小型风力发电机控制器设计

电子设计竞赛教程

考试(设计报告)

题目：小型风力发电机控制器设计

摘要

现有的小型风力发电系统存在能量转换效率低、蓄电池使用寿命短、控制简单和缺乏完整的系统功率控制等问题。因此提高对蓄电池的充电速度，减少充电损耗，正确地监控蓄电池状态，确保蓄电池的正确使用、延长蓄电池的使用寿命对小型风力发电有着重要意义。本设计的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基础上，设计简单、高效、高可靠性的风机控制器，实现风电系统可靠及优化运行。

本设计以单片机8051的加强版STC12C5A60S2为核心控制整个电路，具体由风力发电机、控制系统、整流电路、斩波电路、蓄电池充放电控制电路、蓄电池及其用电设备组成，功能上能保证系统安全运行，在电气特性和机械特性允许范围内运行。减少风速随机变化对输出电能的影响，使输出电压稳定，减少纹波。合理调度系统电能，保证向负载提供连续电能。保护蓄电池，防止过充和过放，提供足够充电能量进行快速充电。?

综上所述，本设计将具有可靠性更高、价格更廉等优势，对于增强市场竞争能力，加速小型风力发电的普及和应用，节约能源和保护环境都具有重要意义。

关键词：发电机整流锂电池环保

目录

一绪论

随着现代工业的发展和社会的进步，人们对供电持续性和供电量的要求也越来越高。而煤炭、石油的日趋减少，开发新能源成为当今社会最热门的话题之一。风能作为一种自然资源，它有取之不尽、清洁无污染等优点，所以被人们称为“绿色资源”受到青睐。利用可再生能源可以节约能源和保护环境，而风力发电与其它再生能源相比，更具竞争潜力，因而发展迅速。

我国的风能资源十分丰富，目前已经探明的风能储量约为 3226GW，其中可利用风能约为 253GW，主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿上。据统计，截至到 2006 年底，我国大陆地区已建成并网型风电场 91 座，累计运行风力发电机组 3311 台，总容量达万 kW。已经建成并网发电的风场主要分布在新疆、内蒙、广东、浙江、辽宁等 16 个省区。根据电监会公布的数据，截至 2006 年底,中国发电装机容量达到 62200 万 kW，风力发电占全国总装机容量的 %。和火力发电相比，风力发电还具有以下显着的优点：

①风能是一种可再生的洁净能源，它既不消耗自然资源，也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的。

②风力发电系统的建设周期要比火力发电系统短，而且投入的资金也要少得多。

③由于现代高科技技术得融入，使得风力发电的可靠性得到显着提高。大中型风力发电机组的可靠性从 80 年代的 50％提高到 98％，已经

高于火力发电，并且机组寿命可达 20 年以上。

④与火力发电相比，风力发电机组建设的占地面积要远远小于火力发电，并且风力发电既可以并网运行，也可以和其他能源，如柴油发电、太阳能发电、水力发电组成互补系统。还可以独立运行。对于解决边远无电或供电困难地区的用电问题提供了现实的可行性。

由以上所述可以看出，风力发电对我国的经济发展有着巨大的意义。作者希望通过

对小型风力发电机及其相关控制技术的研究，来改进和完善风力发电技术，为风力发电技术的发展提出一些创造性的想法。

二小型风力发电系统原理

风力发电系统组成

普通的独立式小型风力发电系统由风力发电机、控制系统、整流电路、斩波电路、蓄电池充放电控制电路、蓄电池及其用电设备组成（见图），其中整流电路和斩波电路也可以合称为电能变换单元电路，它实现了将风能转换为电能和变换为能够使用的电能的整个过程。利用风力带动发电机发电，将发出的电能存储在蓄电池中，在需要使用的时候再把存储的电能释放出来。

图 小型风力发电系统结构示意图 风电系统的运行特点

对于独立运行的小型风力发电系统,它的工作情况主要由风速、蓄电池状态和负载情况决定,发电机输出的能量要与负载当前消耗的能量以及蓄电池所能储存的能量总和匹配。系统运行状态的分析如表所示： 表 风电系统运行模式 状态是否存在

风机状态 蓄电池状态

负载状态

1

1 0

1 0

NO

0 0 0 YES

（状态1） 0 0 1

NO011

NO100

YES（状态2）101

YES（状态3）110

YES（状态4）111

状态说明：

状态 1：风机不发电，由蓄电池单独为负载供电；

状态 2：风机发电，由风机和蓄电池一起为负载供电；

状态 3：风机发电，为蓄电池充电，风机和蓄电池都没有为负载供电；

状态 4：风机发电，为蓄电池充电的同时也为负载供电。

由以上状态分析可以看出，风力发电系统一般都是在以上四种状态下工作的，随着外界环境的变化，如风速、风向的不同，还有负载工作情况的变化，整个风力发电系统是在四种状态间切换工作的。

当由于环境风速低于风力机的启动风速，而使风力发电机无法发电时，则要由蓄电

池为负载供电，这就是第一种工作状态；当风速足够大，风力发电机可以发电，且蓄电

池不需要充电时，则可以由风力机和蓄电池一同为负载供电，若负载较小时，也可由风

力发电机单独为负载供电，这就是第二种工作状态；当风速不是很大，且蓄电池亏电较

为严重时，为了保护蓄电池，则需要停止为负载供电，而风力发电机只为蓄电池充电，

这就是第三种工作状态；与第三种状态类似，当蓄电池亏电严重，而风速较大时，风力

发电机发出的电能较多，除了满足为蓄电池充电外，还可以为负载供电，这就是第四种

工作状态。

电能变换单元和控制单元

整流器

在发电系统中，整流模块是非常重要的一个环节。发电机发出的交流电能必须通过整流模块，整形成直流电能，才能向蓄电池充电，或给后接负载供电。根据发电系统的容量不同，整流器可分为可控整流器和不可控整流器两种，可控型整流器主要用在大功率的发电系统中，可以克服由于电感过大引起的体积大、功耗大等缺点；不可控型整流器主要用在功率较小的发电系统中，其特点是体积小、成本较低。

可控型整流器如图所示，其使用的是全控或半控型的功率开关管，如门极可关断晶体管 GTO、功率 MOSFET 或门极绝缘双极性晶体管 GTR 等。