基本信息
- 项目名称：
- 小型离网式正弦波风力发电控制装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 风能是一种丰富清洁的最具开发利用前景的可再生能源。小型离网式正弦波风力发电控制装置将风力发电机输出的交流电经整流后储存在蓄电池的直流电逆变成交流电，再经变压器升压、稳压环节变输出单相220V正弦工频交流电压。其潜在市场主要在草原、沿海以及边远、偏辟、信息闭塞的经济欠发达地区。对于改善和提高当地经济，促进这些地区社会、文化事业发展有着重大的意义，同时也推进了推进节能减排、发展低碳经济和绿色经济。
- 详细介绍：
- 小型离网式正弦波风力发电控制装置将风力发电机输出的交流电经整流后储存在蓄电池中的直流电逆变成交流电，再经变压器升压、稳压环节变输出单相220V正弦工频交流电压。其装置的逆变部分由四个功率场效应管MOSFET组成的全桥电路构成。通过采样电阻采样负载电流，由8位单片机PIC18F2331构成的控制回路；脉冲宽度由单片机PIC18F2331控制发出脉冲宽度调制控制信号经过7404的放大来使得驱动电路IR2110控制四个功率场效应管MOSFET的通断。通过采样反馈电压实现了电压的闭环控制，使输出电压稳定，再经滤波得到单相220V交流电压。单片机通过A/D采样反馈来实现欠压、过压、过载等保护，提高了装置的可靠性。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的和基本思路：风力发电控制装置必须将存储在蓄电池中的直流电变为220 v，50 Hz的交流电输出，以满足交流电器的需要。正弦波逆变承担着将直流电调制成稳压稳频的交流电直接供给负载的任务。作为系统的最末一级变换装置，其品质的好坏直接影响整个发电系统的投资和性能。风力发电机发出的变压变频的交流电经过整流后变成直流电储存在蓄电池中，经过该装置逆变、升压、稳压，逆变部分采用SPWM技术，再通过滤波变为正弦波给负载供电。 创新点：1小型风力发电机充电控制器，基于PIC单片机的PWM斩波控制，斩波频率高于20kHz，无负荷噪声，浮充电压稳定。2反馈采用电压、电流双闭环控制，使输出电压稳定。3采用全桥逆变电路，用两只同样的开关管代替了两只电容。4逆变电路采用逆变桥拓扑结构，在高频、高压的情况下仍可以稳定的导通和关断。 技术关键: 1升压部分采用变压器升压，稳压环节主要通过电压、电流双闭环控制的反馈方式、全桥逆变电路等实现。2逆变部分采用SPWM方式，使逆变器输出单相正弦波交流电。3驱动电路的设计。驱动电路采用逆变桥拓扑结构，采用耐高压、高频的功率管，同时系统采用具有自举技术的集成驱动电路IR2110，极大地减少被驱动功率器件的开关时间，降低开关损耗。4系统可靠性设计，包括过压、欠压和过载等方面的设计，提高了装置运行的可靠性。 技术指标：（1）输入直流84-120V（2）输出单相交流220V（3）功率400W（4）谐波THD<4%
科学性、先进性
- 目前控制技术一种是先升压再逆变的控制方式，效率高、体积小巧、输入电压范围很宽，但是高频电磁干扰较大，变压器设计、控制系统与结构设计较复杂，且后级逆变电压较高，逆变环节开关管损耗较大；另一种先逆变再采用工频变压器升压的方式，逆变环节开关管的损耗较小，电路简单、辐射干扰小，但是采用工频升压，逆变器体积大，效率较低。该装置的设计在第二种方案完成的基础之上再对第一种方案进行设计试验。逆变部分是将储存在蓄电池中的直流电逆变成交流电，再用升压变压器升压得到220V正弦交流电压；逆变部分采用SPWM的工作方式，使逆变器输出单相SPWM交流电压，再经滤波环节得到单相正弦波交流电。实验结果表明：1采用SPWM技术的压力闭环控制系统具有实现简单、控制性能优越、使用寿命长和安全可靠的特点。2对感性、容性或精密仪器等负载拥有较强的优势，提高了控制装置的应用领域。3可以带动任何种类的负载，效率高、噪音小，具有极高的市场推广价值。4内置有过压、过流、欠压和过载等方面的设计，提高了装置运行的可靠性。
获奖情况及鉴定结果
- 无。
作品所处阶段
- 实验室阶段。
技术转让方式
- 无。
作品可展示的形式
- 照片 模型 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 用SPWM工作方式，使逆变器输出单相SPWM交流电压，再升压变压器升压得到单相正弦波交流电。其明显优于目前离网式小型风力发电市场上占主流的方波逆变器，对感性、容性或精密仪器等负载的使用具有较强的优势，提高了控制装置的应用领域。而且还内置有过压、过流、欠压和过载等方面的设计，提高了装置运行的可靠性。 离网式小型风力发电系统通常采用蓄电池组进行储能，通过该小型正弦波风力发电控制器可以实现交流工频电能输出。是边远缺电地区的一种重要的电力生产方式。在这些地区，采用小型风力发电系统为局部负载提供电力，不仅可以减少一次性巨额投资，还可以避免火力发电系统的温室气体排放，改善了环境，从而有益于可持续性发展。 本作品的潜在市场主要在草原、沿海以及边远、偏辟、信息闭塞的经济欠发达地区，解决这些地区的人们看电视、听收音机、照明和用电动鼓风机做饭等生活用电问题，对于改善和提高当地经济，促进这些地区社会、文化事业发展有着重大的意义，同时也推进了推进节能减排、发展低碳经济和绿色经济。
同类课题研究水平概述
- 在高速发展的今天，社会的长期存在和持续发展离不开能源的供应，但是非可再生资源的严重短缺，环境破坏等问题伴随而来。进过多年的探索和发展，可再生资源能为各国首选地资源攻略方向，其中清洁绿色能源——风能的开发和利用以受到各国的高度重视。 继丹麦建成世界上第一座风力发电站之后,美国、荷兰和德国等国家对风力发电的研究和应用投入了相当大的人力和资金，成为目前世界上风力发电方面处于领先地位的几个国家。风力发电在解决无电农牧区居民的用电方面起到了重要的作用，同时也为风能的利用开辟了更为广阔的前景。20世纪90年代初以来，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30%。风力作为一个相当巨大的电力能源宝库，总量十分可观，全球可实际利用风能为2×107MW。我国风电起步不晚，而且步伐迟缓，至今没有取得突破性进展，和世界风电发展的差距却在加大。截至2004年底，总装机容量仅为76.4×104kW，远远落后于世界风电产业的发展水平。 20世纪80年代一项新能源技术——并网型风力发电开始兴起，风力发电机组的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦级机组；制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展。与此同时，通常采用蓄电池组进行储能离网式小型风力发电系统也在飞速发展，离网型风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供给用户使用。如用户需要交流电，则须在蓄电池与用户之间加装逆变器。离网式风力发电系统中的逆变控制器，除可以将蓄电池的直流电转换成交流电的功能外，还具有保护蓄电池的过充、过放、交流泄荷、过载和短路保护等功能，以延长蓄电池的使用寿命。 目前国外离网式小型风力发电产品品种比较齐全，世界各国都在开发和利用风能。北美、西欧和东亚等地区发达的工业国家广泛使用正弦波逆变器，从100W到10kW不等，可以带动任何种类的负载。由于风电技术已相当成熟，近年来，发达国家风电的年装机容量以35%以上的速度增长。目前，单机容量500 kW, 600 kW和750 kW的风电机组已实现产业化，MW级风机成为当前世界风力发电的主力机型。虽然风电机组的发展方向是超大容量、智能化、高稳定性和可靠性，但是离网式小型风力发电系统仍有巨大发展空间。
