。

2.7 蓄电池使用注意
1）注意蓄电池不可以过放电
现阶段，风力发电的转换成电能效率还是很难满足日常用电需求的，常常伴随着用户负载消耗的电能大于风力发电产生的电能，蓄电池持续放电，风力发电提供给蓄电池的电能根本就不能满足蓄电池存储电能供给使用的量，进而造成蓄电池过度放电使蓄电池效率降低。

因为风有时有风带动风力发电机转动，有时风小的根本带不动风力发电机转动，所以用户在用电时就不能像使用常规网电那样，拥有恒定的用电，而应该根据风力发电实际情况的掌握来适度用电，即风力发电量多得时候可适当多用电，风力发电量少得时候要省用电，当无风的时间很长的时候，我们就应该少用电或者干脆就停止用电，这个时候就要特别注意蓄电池不要过放电。

小型风力发电系统中，蓄电池一般会选择铅蓄电池。

2）蓄电池亏电状态的判断
（1）控制器应该在蓄电池过充或放电时发出特别的警告声，以便提醒用户注意一下蓄电池的现状，这样可以使用户准确掌握蓄电池的状况。

（2）如果控制器指示灯红灯亮的时候，就表示蓄电池有过充或过放的情况；要是绿灯亮就表示蓄电池状态很正常。

（3）当蓄电池电压数据不在正常范围内的时候，我们就可以立即断定蓄电池是过充状态或是过放状态。

2.8 蓄电池容量的确定因素
首先要考虑到小型风力发电系统直接给什么样的负载供给电能，这样的负载每天需要多少电量；其次必须了解当地风能资源的一些具体的产能现况，这样就能测算出蓄电池每天需要存储的能量；再次还要注意到蓄电池的自放电率、电解液的温度、老化等；最后要注意的是蓄电池的容量选择适宜为好，不要过大或者不足。

第三章硬件方案
3.1 分析电路的设计部分
小型风力发电系统，经过风的推动，发电机就会转动，发电机转动因为磁生电原理，。