毕业设计（论文）-应用于小型风光互补发电系统中蓄电池充放电装置的设计.doc

本科生毕业论文（设计）任务书 应用于小型风光互补发电系统中的蓄电池充放电装置的设计一. 论文（设计）的主要内容（1）熟悉题目要求，通过查阅相关科技文献，初步拟定设计方案;（2）对所选方案论证与确定、并进行技术经济分析；（3）绘出详细的主回路电路图和控制电路图；（4）对主电路电气装置及电器元件的选型要有简单的计算书；（5）详细的设计说明书；（6）翻译一篇与自己所学专业或设计有关的英文资料（英译汉）。二. 论文（设计）的基本要求（1）系统分为充电装置和放电装置； （2）光伏充电装置；主要由dc-dc变换装置组成； （3）风力充电装置：主要由ac-ac及ac-dc变换装置组成；（4）放电装置：蓄电池储存的直流电能通过dc-ac变换变为交流，供给负载；（5）设计各自的主电路图；（6）控制系统采用sg3525、at89c51等单片机作为控制核心。 目 录中文摘要及关键词1英文摘要及关键词2第一章 绪 论31.1 能源状况31.2 风、光发电的发展状况31.2.1 风力发电和太阳能发电的特点31.2.2 风光互补发电的提出41.3 选题意义和国内外研究状况51.4 小结6第二章 蓄电池72.1 蓄电池的类型72.2 铅酸蓄电池充放电原理82.3 蓄电池的充放电特性82.4 蓄电池充放电方式92.5 风光互补发电系统构成及原理102.6 小结11第三章 光伏单元充电电路设计123.1 充电电路拓扑结构及方案选择123.2 主电路的设计133.3 控制电路原理与设计153.3.1 控制电路方案比较及选择153.3.2 sg3525各引脚具体功能163.3.3 sg3525芯片特点如下163.4 驱动电路设计173.4.1 驱动电路方案比较与选择183.4.2 驱动电路工作原理183.5 小结19第四章 风力单元充电电路设计204.1 系统组成204.2 主电路结构204.3 控制电路214.3.1 系统组成214.3.2 直流电压检测214.3.3 单片机214.3.4 pwm波的产生214.4.5 驱动电路214.4 小结22第五章 逆变器设计235.1 逆变器的系统构成235.2 主电路设计235.3 控制电路设计245.3.1 单片机245.3.2 检测电路255.3.3 驱动电路265.4 小结27总结与展望28参考文献29致 谢30附录31附录33 中文摘要及关键词摘要；本文在分析国内外对风光互补系统研究的基础上，对风光互补系统有了初步的认识，并对蓄电池的充放电过程及装置进行了深入的研究。在光伏单元的充电设计中，主电路采用降压斩波电路，控制电路采用了sg3525芯片；在风力单元充电设计中，主电路采用三相不可控整流电路，控制电路运用了sg3525芯片，驱动电路运用了zxb841；对于蓄电池放电装置，采用了at89c51芯片，设计了逆变器的主电路及其控制电路。关键词：风光互补；光伏充电；风力充电；逆变器英文摘要及关键词abstract：on the basis of the analysis of the research about wind and solar energy complementary system at home and abroad, this thesis has a preliminary understanding of wind and solar energy complementary system and makes deep researches on the charging and discharging process of the battery and its device.in the design of charging in photovoltaic cell, the main circuit adopts the buck-chopping circuit, the control circuit adopts sg3525 chip; in the design of charging in wind turbine unit, the main circuit adopts three-phase uncontrolled rectifying circuit, the control circuit uses sg3525 chip , the drive circuit uses exb841; meanwhile battery discharge device adopts at89c51 chip and designs the main circuit and control circuit of the inverter.key words：wind and solar complementary；photovoltaic charging；wind charging；inverter第一章 绪 论1.1 能源状况能源是人类赖以生存的五大元素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物质，是经济发展的“火车头”，能源已成为制约国民经济发展的重要因素。当前在生产和生活中起重要作用的能源主要有五大类：煤炭、石油，天然气水和核裂变能。这些能源被称为常规能源，目前世界上能源的消耗几乎全靠这五大能源来供应。随着世界经济的深入发展和国际工业化的进程，世界各国对能源的需求越来越大。虽然，人类的技术进步旨在提高能源的利用效率、减少能源的消耗，但现今的能源生产量依然满足不了人类发展的需求，全球范围内的能源危机也日益突出。经过第一次世界范围内“石油危机”的冲击，人类认识到地球蕴藏的矿物资源是有限的，总有一天会被耗尽，现实也告诫人们，要生存就必须寻求开发新能源。人类日益增长的环境保护意识和提高生活质量的需求，要求减少常规能源对环境的污染，优先发展清洁能源。目前煤炭，石油，天然气等能源开采利用中大量排放出的co2 、so2烟尘及汽车尾气是造成世界环境污染的主要原因之一。许多国家通过立法，强制性地增加高效、清洁的新能源及可再生能源比例，限定co2 、so2和烟尘排放量，增收排污费等措施有利地促进了新能源和可再生能源的发展。1997年12月，在日本京都召开的全球气候变化缔约方会议上达成了对发达国家减排 的协议，协议要求在2008-2012年期间将 排放量限制在比1990年低6-8的水平上。我国人们在生活水平达到小康之后，开始更加注重生活质量和环境保护，治理污染、发展清洁能源已是人们的普遍要求。和常规能源相比，可再生资源不污染环境，更不会破坏生态，取之不尽，用之不竭。为了缓解能源危机，随着环境保护的呼声不断高涨，世界各国政府都在从社会经济发展的战略角度对能源结构进行调整。纷纷制定自己的能源政策，除了充分利用现有的传统能源外，都在大力研究开发新能源，给新能源开发以特殊优惠政策和政府税收补贴，从而使风能、太阳能、潮汐能、地热能等的开发利用得以迅速发展。在众多的可再生能源中，光伏发电及风力发电是最有发展前景的两种能源技术。这是基于太阳能和风能的五个优点：(1)取之不尽，用之不竭；(2)就地取材，不需运输：(3)分布广泛，分散使用；(4)不污染环境，不破坏生态：(5)周而复始，可以再生。太刚能是地球上一切能源的来源，太阳照射着地球的每一片土地。风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态(如沙土地面、植被地面和水面)对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能1。1.2 风、光发电的发展状况1.2.1 风力发电和太阳能发电的特点光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。风电系统是利用风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统日发电量大，造价低，运行维护成本低。但是风电和光伏发电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因2。1.2.2 风光互补发电的提出上述分析了风能、太阳能的特点，作为可利用的自然可再生能源，二者在转换过程中都受季节、地理和天气气候等多种因素的制约。但是，二者的变化趋势基本相反，扬其两者各自之长，补其各自之短，相互配合利用，因地制宜，能发挥出各自最大的作用。在以电能为主要的能源消耗方式的当今社会，人们对电的依赖越来越强。特别是在远离电网的地区，独立供电系统成为人们最需要的动力源。结合风能、太阳能的特点，综合利用风力发电和太阳能光伏发电技术而建立的风光互补发电系统无疑是解决这一重大问题的最佳方案。对于偏远地区生活和工作的人们而言，一般情况下用电负荷不大，所以采用电网输送电力就不合理，应当选择在当地直接发电，现在常用的供电方案就是采用柴油发电机，但是柴油的储运相对于偏远地区来讲成本太高，而且难以保障持续供电。所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源，要解决长期稳定可靠的供电问题，只能依靠当地的自然资源。太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源，而且两者在时间变化分布上有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，到了晚上，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能有所加强；在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源分布上具有很好的匹配性3。图1-1 风光互补发电系统在风能、太阳能单独用于发电的系统中，由于风能、太刚能的稳定性较差，为了能够提供连续稳定的能量输出，无论是光伏发电系统还是风力发电系统都要引入能量储存环节用以调节系统的能量供求平衡。能量储存的方式有很多种，如机械储能、化学储能和热储能等，其中，最适合的，也是应用最为广泛的是利用蓄电池的化学储能方式。虽然，目前风电和光电系统通过引入蓄电池储能设备后能够稳定供电，但是系统每天的发电量受天气的影响很大，会引起系统的供电和用电负荷的不平衡，从而导致蓄电池处于亏电状态或过充电状态，长期运行会降低蓄电池的使用寿命，增加系统的维护投资。考虑到风电和光电系统在蓄电池组的管理和能量控制环节是可以通用的，所以风光互补电源系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补电源系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说，风光互补发电系统是合理的独立发电系统4。1.3 选题意义和国内外研究状况在我国的某些偏远山区，由于经济的落后和交通的制约，至今都还没有实现通电，这里的人们对电的渴望极其迫切。因此解决他们的用电问题对稳固地方经济建设、增进国家稳定等具有重要的意义。如在已经实现通电的很多山区大多采用电网送电和当地柴油或汽油机组发电。然而由于地理位置原因，架线送电路程遥远、用户用电量小、线路电能损耗大，而且山区电网的线路维护费用也很高，使得线路运行成本很高。如果靠当地柴油或汽油机组发电的话，由于目前能源紧张，燃料费用较高，再加上地处偏远，燃料运输费用高，难以保障持续供电。因此，柴油或汽油机组发电只能作为紧急的电源使用。因此，利用有限的自然资源，研究小功率、低成本的风光互补电源对解决偏远山区的家庭用户和其他独立电源工作站的用电问题都具有非常重要的现实意义5。图1-2 风光互补发电系统再生活中的应用国外有关复合可再生能源发电系统的研究始于上个世纪八十年代末期，有关风光复合发电系统的研究始于上个世纪九十年代中期，我国有关光伏发电系统的研究始于上个世纪八十年代初，主要针对独立光伏发电系统的优化设计、系统仿真及控制方案的研究。国外进行这方面研究的大学有colorado state university，university of massachusetts等。其中colorado state university和national renewable energy laboratory(美国可再生能源研究室)合作开发了混合发电系统模拟应用软件。该软件功能强大，能对一个风光互补发电系统进行精确的模拟运行，根据输入的发电系统的结构、负载特性以及安装地点风力、日照强度数据获得5760小时的运行结果。而在国内，香港理工大学同中科院广州能源所及中科院半导体研究所合作提出了了一整套利用cad进行风光互补发电系统优化设计的方法。中科院电工所、西安交通大学、合肥工业大学能源研究所都进行了风光复合发电系统方面的研究并进行计算机仿真计算。另外，华南理工大学设计了新型无刷双馈发电机，并通过权值调节方式实现太阳能逆变器最优功率传输。所有的这些研究都主要针对风、光资源相对较丰富的地区，且主要集中在蓄电池充放电参数设置、控制程序、风光优化匹配的研究上，且在太阳能电池板和风力发电机输出电压低于蓄电池充电电压的情况下，系统不工作，因此相应的控制复杂，且资源利用率不高，成本高。1.4 小结本章对当今能源的状况进行了阐述，主要介绍了风光发电在我国的使用及发展，从中看出风光发电在未来的能源利用方面将会有很大的发展，本课题对风光发电系统中的蓄电池充放电装置进行了较为深入的研究。第二章 蓄电池蓄电池是一种储能元件，用于储存电能，对外放电后以对内部电能进行补充(充电)，而且充电过程可以反复多次进行。蓄电池的种类很多，目前性能比较好的有铅酸蓄电池、镍氢蓄电池(nimh)和锂离子蓄电池。其中铅酸蓄电池因其性能价格比较高，容量大，放电性能好，无记忆效应，原材料来源丰富，可循环使用等优点，而得到了广泛的应用。2.1 蓄电池的类型（1）蓄电池的分类蓄电池根据极板材料及电解液的不同可分为碱性蓄电池、铅酸蓄电池、锂蓄电池和锂离子蓄电池。a.碱性蓄电池：碱性蓄电池采用碱性溶液作为电解液，根据极板材料的不同分为：镍隔、铁镍、镍氢、锌银等系列，有高、中、低放电率等品种。b.铅酸蓄电池：铅酸蓄电池采用铅钙合金作为极板，用酸性溶液作电解液。按用途分有：启动型、固定型、牵引型和便携型等。c.锂蓄电池和锂离子蓄电池：锂电池是把性能优良的金属锂作为负极材料，正极材料可以从各种正电性较高的化合物中选。锂离子电池的正极材料采用含锂的层间化合物材料，负极材料采用碳或石墨。电解液可用无机盐有机溶剂体系或是固体、胶态电解质。一些电池由于环保原因如铁镍(nife)、镍镉(nicd)己被淘汰，一些电池由于工业化问题还不能应用，所以，目前阀控式密封铅酸蓄电池(vrla)、镍氢蓄电池(nimh)和锂离子蓄电池是三元争秀6。(2）不同蓄电池的优缺点比较a.镍氢蓄电池优缺点：优点：能量功率平衡，功率高，充电接受性能好，循环寿命长。缺点：搁置寿命短，温度性能差：低温时容量损失，高温时充电、充电接受能力差，成本高。b.锂离子电池优缺点：锂离子电池优点：能量功率平衡与镍氢相似，质量体积值高于镍氢蓄电池和阀控式密封铅酸蓄电池，放电功率高，充电接受能力极好，循环寿命长，成本较低。锂离子电池的弱点：搁置寿命短，温度性能差：低温时容量损失，高温时充电、充电接受能力差。c.密封铅酸蓄电池电池优缺点：密封铅酸蓄电池(vrla)通常被称为免维护蓄电池。其特点：密封，安全，环保，对充电工艺要求严格。若蓄电池充放电适当，可以工作510年的时间。其“免维护”是指使用过程中不需要加水，调节电解液的比重。密封铅酸蓄电池的优点：容量大，能量功率平衡性好，运行温度范围广：在低温和高温时，在镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、vrla三种化学体系中vrla有最广泛的正常工作温度范围；搁置寿命好，放电功率和电压稳定性好，材料可再生，成本低。密封铅酸蓄电池的弱点：总能量输出不足、循环寿命较短。通过对以上三种蓄电池的比较，可以看出它们各有优缺点以及各自不同的适用领域，其中密封铅酸蓄电池总体性能好：具有较好的能量、功率和寿命特性，因而得到了广泛的应用。而镍氢蓄电池、锂离子蓄电池，虽然能够克服铅酸电池诸多不足，但由于成本高、价格贵、建设投入大，目前还无法大面积推广。电力系统和通讯系统一般配备的是密封铅酸蓄电池。2.2 铅酸蓄电池充放电原理（1）构成铅酸蓄电池的主要部分 正极板(过氧化铅. )- 活性物质 负极板(海绵状铅. ) - 活性物质 电解液(稀硫酸) - 硫酸 + 水 (约37%) 电池外壳 、隔离板、其它(液口栓.盖子等) 图2-1 铅酸蓄电池的构成（2）原理与动作铅蓄电池内的阳极(pbo2及阴极(pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2v的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：(阳极) (电解液) (阴极) +2 + +2+ (放电反应) (过氧化铅) (硫酸) (海绵状铅) (阳极) (电解液) (阴极) +2+2+ (充电反应) (硫酸铅) (水) (硫酸铅) 2.3 蓄电池的充放电特性（1）充电特性充电过程中，初始阶段，蓄电池端电压上升较快（图2-2中曲线oa段）；充电中期，端电压上升缓慢（曲线 ab 段）；充电后期，由于蓄电池内阻增加等原因，端电压继续上升（曲线 bd 段）；当蓄电池端电压到达c点以后，如果继续充电，则蓄电池将会由于过充电而损坏，影响蓄电池的使用寿命。特性曲线如图2-2所示：图2-2 充电过程中端电压的变化曲线（2）放电特性放电过程中，放电初期，蓄电池端电压会迅速下降（图2-3中曲线oa段）；随着放电的继续进行，进入放电中期，端电压呈缓慢下降趋势（曲线ab 段）；到放电末期，由于电极板上的活性物质已大部分变为硫酸铅，致使内阻增加，蓄电池端电压下降很快（曲线bd段）；放电至c点时，蓄电池的放电便已结束，如果继续放电，蓄电池端电压急剧下降，蓄电池将由于过放电而被损坏。特性曲线如图2-3所示：图2-3 放电过程中端电压变化曲线2.4 蓄电池充放电方式（1）蓄电池的充电方式a恒流充电法恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚。b恒压充电法充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。 鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。c阶段充电法 此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。 1）二阶段法 采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。2）三阶段充电法 在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。d脉冲式充电法 这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。综上所述，采用恒压充电法，操作简单，便捷，可对蓄电池进行快速充电，所以采用恒压充电法。（2）蓄电池的放电方式一个直流电源有两种工作状态，一种是恒压状态，按照恒压电源的特征在工作，一种是恒流状态，按照恒流电源的特征在工作。这种电源内部有两个控制单元，一个是稳压控制单元，在负载发生变化的情况下，努力使输出电压保持稳定，前提是输出电流必须小于预先设定的恒流值。实际上在恒压状态时，恒流控制单元处于休止状态，它不干扰输出电压和输出电流。当由于负载电阻逐步减小，使得负载电流增加到预先设定的恒流值时，恒流控制单元开始工作，它的任务是在负载电阻继续减小的情况下，努力使输出电流按预定的恒流值保持不变，为此需要使输出电压随着负载电阻的减小而随之降低，在极端情况下，负载电阻阻值降为零（短路状态），输出电压也随之降到零，以保持输出电流的恒定7。2.5 风光互补发电系统构成及原理系统结构图如图2-4所示,本系统由风力单元、光伏单元、逆变单元以及蓄电池、直流母线、交流母线和交流负载构成，该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统，其各部分原理如下：（1）风力单元是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；（2）光伏单元利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电； 图2-4 系统结构框图（3）逆变单元由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；（4）蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。2.6 小结本章首先对蓄电池的类型进行了阐述，蓄电池根据极板材料及电解液的不同可分为碱性蓄电池、铅酸蓄电池、锂蓄电池和锂离子蓄电池。经过对蓄电池优缺点的比较，可以看出它们各有优缺点以及各自不同的适用领域，其中密封铅酸蓄电池总体性能好。然后对铅酸蓄电池的充放电原理进行了说明，最后画出了风光互补系统的系统结构图，并进行了说明。为后续章节的研究奠定基础。第三章 光伏单元充电电路设计3.1 充电电路拓扑结构及方案选择光伏单元充电电路一般采用直流斩波电路，直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。常用的斩波电路8：（1）buck电路：降压斩波器，其输出平均电压uo小于输入电压ui，输出电压与输入电压极性相同。图3-1 降压斩波电路图（2）boost电路：升压斩波器，其输出平均电压uo大于输入电压ui，输出电压与输入电压极性相同。图3-2 升压斩波电路图（3）buck-boost电路：降压或升压斩波器，其输出平均电压uo大于或小于输入电压ui，输出电压与输入电压极性相反，电感传输。图3-3 buck-boost电路图（4）cuk电路：降压或升压斩波器，其输出平均电压uo大于或小于输入电压ui，输出电压与输入电压极性相反，电容传输。图3-4 cuk电路图在本论文中采用降压斩波电路对光伏单元进行设计。降压斩波电路工作原理（分为两个阶段）：t=0时v导通，e向负载供电，uo =e，io按指数曲线上升 t=t1时v关断，io经vd续流，uo近似为零，io呈指数曲线下降，为使io连续且脉动小，通常使l值较大 。电流连续时，负载电压平均值 式中 导通占空比，简称占空比或导通比 uo最大为e，减小，uo随之减小降压斩波电路。也称为buck变换器（buck converter）。 负载电流平均值3.2 主电路的设计在电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。igbt降压斩波电路的主电路图如下图3-5所示。它是一种降压型变换器，其输出电压平均值u，总是小于输入电压ud。该电路使用一个全控型器件vt，为igbt。在vt关断时，为了给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管vd9。主电路工作原理如下：基于直流降压斩波主电路使用一个全控电压驱动器件igbt。用控制电路和驱动电路来控制igbt的导通或关断。当t=0时，vt管被激励趋于导通，vd管要承受反压。在vt管接通的t1时间内，开关管vt流过的电流就是电感电流，电感l中电流直线上升，能量存储于电感中。其电路工作时波形图如下图3-6所示：当时刻vt管关断，由于电感储能作用，电感电流必须要按某一路径流通，能量要释放。其中二极管vd势必导通，电感电流可通过蓄电池，vd形成通电回路。电流经二极管vd续流，电路中电压uo近似为零，电路中电流指数曲线下降。为了使电路中电流连续且脉动小，故应串联较大的电感l。至一个周期t结束，再驱动igbt导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为uo=ke,ton为igbt处于通态的时间； 图3-5 主电路图图3-6 电路工作时的电流波形图toff为处于断态的时间；t为开关周期；k为导通占空比。通过调节占空比k使输出到负载的电压平均值 uo最大为e，若减小占空比，则uo随之减小。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，可分为三种工作方式：（1）保持开关导通时间ton不变，改变开关周期t，称为频率调制工作方式；（2）保持开关周期t不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽调制工作方（3）开关导通时间ton和开关周期t都可调，称为混合型。但是普遍采用的是脉冲宽调制工作方式。因为采用频率调制工作方式，容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。此电路就是采用脉冲宽调制控制igbt的通断。3.3 控制电路原理与设计3.3.1 控制电路方案比较及选择控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小。igbt控制电路的功能有：给逆变器的电子开关提供控制信号；以及对保护信号作出反应，关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负输入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽10。对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、cpld等等来输出pwm波，也可以通过特定的pwm发生芯片来控制。因为斩波电路有三种控制方式，又因为pwm控制技术应用最为广泛，所以采用pwm控制方式来控制igbt的通断。pwm控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。对于pwm发生芯片，我选用了sg3525芯片，它是一款专用的pwm控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。sg3525是定频pwm电路，采用16引脚标准dip封装。其各引脚功能如图3-7所示，内部框图如图3-8所示。 图3-7 sg3525的引脚图3-8 内部框图3.3.2 sg3525各引脚具体功能（1）引脚1：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。（2）引脚2：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端之间接入信号不同的反馈网络。（3）引脚3：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。（4）引脚4：振荡器输出端。（5）引脚5：振荡器定时电容接入端。（6）引脚6：振荡器定时电阻接入端。（7）引脚7：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，形成放电回路。（8）引脚8：软启动电容接入端。（9）引脚9：pwm信号输入端。（10）引脚10：外部关断信号输入端。（11）引脚11：输出端a。（12）引脚12：信号地。（13）引脚13：输出级偏置电压接入端。（14）引脚14：输出端b。（15）引脚15：偏置电源接入端。（16）引脚16：基准电源输出端。3.3.3 sg3525芯片特点如下（1）工作电压范围：835v。（2）5.1v微调基准电源（3）振荡器频率工作范围：100hz500khz。（4）具有振荡器外部同步功能（5）死区时间可调。（6）内置软启动电路。（7）具有输入欠电压锁定功能。（8）具有pwm锁存功能，禁止多脉冲。（9）逐个脉冲关断。（10）双路输出（灌电流/拉电流）：ma(峰值)其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的pwm信号。脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成sg3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出11。3.4 驱动电路设计 由于sg3525的振荡频率可表示为 ：式中 ct、rt分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；rd是与脚7相连的放电端电阻值。 sg3525有保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而13脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出pwm波12。由此可以得出控制电路的电路图如图3-9所示：图3-9 控制电路图其中第十脚过流过压还有欠电压保护输入端。 3.4.1 驱动电路方案比较与选择该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使igbt可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使igbt能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4)足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式：(1)采用磁耦隔离，最常用的是用时变压器隔离，即通过一次侧和二次侧的磁耦联系将电路隔开，从而取到电气隔离的作用。这种方法的优点是简单，不需要外接电源对器件进行驱动，且传递的效率很高。但同时缺点也很明显，首先磁耦隔离只能用于交流电路，直流电路无效，其次变压器的体积较大，不利于集成。(2)采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测igbt的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1s的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。由于这次设计的需要，所以选择光耦隔离。3.4.2 驱动电路工作原理驱动电路的电路图如图3-10所示：由图知，igbt降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动igbt的电压叫高，约为12v左右，而sg3525芯片提供的电压只有5v左右，直接连入无法驱动igbt。并且推挽式电路简单实用，故用推挽式进行电压放大。图3-10 驱动电路原理图igbt是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几伏的直流电压，只有a级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但igbt的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pf），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数安的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。3.5 小结本章首先提出了降压斩波电路，分析了降压斩波电路的原理，其次运用降压斩波电路对光伏单元充电电路进行了设计，分析控制电路的原理，并进行了设计。最后对驱动电路的工作进行了分析，其中介绍了sg3525芯片的引脚和特点，对驱动电路的方案进行了选择。第四章 风力单元充电电路设计4.1 系统组成图4-1 系统结构框图 系统的结构框图如上所示，由四部分组成，ac-ac变换装置、ac-dc变换装置，单片机sg3525、和蓄电池组成。交流电先经过ac-ac变换装置，在经过ac-dc装置进行整流，同时基于单片机sg3525的电路对输入的交流电进行控制，最后给蓄电池充电。4.2 主电路结构图4-2 主电路图主电路如图4-2所示，其中vd1vd7为二级管，c1c4为整流滤波电容，r1r4为均压电阻，l为滤波电感，r5为卸荷电阻，r6是限流电阻，vd7为续流二极管，vt1和vt2为igbt,c5是带极性的电容。交流电经过保险，输入三相不可控整流电路，通过电阻r1r4和电容c1c4组成的滤波电路，在经过卸荷电路，igbt、续流二极管、滤波电感l和限流电阻r5，给蓄电池充电。本电路中输入的是三相工频交流38015v的电压13。4.3 控制电路 4.3.1 系统组成图4-3 控制电路框图由于本设计采用的是蓄电池恒压充电发，故只研究直流电压检测电路，不进行蓄电池电流检测电路的研究。4.3.2 直流电压检测电压测量电路采用差动放大电路，差动放大电路是将2个输入端上所加信号的差值进行放大，再作为输出的电路14。基本差动放大电路由1个运算放大器和4个电阻构成，第一级为差动放大电路，第二级为电压跟随器，输出前为了防止涌浪电压损坏单片机的a/d口，设计了限幅电路。运算放大器选择常用的lm358，根据电路可得到输入和输出的关系表达式为：vo=(r1/r2)vin。由单片机a/d对于采集电压的要求，选择合适的电阻即可实现，原理图如图4-4所示。图4-4 电压检测电路原理图4.3.3 单片机单片机sg23525在上一章的3.3.2和3.3.3中已做了详细介绍。4.3.4 pwm波的产生pwm波产生电路如图4-5所示,该 pwm波产生电路以sg3525芯片为主 ,外围搭配适当的电阻、电容等组成。由于sg3525单路输出的占空比最大只能达到 50%,所以这里将芯片的11引脚和14引脚输出的两路相位互差1800的pwm波信号经或非门74ls02、非门74ls00以后输出pwm波给 igbt驱动电路exb841,这样即可满足占空比的要求15。4.4.5 驱动电路igbt的驱动方法常用有:直接驱动法、隔离驱动法和集成模块驱动电路。本驱动电路采用的是exb系列集成模块exb841来驱动ipm模块中的igbt。集成模块驱动电路与分立元件的驱动电路相比,有体积小、效率高、可靠性高的优点。exb841适用于开关频率为 40khz以下的开关操作,可以用来驱动 400a,600v或 300a,1200v以下的功率igbt。exb84116驱动igbt的电路如图4-6。图4-5 pwm波的产生电路图4-6 exb841驱动igbt电路4.4 小结本章首先画出了系统结构框图，根据系统框图画出了主电路图，主电路运用了三相不可控整流电路，然后采用了sg3525芯片和exb841芯片主要对控制电路和驱动电路进行了设计。第五章 逆变器设计5.1 逆变器的系统构成图5-1 逆变电路结构框图逆变电路系统结构如图5-1所示，pwm发生器在单片机的控制下，通过驱动电路对输出脉冲进行调制就可改变输出电压和频率，再经输出变压器隔离后供给负载。 主电路中根据磁路集成原理，将变压器和滤波电感集成为一个磁性元件，再在变压器的次级并以适当的电容，组成滤波网络以获得正弦波形输出。整个系统分为四大部分：全桥逆变电路、驱动电路以及以单片机为核心的控制电路和保护电路。另外在输入和输出端还有输入滤波和输出滤波电路16。 5.2 主电路设计逆变器是整个系统的核心， 本方案采用电压型全桥电路17，如图5-2所示：图5-2 主电路 功率开关器件是逆变器的核心之一，逆变器的发展和应用依赖于功率电子器件的发展功率电子器件的大功率化、高的可靠性和控制性能是逆变电源得以应用的重要条件现阶段常用的功率开关器件有功率晶体管、功率场效应管和igbt。igbt是一种复合型半导体器件，具备功率晶体管和功率场效应管两者的优点它的特点是速度快、输人阻抗高、容易控制、通态电压低、耐压性好和电流容量大。5.3 控制电路设计 （1）控制电路主要实现以下功能18： a控制逆变器的spwm驱动信号。 b过流、过压、过热、短路保护 本电路采用集成电路芯片tlp250与单片机at89c51 相结合的方式生成三相可控的spwm 波形。 （2）控制系统组成图5-3 逆变控制框图5.3.1 单片机at89c5119是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其主要特性如下：（1）8031 cpu与mcs-51兼容（2）4k字节可编程flash存储器(寿命：1000写/擦循环)（3）全静态工作：0hz24khz（4）三级程序存储器保密锁定（5）1288位内部ram（6）32条可编程i/o线（7）两个16位定时器/计数器（8）6个中断源（9）可编程串行通道（10）低功耗的闲置和掉电模式（11）片内振荡器和时钟电路其引脚图如下图：图5-4 at89c51引脚图5.3.2 检测电路（1）直流电压检测直流电压检测电路在第四章的4.3.2中已概述。（2）交流电压检测20图5-5 简单电流检测电路这种简单电路的工作过程是, 在交流电压的每一周期中, 可分为电容充电和放电两个过程。在交流电压的作用下, 在正半周的峰值附近一段时间内, 通过二极管对电容c充电，而在其它时段电容c上的电压将对电阻r放电。当然，当外界交流电压刚接上时，需要经历多个周期, 多次充电, 才能使输出电压接近峰值。但是, 困难在于二极管是非线性元(器)件, 它的特性曲线如实图5-6所示。当交流电压较小时，检测得的直流电压往往偏离其峰值较多。图5-6二极管特性曲线这里的泄放电阻r,是指与c并联的电阻、下一级的输入电阻、二极管的反向漏电阻、以及电容及电路板的漏电等效电阻。不难想到, 放电是不能完全避免的。同时, 适当的放电也是必要的。特别是当输入电压变小时, 通过放电才能使输出电压再次对应于输入电压的峰值。实际上, 检测器的输出电压大小与峰值电压的差别与泄放电流有关。仅当泄放电流可不计时, 输出电压才可认为是输入电压的峰值。用于检测仪器中的峰值检测器要求有较高的精度。检测仪器通常r 值很大，且允许当输入交流电压取去后可有较长的时间检波输出才恢复到零。可以用较小的电容，从而使峰值电压建立的时间较短。（3）频率给定要调节电路的输出频率，必须首先向电路提供改变频率的信号，这个信号，称为频率给定信号，也有称为频率指令信号或频率参考信号的。从外接输入端子输入频率给定信号，来调节电路输出频率的大小，称为外部给定。在本系统中给定的频率为50hz。（4）电压给定以电压大小作为给定信号，本系统中给单片机给定的电压为220v。5.3.3 驱动电路图5-7 tlp250驱动电路igbt一般用集成电路芯片来驱动，常用电路有富士公司的exb840、841、850、851系列；三菱公司的m5796系列，以上各电路在很多书籍中都有介绍，不再赘述。这里介绍一种东芝公司的产品tlp250，电路相对简单。tlp250采用8脚的dip封装，引脚如图5-7。输入端光耦的隔离电压达到3000v，输入电流为5 10ma，可以驱动100a/600v的igbt。它采用单电源供电，使用时须外接一个电阻和一个10v的稳压管，把25v的