毕业论文(设计)-小型风力供电系统设计

SKIPIF1<0本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书（中文题目中文题目:小型风力供电系统的设计学生姓名：学院：电力学院系别：自动化专业：自动化班级：自动化07-2指导教师：

摘要风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视，风力发电也逐渐成为了时下的朝阳产业。本论文详细阐明了小型独立风力供电系统的设计方案，对风力发电机进行了简单的介绍和对蓄电池的充、放电做了深入的研究。本文的题目是小型风力供电系统的设计，要求是可以在连续两天无风的情况下持续提供10w的12v的直流电，并有缺电报警和输出保护功能。本文提出的解决方案为，风力发电机发出的电，通过DC—DC变换为需要的标准直流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组，通过控制电路的监控实现系统的控制，保证系统在风能充足时可蓄能，在两天无风时可以连续为负载供电。系统的运行状况主要采用单片机控制。本论文的重点在于控制电路的设计，并对各种不同风力情况下系统的运行状况进行了全面而严谨的分析。关键词：发电机、DC-DC变换、蓄电池、单片机AbstractAsacleanandrenewableenergy,Windpowerhasarousedmoreandmoreattentionandgraduallybecomeasunriseindustrynowadays。Thispaperspellsoutthesmallindependentwindpowersystemdesign,windgeneratorsonasimplepresentationandthebatterychargeanddischargedepthstudydone。Thistopicissmall-scalewindpowersystemdesign,requirementsfortwoconsecutivedaysinthecaseofnowindcontinuestoprovidethe12v10wDC,andlackofelectricityandoutputprotectionalarms，Theproposedsolution,giventhepowerofwindgenerator,throughtheDC-DCconversionfortherequiredstandardDC，Andtakingintoaccounttheinstabilityofthewindaddingbatteriesinthesystem,controlcircuitmonitoringandcontrolbythecontrolsystemtoensurethesystemcanbesufficientinwindenergystorage,inthedayswhennowindisacontinuousload.。HealthofthesystemmainlyusesthemicrocontrollerThispaperfocusesonthedesignofthecontrolcircuit,andavarietyofwindconditionsintheoperationalstatusofthesystemconductedacomprehensiveandrigorousanalysis。Keywords:generator,DC-DCconversion,battery,MCU目录第一章绪论 第一章绪论风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。1.1课题的目的和意义1.1.1风力发电的优点风是人类最熟悉的一种自然现象，风无处不在。太阳辐射造成地球表面大气层受热不均，引起大气压力分布不均。在不均压力作用下，空气沿水平方向运动就形成风。风能是一种最具活力的可再生能源，它实质上是太阳能的转化形式，因此是取之不尽的风能中的风向和风速在时空分布上较为复杂，如有海陆差异对气流运动的影响而形成的季风和海陆风，在山区由于热力原因引起的谷风和山风，风力的随机性和风速的变化多端使得它的利用效率较低，在风能的实际利用上仍存在很多技术困难。尽管如此，风能资源具有如下优越性：（1）边远地区由于远离电网，同时这些地区的居民用电和所设置的微波中继站、气象台、电视调频差转台以及边防哨所需要的电功率大都在10千瓦以下，在这种条件下，由输电线将电力输送到边远地区耗资巨大显然是不利的。从世界风能分布图上可以看出全世界约有三分之二的地区具有风能利用价值，若合理地利用太阳能、风能，建设独立的小功率发电装置，具有明显的优越性。（2）风力发电的经济性日益提高，不存在建厂房、筑坝、淹地、移民等问题，风力发电机分散安装，占地面积少。发电后除折旧费和维护费外，不消耗燃料，无三废处理问题，其成本接近火电，低于油电、核电和光伏发电，从综合经济效益看，具有较强的竞争力。（3）人类在利用矿物燃料的过程中，必然释放出大量有害物质，使人类赖以生存的环境受到破坏和污染。此外，其他新能源中的水电、核能、地热能等，在开发利用的过程中，也都存在着一些不能忽视的环境问题。但风能在利用中不会给空气带来污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。（4）风力发电在新能源发电中技术最为成熟。是一种安全、可靠的能源。综上所述，风力发电对于改善能源结构、推动生态环境建设，特别是对边远地区的生产、生活用电等诸多领域的发展将发挥积极作用，具有广阔的市场前景。1.1.2课题的目的和意义 风能利用的能量密度低且具有随机性、不稳定性和分布的不均匀性，这些给风能的利用带来了许多问题。本文研究的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基础上，设计一套独立运行的小型风力发电供电系统为野外无电地区独立的小型设备提供电力。1.2风力发电概述1.2.1国外风力发展国际能源研究报告表明,如果各国采取有力措施,风力发电到2010年可提供世界电力需求的10%,创造170万个就业机会,并在全球范围内减少100多亿吨二氧化碳废气。风能将成为发展最快的能源,到2010年风电总装机容量达到40.00GW,2020年达到0.1TW,到2010年德国新增500万千瓦,西班牙新增520万千瓦,年生产能力将达到800万千瓦,可满足全国电力需求的10%。美国和加拿大是北美利用风能最好的国家。在美国的50个州中,大约有30个州已经开始利用风能资源。在1998-2004年期间,美国风力发电的总装机容量已经超过6740MW,可以满足160万个中等家庭的日常用电需求。随着技术的进步和规模的扩大,风电发电成本继续下降,估计10年后它完全可以和清洁的燃煤电厂竞争。由于风力发电是可再生洁净能源,其环境效益也十分明显,随着风力发电技术的日益成熟,发电成本的进一步降低,风力发电会越来越被更多的人认识和接受。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因。风力发电的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益,如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯达黎加等国是发展中国家风力发电的佼佼者。中国、印度也在积极发展风电。1.2.2国内风力发电的基本情况我国幅员辽阔,陆疆总长2万多千米,海岸线1.8万多千米,是一个风力资源丰富的国家,全国约有2/3的地带为多风带。风能总储量为32.26亿千瓦,实际可开发的风能储量为2.53亿千瓦,为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件。两大风能地带——西北、华北、东北和东南沿海为风能资源丰富区,跨全国21个省、市、自治区。到1999年底已开发微小户用型风力发电机16万台,并网型风电场24座,总装机容量26万千瓦,其中绝大多数机组是从丹麦、德国、美国、比利时、瑞典引进的,最大单机容量为600kW。据相关资料报道,到2020年,预计我国将新增发电能力500GW,其中121GW为可再生能源。2010年以前,我国计划新建20座风力发电场,每座风场的发电能力达到100MW以上,且达到4000MW的风力发电总目标,并要求风力发电设备本土化。1.2.3风力发电的特点风力发电有如下特点（1）可再生，且清洁无污染。（2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。（3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。本论文讨论的是前者，即独立运行风电系统的解决方案。1.3本文的主要研究内容本文以小型风力发电系统为研究对象，对风力发电原理、系统结构以及小型风力发电系统中的储能装置蓄电池的充放电控制等方面做了较为深入的理论分析和研究，对实现运行及可靠运行具有一定的参考价值。本文的主要研究内容和章节安排如下。第一章介绍课题提出的背景、目的和意义，论述国内外风力发电发展概况，概括总结风力发电相关技术的发展概况，第二章介绍了小型风力发电原理及系统的基本组成，并详细介绍各个部分的组成以及原理。第三章讲述了小型风力供电系统电路的设计及各部分器件的选择，以及部分计算。第四章本章简述了小型风力供电系统软件的实现，及部分编程，第二章小型风力发电系统的基本组成风力发电系统的组成本文的独立运行小型风力发电机系统，如图2-1所示，它主要包括风力发电机、整流器、DC-DC变换器、蓄电池以及控制系统几个部分。风风力发电机整流DC-DC变换器蓄电池控制器图2-1小型风力发电系统的框图2.1风力发电机组一般把发电功率在10千瓦及其以下的风力发电机称作小型风力发电机。2.1.1小型风力发电机的分类1.按照风力发电机的风轮轴位置分类按照风力发电机风轮轴的位置分，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。\o"查看图片"

图2-2水平轴风力发电机（1）水平轴风力发电机：水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转，风轮轴与风向平行，风轮上的叶片式径向安装的，与旋转轴垂直，并与风轮的旋转平面成一角度（称为安装角）。风轮叶片数目为1~4片（大多为2片和3片），他在高速运行时有较高的风能利用率，但启动时需要较高的风速。（2）垂直轴风力发电机：垂直轴风力发电机的风轮围绕一个垂直轴旋转\o"查看图片"

图2-3垂直轴风力发电机风轮轴与风向垂直。其优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。2.按照风力发电机的功率分按风力发电机的功率可分为大、中、小型风力发电机。功率在10千瓦以下的称为小型风力发电机，功率在10千瓦至100千瓦的称为中型风力发电机，功率在100千瓦以上的称为大型风力发电机。3.风力发电机又分直流发电机和交流发电机两种。1）直流发电机机①电励磁式直流发电机。主要有他励、自励和复励几种形式，小型直流发电系统大都用于1KW以下的微、小型风力发电装置，与蓄电池储能配合使用。这种直流发电系统在风速变化时，一般通过调节励磁来保持输出电压的恒定。②永磁式直流发电机。这种发电机主要是励磁不可调节，结构较电励磁式直流发电机简单。系统采用输出电压随风速变化的系统，在发电机和负载间设置储能设备(如蓄电池)和整流、逆变设备来变换，以满足用户对输出电压的要求。2）交流发电机交流发电机主要有两种，一种是同步发电机，一种是异步发电机。前者运行于电机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步速成的转速运行。主要有感应发电机发电模式、硅整流自励交流发电机发电模式、无刷爪极自励发电机发电模式、永磁发电机发电模式。2.1.2小型风力发电机的结构小型风力发电机组的组成：小型风力发电机组一般由下列几部分组成：风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架及拉索等，①风轮：小型风力机的风轮大多用2－3个叶片组成，它是把风能转化为机械能的部件。目前风轮叶片的材质主要有两种。一种是玻璃钢材料，一般用玻璃丝布和调配好的环氧树脂在模型内手工糊制，在内腔填加一些填充材料，手工糊制适用于不同形状和变截面的叶片但手工制作费工费时，产品质量不易控制。国外小风机也采用机械化生产等截面叶片，大大提高了叶片生产的效率和产品质量。②发电机：小型风力发电机一般采用的是永磁式交流发电机，由风轮驱动发电机产生的交流电经过整流后变成可以储存在蓄电池中的直流电。③调向机构、调速机构和停车机构：为了从风中获取能量，风轮旋转面应垂直于风向，在小型风机中，这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。同时随着风速的增加，要对风轮的转速有所限制，这是因为一方面过快的转速会对风轮和风力机的其他部件造成损坏，另一方面也需要把发电机的功率输出限定在一定范围内。由于小型风力机的结构比较简单，目前一般采用叶轮侧偏式调速方式，这种调速机构在风速风向变化转大时容易造成风轮和尾翼的摆动，从而引起风力机的振动。因此，在风速较大时，特别是蓄电池已经充满的情况，应人工控制风力机停机。在有的小型风力机中设计有手动刹车机构，另外在实践可采用侧偏停机方式，即在尾翼上固定一软绳，当需要停机时，拉动尾翼，使风轮侧向于风向，从而达到停车的目的。小型风力发电系统的装机容量较小，一般都是选择小型风力发电机作为发电机组。按照空气动力学原理分类的话，最常见的是托举型水平轴风力发电机。目前小型风力发电机主要是低速永磁发电机，这主要是因为小型风力发电机的风轮是直接祸合在发电机轴上，省去了升速机构，故不用增速齿轮箱增速，这就要求发电机只有几百转每分，所以采用低速发电机。由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须有迎风的偏航装置。个别小型风力发电机还具备抗大风自动折尾装置。本文所使用的小型交流永磁风力发电机是永磁同步发电机的一种,其运行原理与电励磁同步发电机相同。由于用永久磁钢取代励磁线圈励磁，永磁同步发电机结构简单，加工及装配比较容易。一般小型永磁风力发电机的励磁磁钢安置在转子上。由于这类发电机省掉了一般同步发电机的电刷、滑环和励磁绕组,从而节约了成本。特别是小型风力发电机组的发电机直接与风轮耦合,安置于机组顶端的空中无需经常对电刷和滑环维护,提高了机组运行的可靠性。2.2整流器整流电路按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种按电路结构可分为桥式电路和零式电路按交流输入相数分为单相电路和多相电路整流器的主要功能是对风力发电机输出的三相交流电进行整流，整流后的直流电经过控制器再对蓄电池进行充电。根据风力发电系统的容量不同，整流器分为可控与不可控两种，可控整流器主要应用在功率较大的系统中，可以减小电感过大带来的体积大、损耗大等缺点；不可控整流器主要应用于小功率系统中。目前在我国小型型风力发电系统中大量使用的是桥式不可控整流方式，如图2-13所示。因为它由二极管组成，具有功耗低、电路简单等特点。图2-4三相不可控整流三相整流器除了把输入的三相交流电能整流为可对蓄电池充电的直流电能之外，另外一个重要的功能是在外界风速过小或者基本没风的时候，风力发电机的输出功率也较小，由于三相整流桥的二极管导通方向只能是由风力发电机的输出端到蓄电池，所以防止了蓄电池对风力发电机的反向供电。2.3DC-DC变换器DC-DC功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。DC/DC变换器将直流电源能量传送到负载并加以控制，得到另一个直流输出电压或电流。通过对开关管的导通或关断时间长短控制，即控制从电源端到负载端传送的能量。DC/DC变换器主要包括Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk变换器4种。以Buck变换器为例，如图2-5，通过在功率开关管的控制端施加周期一定，占空比可调的驱动信号，使其工作在开关状态。当开关管Q导通时，二极管D截止，发电机输出电压整流后通过能量传递电感向负载供电，同时使电感能量增加；当开关管截止时，电感释放能量使续流二极管D导通，在此阶段，电感L把前一段的能量向负载释放，使输出电压极性不变且比较平直。滤波电容C使输出电压的纹波进一步减小。显然，功率管在一个周期内导通时间越长，传递的能量越多，输出电压越高。图2-5Buck变换电路DC/DC变换器的输入阻抗的大小可以通过控制开关电源的占空比来改变。这种控制性能正好被用在小型风力发电系统中，通过控制发电机的输出电流，改变风力发电机的负载特性，即调节了发电机的转矩-转速特性，从而控制风力机转速用来改变叶尖速比，这样就控制了风能转换效率和风力发电机的输出功率。2.4蓄电池2.4.1蓄电池的工作原理在小型风力发电系统中，蓄电池起着储存和调节电能的作用。其它器件或技术也有被利用来进行能量存储的，比如微型水泵、压缩空气或飞轮等，但是在小规模风力发电应用中，这些储能方式都不是很经济。近年来，随着燃料电池和电解槽技术的发展，氢气作为一种能量存储介质进入人们的视野，这是一种比较有前途的技术方向。但是要大范围的应用，还有很多技术难题待解决。在本系统中，当风力很大致使产生的电能过剩时，蓄电池将多余的电能储存起来;反之，当系统发电量不足或负载用电量大的时候，蓄电池向负载补充电能，并保持供电电压的稳定。铅酸蓄电池由于具有容量大，成本低，循环寿命长等优点，一直是小型电力系统的首选储能设备。蓄电池正负极板上的活性物质分别是二氧化铅（SKIPIF1<0）和海绵状铅（SKIPIF1<0），它们与电解液中的硫酸接触，负极板上铅不断解离为正二价的铅离子（SKIPIF1<0）和电子，铅离子融入电解液中，电子留在负极板上。随着化学反应不断的进行，负极板上的负电荷逐渐增加，对电解液中的铅离子的吸引力也不断的加大，使得部分的铅离子获得电子沉积到负极板的表面。当离开和沉积到负极板表面的铅离子相等，即氧化和还原的速度趋于平衡时，负极板与电解液间形成稳定的电位差(大约-0.358V)。正极板上的二氧化铅（SKIPIF1<0）在电解液的作用下解离为铅离子（SKIPIF1<0），既（SKIPIF1<0）从极板获得电子还原为（SKIPIF1<0）进入电解液，同时电解液中的部分SKIPIF1<0失去电子氧化为SKIPIF1<0SKIPIF1<0，当氧化和还原的速度平衡时，正极板与电解液之间形成+l.685V的电位差。正、负极板与电解液之间的都存在着电位差，从整体看正极与负极的电位差有2.04V也就是蓄电池的单体电压。蓄电池与负载相接时，是它的放电过程，其化学反应方程式为:SKIPIF1<0+SKIPIF1<0+SKIPIF1<02SKIPIF1<0+SKIPIF1<0（2-1）放电过程中，负极板上的海绵状铅(SKIPIF1<0)，正极板上二氧化铅（SKIPIF1<0)与电解液中的硫酸(SKIPIF1<0)反应，生成硫酸铅(SKIPIF1<0)。电解液中消耗了硫酸(SKIPIF1<0)分子，增加了水(SKIPIF1<0)分子，电解液中的硫酸浓度降低，蓄电池内阻逐渐增大，电动势逐渐降低。蓄电池的充电过程是放电过程的逆过程，是在外电源作用下的电化学反应，其化学反应方程式为:SKIPIF1<0+SKIPIF1<0+SKIPIF1<0SKIPIF1<0+SKIPIF1<0+SKIPIF1<0（2-2）充电过程中，在外电源的作用下，正极板上的硫酸铅（SKIPIF1<0）逐渐恢复成二氧化铅（SKIPIF1<0);负极板上的硫酸铅（SKIPIF1<0)逐渐恢复成海绵状铅（SKIPIF1<0），电解液中的硫酸浓度增大，蓄电池内阻逐渐减小，电动势逐渐增大。传统的开口式铅酸蓄电池，由于水的蒸发以及电解液的分解，需要经常对电解液的浓度进行检测，以确定是否对其添加蒸馏水。另外，在电池充电过程中，由于化学反应剧烈，会产生大量有害气体形成酸雾，污染室内空气，对工作人员会产生职业危害。而采用阀控式铅酸蓄电池就会避免这些缺点。阀控式铅酸蓄电池是相对于传统的开口式的铅酸蓄电池来讲的。它是一种密封的电池，内外气压的平衡通过阀门来控制。它具有一系列优点。首先是安全，电池的阀门密封可阻止空气中的氧气流入。当电池过充时，内部压力过大，这时候阀门会自动打开，排出气体，防止电池内部气压过大而产生膨胀或爆炸。其次是使用方便，传统的开口电池不能倾斜安装使用，而阀控式铅酸蓄电池就不存在这个问题，它既可立放也可横放，但是不能倒置。第三是少维护，由于阀控式铅酸蓄电池密封性能好，水分不易蒸发，这样在进行电化学反应的时候将放电时产生的水蒸汽完全吸收，所以不需要进行补水作业，但是阀控式铅酸蓄电池并不是完全不需要维护，尤其是对电池的充放电维护是必不可少的。由于阀控式铅酸蓄电池具有显著的优点，所以在小型电力系统中，它渐渐成为主流的储能器件。2.4.2影响铅酸蓄电池寿命的因素l)环境温度铅酸蓄电池的的电能是通过化学反应产生的，不同温度下的化学反应速率是不一样的。温度高时，蓄电池内部电解液与极板的化学反应加速，电解液浓度下降，减小了电池内阻，增加了电池的容量，充放电过程中容易出现过充和过放现象。温度低时，电解液和极板间的反应速度变慢，电解液的浓度升高，加大了电池的内阻，减少了电池的容量，缩短了蓄电池的寿命。生产厂家一般要求蓄电池的运行环境温度为15一25℃，当环境温度超过25℃后，每升高82)过度放电蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿命的另一重要因素。蓄电池为负载供电期间，若控制器突发故障或者过放控制点设置过低时，均会可能导致过放现象的发生。过放现象会减少蓄电池的容量，并且难以恢复，严重时将会导致电池失效。蓄电池被过度放电到输出电压为OV时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸附到电池的阴极表面，形成电池阴极的“硫酸盐化”。由于硫酸铅本身是一种绝缘体，将会阻碍蓄电池内部化学反应的，阴极板上的硫酸铅越多，电池的内阻越大，电池的充放电性能就越差，电池的寿命就越短。3)过度充电蓄电池的充电电压也是影响其寿命的重要因素。在开路状态下，铅合金和二氧化铅在硫酸溶液中，各自与电解液建立不同的平衡电极电位。蓄电池的充电电压过高时，将会出现过充现象，此时正极栅板由于析氧反应，水不断的被消耗，SKIPIF1<0增加，从而导致正极附近的酸度增高，栅板与电解液反应加速，析出的气体由于一部分排出，不可能全部还原为水，蓄电池内部的电解液浓度增加，这样也会促使栅板的腐蚀加速，活性物质减少，导致蓄电池的容量和寿命减少。当失水5.5%时，容量降低75%，失水达到25%时，容量基本消失。4)长期浮充电蓄电池长期工作在浮冲状态下，只充电不放电，这种工作状态会造成蓄电池阳极的钝化，使电池的内阻急剧增大，实际容量远远低于其标准容量，从而导致电池所能提供的后备时间大大缩短，减少了其使用寿命。2.4.3阀控式铅酸蓄电池的使用原则使用阀控式铅酸蓄电池的时候要遵循一些原则，有些原则是铅酸蓄电池都要遵守的基本原则，有些则是阀控式铅酸蓄电池所特有的。这样可以提高蓄电池的使用寿命。1)尽量使阀控式铅酸蓄电池工作在15℃一352)单体阀控式铅酸蓄电池的应浮充电压设计为2.3v/节，48v系统的浮充电压应设置为55.2V。这些都是在25℃标准情况下得到的值。当温度以253)电池隔板寿命在环境温度为30℃--404)电池的周期寿命取决于放电率、放电深度和充电方式，其中最重要的因素是放电深度。放电深度越浅，电池生命周期越长。所以，要尽量避免阀控式蓄电池深度放电。5)禁止不同容量和不同厂家的电池混用，否则会严重降低电池使用寿命。新旧电池也不要混用，否则会降低新电池的寿命。2.4.4铅酸蓄电池的充电方法铅酸蓄电池的充电方法一般有恒流充电法、恒压充电法和分段充电法等。恒流充电法在充电过程中保持充电电流始终不变，充电电压自动逐渐升高，该方法的缺点是充电后期水分解多，易使活性物质脱落，故较少采用。恒压充电法在充电过程中充电电压始终不变，充电电流自动逐渐减少。这种方法有初期电流过大，极板深处的硫酸铅不易还原的缺陷，故仅在小功率的简单系统中大量使用。本文中是采用恒压后的浮充的充电方法，2.5控制器2.5.1控制器的作用小型风力发电供电系统中，通常用蓄电池起储存和调节电能的作用，而蓄电池的正常运行离不开控制器，控制器根据风力的大小以及负荷的变化，不断的对蓄电池的工作状态进行切换和调节，使其在充电、放电或浮充等多种工作情况下运行，从而保证风力发电系统的连续性和稳定性，当风力很大致使产生的电能过剩时，蓄电池将多余的电能储存起来；反之，当发电系统发电量不足时，蓄电池向负载补充电能，并保持供电电压的稳定，同时保护蓄电池不受过度充放的损害，控制器通过检测蓄电池两端的电压状态，可以发出蓄电池继续放电、减少放电或停止充电的指令。2.5.2控制器的类型应用于风力发电系统的控制其主要由旁路控制器、多阶控制器和脉冲控制器。（1）旁路控制器旁路控制器的原理是控制器检测电路监控蓄电池端电压，当达到标志着电池充满的电压阀值时，开关元件接通负载将蓄电池旁路，过充电流将开关元件转移到耗能负载，将多于的功率变为热能；当蓄电池端电压下降到恢复充电的电压时，开关元件断开耗能负载，同时接通蓄电池的充电回路。（2）多阶控制器多阶控制器的原理是：其核心部件是一个受充电电压控制的“多阶充电信号发生器”。多阶充电信号发生器根据充电电压的不同，产生多阶充电信号，控制开关元件按顺序接通，实现对蓄电池组充电电压和电流的调节。此外，还可以将开关元件换成大功率的半导体器件按，通过线性控制实现对蓄电池充电的平滑调节。（3）脉冲控制器脉冲控制器的控制原理是：其核心器件是一个受充电电压调治的“充电脉冲发生器”，脉冲控制器以“斩波”方式工作，对蓄电池进行脉冲充电。开始时脉冲控制器以宽脉冲充电，随着充电电压的上升，充电脉冲宽度逐渐变窄，平均充电电流减小，当充电电压达到预定电压时，充电脉冲宽度变为零。充电终止。2.5.3控制器的其他功能控制器除了对蓄电池进行充放电控制之外，还控制输出保护功能。本文使用的控制器主要的器件是单片机，通过对单片机的编程对蓄电池的充放电进行控制。第三章供电系统电路的硬件设计及软件实现独立小型风力发电机尽管装机容量较小，技术不太复杂，但为了安全可靠的运行，必须做好风力发电机、蓄电池以及相关芯片的选型。3.1发电机、蓄电池的选择风力发电机的选择条件风力发电机以风作为动力，就要要求风力发电机安装地点风力资源必须满足一定的条件，根据经验，风力发电机一般要求当地年平均风速在3m/s以上，全年3-SKIPIF1<0有效风累计时数在3000h左右，全年3-SKIPIF1<0有效风能密度要达到SKIPIF1<0。1额定风速一般把风力发电机产生额定输出功率时的最低风速称为额定风速，对风能的利用水平而言，具有相同结构形式及功率发两台风力发电机组，额定风速较低的性能更好些。我国小型风力发电机组的额定风速有SKIPIF1<0、SKIPIF1<0和SKIPIF1<0三种，选择风力发电机时。要根据当地的气象，合理确定风力发电机发额定风速，这样才能充分的利用当地的风力能源，最大限度的发挥风力机发效率。2工作风速范围由于风力的大小是时刻变化的，风力发电机不可能全部利用，只能利用一个范围的风速，利用风速的下限称为切入风速，即风能装置能驱动发电机发最低风速，利用风速的上限称为切出风速，这个风速下风能装置输出功率就是风力发电机的最大功率，一般切出风速越高，可利用的风速范围就越大，选择合适的切入风速、切出风速是风力发电机的基本参数。蓄电池的选择风力发电机所发出的实际功率是受风速影响的，不是一个常量，所以，风力发电机和蓄电池的容量选择都是可用电量来确定的。负载用电量的计算负载用电量可用公式SKIPIF1<0（3-1）式中：SKIPIF1<0为负荷的用电量，SKIPIF1<0；SKIPIF1<0为计算负荷，w；SKIPIF1<0为负荷的平均利用小时数，h；2、蓄电池容量的计算蓄电池的容量可根据公式SKIPIF1<0=（3-2）式中：SKIPIF1<0为负荷日消耗量，SKIPIF1<0；SKIPIF1<0为蓄电池组端电压，v;SKIPIF1<0为蓄电池放电深度，％；三风力发电机功率的选择风力发电机实际的输出功率公式为（3-3）式中：SKIPIF1<0为机组的额定输出功率，w；SKIPIF1<0为实际风速，SKIPIF1<0；SKIPIF1<0为额定风速，SKIPIF1<0；3.2设计实例1.设计目标本文设计的供电系统的要求是：可以在连续两天无风的情况下持续提供10w12v的电流为野外无电地区独立运行的小型设备提供电力。2.负载用电量计算SKIPIF1<0=10×24×2=480SKIPIF1<03.蓄电池容量的计算==50SKIPIF1<0这里选择了容量为65SKIPIF1<0电压为12v的铅酸蓄电池，其具体的参数如表：表3-1标准电压12v标准容量65ah（20HR）外壳材料ABS塑料内阻（25℃10SKIPIF1<0自放电（20℃每周＜0.8%浮充寿命6-9年使用温度范围-20℃—+电池外形尺寸（长*宽*高）330*171*172SKIPIF1<0充电方法循环使用浮充使用充电电压14.6-15SKIPIF1<013.6—13.8SKIPIF1<0最大电流19.5SKIPIF1<019.5SKIPIF1<0充电时间12SKIPIF1<0（60%DOD）24SKIPIF1<0（100%DOD）＞48SKIPIF1<04.风力发电机容量的选择按满发时数每天6小时计算，风力发电机的额定功率选150w就可以满足条件即：150×6=900SKIPIF1<0大于负载用电量；本文选用的小型风力发电机是表3-2品牌奥风型号fd-2.2200W额定功率200（W）输出电压24（V）额定风速8（m/s）叶片数目3片风轮直径2.2（m）启动风速2.5米/秒安全风速40米/秒3.3DC-DC变换芯片及单片机的选择3.3.1DC-DC芯片的选择DC-DC变换芯片是介于风力发电机与蓄电池之间的中间的重要的器件，由于风速不稳定，风力发电机输出的电压也随着变化，这样对蓄电池充电会对蓄电池的受用寿命有很大的影响，所以，这里采用一个DC-DC变换芯片对蓄电池进行充电。对DC-DC芯片的选择有以下要求：输出电压可调；输出功率与发电机的功率相匹配；输入电压与发电机的输出电压相匹配；根据以上要求本文选择了:产品品牌：尖诺产品型号：JDM150-48S15输入特性：电压范围

24VDC(额定值)

18-36

VDC

输出特性：电压精度：±1电流限制点：120%（typ）

输出电压调整范围：±10%

响应速度

400us

电压调整率(主路)：±0.2%

输出电流

2-15A任选

负载调整率（主路）：±0.4%

输出电压：1.8-48V

输出功率：100-300w

3.3.2单片机的选择本文选用了C8051F系列的单片机，其系列单片机的特点为：片内资源·8-12位多通道ADC。·1-2路12位DAC。·1-2路电压比较器。·内部或外部电压基准。·内置温度传感器。·16位可编程定时/计数器列阵可用于PWM等。·3-5个通用16位定时器。·8-64个通用I/O口·8-64KFlash存储器。·片内时钟源，内置电源检测、看门狗定时器。主要特点·工作电压为2.7-3.6v，典型值为3v。I/O、RST、JTAG引脚均匀许5v电压输入。·高速的（20MIPS-25MIPS）与8051全兼容的CIP-51内核。本文选用了C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚（C8051F020）。下面列出了一些主要特性；1.高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）2.全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）3.真正12位（C8051F020）、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关4.真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关5.两个12位DAC，具有可编程数据更新方式6.64K字节可在系统编程的FLASH存储器7.4352（4096+256）字节的片内RAM8.可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口9.硬件实现的SPI、SMBus/I2C10.5个通用的16位定时器11.具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列12.片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。每个MCU都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-3.6V的电压工作。端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F020为100脚图3-1C8051F与8051完全兼容C8051F020系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8/4个字节宽的I/O端口。CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51共有111条指令。下表列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。表3-3CIP-51工作在最大系统时钟频率25MHz时，它的峰值性能达到25MIPS。C8051F020系列MCU对CIP-51内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。MCU可有多达7个复位源：一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚/RST引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚。除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止；使用MONEN引脚使能/禁止VDD监视器。在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以被永久性使能。MCU内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速（可达16MHz）的内部振荡器。CIP-51有标准的8051程序和数据地址配置。它包括256字节的数据RAM，其中高128字节为双映射。用间接寻址访问通用RAM的高128字节，用直接寻址访问128字节的SFR地址空间。数据RAM的低128字节可用直接或间接寻址方式访问。前32个字节为4个通用寄存器区，接下来的16字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。C8051F020中的CIP-51还另有位于外部数据存储器地址空间的4K字节的RAM块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口（EMIF）。这个片内的4K字节RAM块可以在整个64K外部数据存储器地址空间中被寻址（以4K为边界重叠）。外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合（4K以下的地址指向片内，4K以上的地址指向EMIF）。EMIF可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。MCU的程序存储器包含64K字节的FLASH。该存储器以512字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的外部编程电压。从0xFE00到0xFFFF的512字节被保留，由工厂使用。还有一个位于地址0x10000-0x1007F的128字节的扇区，该扇区可作为一个小的软件常数表使用。C8051F020系列具有片内JTAG边界扫描和调试电路，通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。该JTAG接口完全符合IEEE1149.1规范，为生产和测试提供完全的边界扫描功能。3.4控制器电路图的设计3.4.1.工作原理系统由两个DC-DC变换芯片、两个电压采集电路、单片机、放电电路和输出保护电路组成，原理图如图3-2所示，其工作原理如下：充电时单片机通过内部的A/D转换器实时采集充电时风力发电机输出的电压和蓄电池两端的电压，从而调节DC-DC芯片的输出电压给蓄电池分阶段的充电；放电时单片机通过内部的A/D转换器实时采集放电时蓄电池两端的电压从而实时的发出适合的指令进行放电。3.4.2系统电路图组成1.充电电路充电主电路其实是一个升降压斩波电路图3-3充电主电路2.电压检测电路①、风速是不可控的，所以输出的电压也是随着变化的，给蓄电池充电电压在一定范围的，所以需要对发电机发出的电压进行检测传给单片机来控制，因为发电机发出的电压超出了单片机所能承受的电压，这里采用了分压电路如图3-4所示，SKIPIF1<0和SKIPIF1<0是分压电阻，SKIPIF1<0和SKIPIF1<0为二极管这里起到保护作用，为了使进入单片机的电压更加稳定这里加入了电容SKIPIF1<0，起到滤波作用。图3-4电压检测1这里风力发电机发出的额定电压为24SKIPIF1<0，而单片机内部的模拟比较电压为2.4SKIPIF1<0,所以，SKIPIF1<0选择了19SKIPIF1<0，SKIPIF1<0选择了1SKIPIF1<0。②、为了监控蓄电池两端的电压，因蓄电池两端的电压在12SKIPIF1<0左右不可能直接送往单片机的电压比较器，所以在这里又使用了分压电路，分压后的电压在适当的范围内可以直接送到单片机进行比较，这样来控制蓄电池的充放电。图3-5电压检测2同样，图中SKIPIF1<0和SKIPIF1<0为分压电阻，SKIPIF1<0和SKIPIF1<0起到保护单片机的作用，SKIPIF1<0为滤波电容，其中SKIPIF1<0选择为49SKIPIF1<0，SKIPIF1<0为1SKIPIF1<0。3、放电控制电路对蓄电池充电是一个复杂的过程，首先检测风力发电机发出的电压是否超出了额定电压，，如果超出了，则需要一个放电电路来消耗多余的电能，否则，会对蓄电池造成很大的损害。放电电路由一个MOSFET管、一个放电电阻及部分其它电阻组成，其电路图如图3-6所示，图3-6放电电路图中SKIPIF1<0为放电电阻，根据计算SKIPIF1<0选择3SKIPIF1<0的水泥进行放电。4、输出保护电路输出保护电路是防止负载电路短路或电流过大等情况发生，在这里采用了MAX471芯片来采集负载输出电路中的电流的大小送给单片机，通过单片机的判断来保护输出电路。其电路图如图3-7，图3-7输出保护电路3.5统软件的实现本节主要是介绍了控制系统的软件实现，本文对蓄电池的充放电主要是通过对单片机的编程来实现的，充放电的流程图如图开始开始初始化电压采集U1＜U＜u2U＜u1压SKIPIF1<0放电终止恒压充电U>u2SKIPIF1<0浮充充电结束缺电报警图3-8蓄电池充放电流程图第四章结论对于小型风力发电系统，由于风能和负载的随机性及不确定性，使得其对蓄电池的充放电控制较为复杂。研究简单、高效、可靠、低价和使用方便的小型风电系统对于进一步的推广与应用具有重要的现实意义。现代电力电子技术、计算机技术、控制理论为深入研究小型风力发电系统提供了强有力的理论帮助和技术支持。本文的小型风力发电系统采用风力机和永磁同步发电机直轴连接，对于充放电部分，通过对比采取了适合小型风力发电的蓄电池的充电模式，既恒压——浮充的模式，以C8051F020单片机为核心，设计了控制系统硬件电路，并对系统各部分功能做出了详细的介绍。由于小型风力发电大多位于远离电网的地方，没有比较稳定的电源，但要想使控制系统按要求工作，就必须提供比较稳定的电源。所以本文利用蓄电池作为所有控制芯片的电能来源，因为蓄电池是并联接在传输线上的，所以不可能利用简单的电阻分压的方法获得控制电源。针对这一特点，本文设计了电源变换模块，实现电能的转换和传输，为整个控制系统的实现奠定了基础。但是尽管对本课题的做了不少的工作，但由于时间及个人能力有限，真正实现完整的小型风力供电系统充放电控制，还存在较多的困难，这将在以后的学习中，继续加以深入的研究，在设计过程中，考虑到个人的能力难免有一些漏洞，希望各位老师指出错误，我将虚心地接受并加以改进。参考文献[1]李勇东.中国风力发电的发展现状和前景[J].电气时代，2007，(3)：l6－20[2]裴岩.单片机系统综合设计与实践.内蒙古大学出版社.2003:[3]宋海辉.风力发电技术及工程中国水利水电出版社.2009:97-107[4]王兆安.电力电子技术机械工业出版社.2010：123-127[5]钟勇.风光互补发电系统中蓄电池充放电控制器的研究(合肥工业大学硕士学位论文).2006[6]赵强.独立运行风力发电系统功率控制器的研究与设计.节能.2006年第3期[7]任富理.边远站点利用风力发电的供电系统研究(重庆大学硕士学位论文).2005[8]史志国.离网型风力发电智能充放电控制器的设计(内蒙古工业大学硕士学位论文).2009[9]杨慧杰.户用小型风力发电系统的研制(北京工业大学工学硕士学位论文).2007[10]蒋云龙.离网型智能化风力发电系统控制器的研制(西安工业大学硕士学位论文).2010

致谢时光飞逝，转眼间四年的大学求学生涯即将结束。本文是在我的导师陈爱国教授的悉心指导下完成的。陈老师渊博的学识、忘我的工作热情、严谨的治学态度和认真的工作作风深深地影响了我，不仅让我懂得了学习方法，也懂得了做人做事的方法，让我受益匪浅，在此向辛勤培育我的导师致以最衷心的感谢在大学学习期间，遇到了很多志同道合又乐于助人的师兄弟和同学，我从他们那里得到很多帮助，受到很积极的影响，在此非常感谢他们。毕业在即，我谨向陈老师、班主任老师以及自动化系的所有老师感谢培养我了四年的母校——内蒙古工业大学！最后，感谢养育我多年的父母，感谢他们这么多年对我默默的无私的关爱和支持！他们是我信心和动力的来源。最后，再次向所有给予我关心和帮助的老师、同学、朋友和家人表示感谢。最后，再次向所有给予我关心和帮助的老师、同学、朋友和家人表示感谢。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究