小型風(fēng)力供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中 文 題 目 : 小型風(fēng)力供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué) 生 姓 名 ： 學(xué) 院 ： 電 力 學(xué) 院系 別 ： 自 動(dòng) 化專 業(yè) ： 自 動(dòng) 化班 級(jí) ： 自 動(dòng) 化 07-2 指 導(dǎo) 教 師 ：摘 要風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源越來(lái)越受到人們的重視，風(fēng)力發(fā)電也逐漸成為了時(shí)下的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。本論文詳細(xì)闡明了小型獨(dú)立風(fēng)力供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹和對(duì)蓄電池的充、放電做了深入的研究。本文的題目是小型風(fēng)力供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求是可以在連續(xù)兩天無(wú)風(fēng)的情況下持續(xù)提供 10w 的 12v 的直流電，并有缺電報(bào)警和輸出保護(hù)功能。本文提出的解決方案為，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電，通過(guò) DCDC 變換為需要的標(biāo)準(zhǔn)直流電，并且考慮到風(fēng)力的不穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中并入蓄電池組，通過(guò)控制電路的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，保證系統(tǒng)在風(fēng)能充足時(shí)可蓄能，在兩天無(wú)風(fēng)時(shí)可以連續(xù)為負(fù)載供電。系統(tǒng)的運(yùn)行狀況主要采用單片機(jī)控制。本論文的重點(diǎn)在于控制電路的設(shè)計(jì)，并對(duì)各種不同風(fēng)力情況下系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行了全面而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?。關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)、DC-DC 變換、蓄電池、單片機(jī)AbstractAs a clean and renewable energy, Wind power has aroused more and more attention and gradually become a sunrise industry nowadays。This paper spells out the small independent wind power system design, wind generators on a simple presentation and the battery charge and discharge depth study done。This topic is small-scale wind power system design, requirements for two consecutive days in the case of no wind continues to provide the 12v 10w DC, and lack of electricity and output protection alarms， The proposed solution, given the power of wind generator, through the DC-DC conversion for the required standard DC，And taking into account the instability of the wind adding batteries in the system , control circuit monitoring and control by the control system to ensure the system can be sufficient in wind energy storage, in the days when no wind is a continuous load.。Health of the system mainly uses the microcontrollerThis paper focuses on the design of the control circuit, and a variety of wind conditions in the operational status of the system conducted a comprehensive and rigorous analysis。Keywords: generator, DC-DC conversion, battery, MCU目錄第一章 緒論 11.1 課題的目的和意義 11.1.1 風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)點(diǎn) 11.1.2 課題的目的和意義 21.2 風(fēng)力發(fā)電概述 21.2.1 國(guó)外風(fēng)力發(fā)展 21.2.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的基本情況 31.2.3 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn) 31.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 .3第二章小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成 52.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 .52.1.1 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類 52.1.2 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 62.2 整流器 .72.3 DC-DC 變換器 82.4 蓄電池 .92.4.1 蓄電池的工作原理 92.4.2 影響鉛酸蓄電池壽命的因素 .112.4.3 閥控式鉛酸蓄電池的使用原則 .122.4.4 鉛酸蓄電池的充電方法 .122.5 控制器 .132.5.1 控制器的作用 .132.5.2 控制器的類型 .132.5.3 控制器的其他功能 .14第三章 供電系統(tǒng)電路的硬件設(shè)計(jì)及及軟件實(shí)現(xiàn) 143.1 發(fā)電機(jī)、蓄電池的選擇 .143.2 設(shè)計(jì)實(shí)例 .153.3 DC-DC 變換芯片及單片機(jī)的選擇 163.3.1 DC-DC 芯片的選擇 .163.3.2 單片機(jī)的選擇 .173.4 控制器電路圖的設(shè)計(jì) .213.4.1.工作原理 .213.4.2 系統(tǒng)電路圖組成 .213.5 統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn) 24第四章 結(jié)論 26參 考 文 獻(xiàn) 27致 謝 28內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1第一章 緒論風(fēng)能是一種清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會(huì)隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此可以說(shuō)是一種取之不盡、用之不竭的能源。而礦物質(zhì)燃料儲(chǔ)量有限，正在日趨減少，況且其帶來(lái)的嚴(yán)重的污染問(wèn)題和溫室效應(yīng)正越來(lái)越困擾著人們。因此風(fēng)力發(fā)電正越來(lái)越引起人們的關(guān)注。1.1 課題的目的和意義1.1.1 風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)風(fēng)是人類最熟悉的一種自然現(xiàn)象，風(fēng)無(wú)處不在。太陽(yáng)輻射造成地球表面大氣層受熱不均，引起大氣壓力分布不均。在不均壓力作用下，空氣沿水平方向運(yùn)動(dòng)就形成風(fēng)。風(fēng)能是一種最具活力的可再生能源，它實(shí)質(zhì)上是太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化形式，因此是取之不盡的風(fēng)能中的風(fēng)向和風(fēng)速在時(shí)空分布上較為復(fù)雜，如有海陸差異對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的影響而形成的季風(fēng)和海陸風(fēng)，在山區(qū)由于熱力原因引起的谷風(fēng)和山風(fēng)，風(fēng)力的隨機(jī)性和風(fēng)速的變化多端使得它的利用效率較低，在風(fēng)能的實(shí)際利用上仍存在很多技術(shù)困難。盡管如此，風(fēng)能資源具有如下優(yōu)越性：（1）邊遠(yuǎn)地區(qū)由于遠(yuǎn)離電網(wǎng)，同時(shí)這些地區(qū)的居民用電和所設(shè)置的微波中繼站、氣象臺(tái)、電視調(diào)頻差轉(zhuǎn)臺(tái)以及邊防哨所需要的電功率大都在 10 千瓦以下，在這種條件下，由輸電線將電力輸送到邊遠(yuǎn)地區(qū)耗資巨大顯然是不利的。從世界風(fēng)能分布圖上可以看出全世界約有三分之二的地區(qū)具有風(fēng)能利用價(jià)值，若合理地利用太陽(yáng)能、風(fēng)能，建設(shè)獨(dú)立的小功率發(fā)電裝置，具有明顯的優(yōu)越性。（2）風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日益提高，不存在建廠房、筑壩、淹地、移民等問(wèn)題，風(fēng)力發(fā)電機(jī)分散安裝，占地面積少。發(fā)電后除折舊費(fèi)和維護(hù)費(fèi)外，不消耗燃料，無(wú)三廢處理問(wèn)題，其成本接近火電，低于油電、核電和光伏發(fā)電，從綜合經(jīng)濟(jì)效益看，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。（3）人類在利用礦物燃料的過(guò)程中，必然釋放出大量有害物質(zhì)，使人類賴以生存的環(huán)境受到破壞和污染。此外，其他新能源中的水電、核能、地?zé)崮艿?，在開(kāi)發(fā)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2利用的過(guò)程中，也都存在著一些不能忽視的環(huán)境問(wèn)題。但風(fēng)能在利用中不會(huì)給空氣帶來(lái)污染，也不破壞生態(tài)，是一種清潔安全的能源。（4）風(fēng)力發(fā)電在新能源發(fā)電中技術(shù)最為成熟。是一種安全、可靠的能源。綜上所述，風(fēng)力發(fā)電對(duì)于改善能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，特別是對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)、生活用電等諸多領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。1.1.2 課題的目的和意義風(fēng)能利用的能量密度低且具有隨機(jī)性、不穩(wěn)定性和分布的不均勻性，這些給風(fēng)能的利用帶來(lái)了許多問(wèn)題。本文研究的目的是在分析現(xiàn)有的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)為野外無(wú)電地區(qū)獨(dú)立的小型設(shè)備提供電力。1.2 風(fēng)力發(fā)電概述1.2.1 國(guó)外風(fēng)力發(fā)展國(guó)際能源研究報(bào)告表明, 如果各國(guó)采取有力措施, 風(fēng)力發(fā)電到2010年可提供世界電力需求的10%, 創(chuàng)造 170萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì),并在全球范圍內(nèi)減少100多億噸二氧化碳廢氣。風(fēng)能將成為發(fā)展最快的能源, 到2010 年風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到40.00GW, 2020 年達(dá)到0.1TW, 到2010年德國(guó)新增500萬(wàn)千瓦, 西班牙新增520萬(wàn)千瓦, 年生產(chǎn)能力將達(dá)到800萬(wàn)千瓦,可滿足全國(guó)電力需求的10%。美國(guó)和加拿大是北美利用風(fēng)能最好的國(guó)家。在美國(guó)的50個(gè)州中, 大約有30個(gè)州已經(jīng)開(kāi)始利用風(fēng)能資源。在1998- 2004年期間, 美國(guó)風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)6740MW, 可以滿足160萬(wàn)個(gè)中等家庭的日常用電需求。隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模的擴(kuò)大, 風(fēng)電發(fā)電成本繼續(xù)下降, 估計(jì)10年后它完全可以和清潔的燃煤電廠競(jìng)爭(zhēng)。由于風(fēng)力發(fā)電是可再生潔凈能源, 其環(huán)境效益也十分明顯, 隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益成熟, 發(fā)電成本的進(jìn)一步降低, 風(fēng)力發(fā)電會(huì)越來(lái)越被更多的人認(rèn)識(shí)和接受。這也是全世界很多國(guó)家都熱衷風(fēng)力發(fā)電的主要原因。風(fēng)力發(fā)電的迅猛發(fā)展也使那些本地能源短缺的發(fā)展中國(guó)家收益, 如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯達(dá)黎加等國(guó)是發(fā)展中國(guó)家風(fēng)力發(fā)電的佼佼者。中國(guó)、印度也在積極發(fā)展風(fēng)電。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)31.2.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的基本情況我國(guó)幅員遼闊, 陸疆總長(zhǎng)2萬(wàn)多千米, 海岸線1.8萬(wàn)多千米, 是一個(gè)風(fēng)力資源豐富的國(guó)家, 全國(guó)約有2/3的地帶為多風(fēng)帶。風(fēng)能總儲(chǔ)量為32.26億千瓦, 實(shí)際可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為2.53億千瓦, 為可再生能源和新能源利用技術(shù)提供了強(qiáng)大的資源條件。兩大風(fēng)能地帶西北、華北、東北和東南沿海為風(fēng)能資源豐富區(qū), 跨全國(guó)21個(gè)省、市、自治區(qū)。到1999年底已開(kāi)發(fā)微小戶用型風(fēng)力發(fā)電機(jī)16萬(wàn)臺(tái), 并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)24座, 總裝機(jī)容量26萬(wàn)千瓦, 其中絕大多數(shù)機(jī)組是從丹麥、德國(guó)、美國(guó)、比利時(shí)、瑞典引進(jìn)的, 最大單機(jī)容量為600kW。據(jù)相關(guān)資料報(bào)道, 到2020年, 預(yù)計(jì)我國(guó)將新增發(fā)電能力500GW, 其中 121GW為可再生能源。2010年以前 , 我國(guó)計(jì)劃新建20座風(fēng)力發(fā)電場(chǎng), 每座風(fēng)場(chǎng)的發(fā)電能力達(dá)到100MW以上, 且達(dá)到4000MW 的風(fēng)力發(fā)電總目標(biāo), 并要求風(fēng)力發(fā)電設(shè)備本土化。1.2.3 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電有如下特點(diǎn)（1）可再生，且清潔無(wú)污染。（2）風(fēng)速隨時(shí)變化，風(fēng)電機(jī)組承受著十分惡劣的交變載荷。（3）風(fēng)電的不穩(wěn)定性會(huì)給電網(wǎng)或負(fù)載帶來(lái)一定的沖擊影響。風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有兩種：一類是獨(dú)立運(yùn)行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達(dá)的地區(qū)，用小型發(fā)電機(jī)組為蓄電池充電，再通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。本論文討論的是前者，即獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)的解決方案。1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容本文以小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)風(fēng)力發(fā)電原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置蓄電池的充放電控制等方面做了較為深入的理論分析和研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行及可靠運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。本文的主要研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排如下。第一章 介紹課題提出的背景、目的和意義，論述國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況，概括總結(jié)風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概況，第二章 介紹了小型風(fēng)力發(fā)電原理及系統(tǒng)的基內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)4本組成，并詳細(xì)介紹各個(gè)部分的組成以及原理。第三章 講述了小型風(fēng)力供電系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)及各部分器件的選擇，以及部分計(jì)算。第四章 本章簡(jiǎn)述了小型風(fēng)力供電系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)，及部分編程，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)5第二章小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成本文的獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，如圖2-1所示，它主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流器、DC-DC變換器、蓄電池以及控制系統(tǒng)幾個(gè)部分。圖 2-1 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的框圖2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一 般 把 發(fā) 電 功 率 在 10 千 瓦 及 其 以 下 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 稱 作 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 。 2.1.1 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類1.按 照 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 的 風(fēng) 輪 軸 位 置 分 類 按 照 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 風(fēng) 輪 軸 的 位 置 分 ， 可 分 為 水 平 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 和 垂 直 軸 風(fēng) 力 發(fā)電 機(jī) 。 圖2-2水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（ 1） 水 平 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) ： 水 平 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 的 風(fēng) 輪 圍 繞 一 個(gè) 水 平 軸 旋 轉(zhuǎn) ，風(fēng) 輪 軸 與 風(fēng) 向 平 行 ， 風(fēng) 輪 上 的 葉 片 式 徑 向 安 裝 的 ， 與 旋 轉(zhuǎn) 軸 垂 直 ， 并 與 風(fēng) 輪 的 旋轉(zhuǎn) 平 面 成 一 角 度 （ 稱 為 安 裝 角 ） 。 風(fēng) 輪 葉 片 數(shù) 目 為 14 片 （ 大 多 為 2 片 和 3 片 ）， 他 在 高 速 運(yùn) 行 時(shí) 有 較 高 的 風(fēng) 能 利 用 率 ， 但 啟 動(dòng) 時(shí) 需 要 較 高 的 風(fēng) 速 。 （ 2） 垂 直 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) ： 垂 直 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 的 風(fēng) 輪 圍 繞 一 個(gè) 垂 直 軸 旋 轉(zhuǎn) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)整 流 DC-DC 變換器 蓄電池控制器內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)6圖2-3垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng) 輪 軸 與 風(fēng) 向 垂 直 。 其 優(yōu) 點(diǎn) 是 可 以 接 受 來(lái) 自 任 何 方 向 的 風(fēng) ， 因 而 當(dāng) 風(fēng) 向 改 變 時(shí) ，無(wú) 需 對(duì) 風(fēng) 。 2.按 照 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 的 功 率 分 按 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 的 功 率 可 分 為 大 、 中 、 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 。 功 率 在 10 千 瓦 以下 的 稱 為 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) ， 功 率 在 10 千 瓦 至 100 千 瓦 的 稱 為 中 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) ，功 率 在 100 千 瓦 以 上 的 稱 為 大 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 。 3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)又分直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)兩種。1）直流發(fā)電機(jī)機(jī)電勵(lì)磁式直流發(fā)電機(jī)。主要有他勵(lì)、自勵(lì)和復(fù)勵(lì)幾種形式，小型直流發(fā)電系統(tǒng)大都用于1KW以下的微、小型風(fēng)力發(fā)電裝置，與蓄電池儲(chǔ)能配合使用。這種直流發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)速變化時(shí)，一般通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁來(lái)保持輸出電壓的恒定。永磁式直流發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)主要是勵(lì)磁不可調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)較電勵(lì)磁式直流發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)采用輸出電壓隨風(fēng)速變化的系統(tǒng)，在發(fā)電機(jī)和負(fù)載間設(shè)置儲(chǔ)能設(shè)備(如蓄電池)和整流、逆變?cè)O(shè)備來(lái)變換，以滿足用戶對(duì)輸出電壓的要求。2）交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī)主要有兩種，一種是同步發(fā)電機(jī)，一種是異步發(fā)電機(jī)。前者運(yùn)行于電機(jī)極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步速成的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。主要有感應(yīng)發(fā)電機(jī)發(fā)電模式、硅整流自勵(lì)交流發(fā)電機(jī)發(fā)電模式、無(wú)刷爪極自勵(lì)發(fā)電機(jī)發(fā)電模式、永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電模式。2.1.2 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 組 的 組 成 ： 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 組 一 般 由 下 列 幾 部 分 組 成 ： 風(fēng) 輪 、發(fā) 電 機(jī) 、 調(diào) 速 和 調(diào) 向 機(jī) 構(gòu) 、 停 車 機(jī) 構(gòu) 、 塔 架 及 拉 索 等 ，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)7 風(fēng) 輪 ： 小 型 風(fēng) 力 機(jī) 的 風(fēng) 輪 大 多 用 2 3 個(gè) 葉 片 組 成 ， 它 是 把 風(fēng) 能 轉(zhuǎn) 化 為 機(jī)械 能 的 部 件 。 目 前 風(fēng) 輪 葉 片 的 材 質(zhì) 主 要 有 兩 種 。 一 種 是 玻 璃 鋼 材 料 ， 一 般 用 玻 璃絲 布 和 調(diào) 配 好 的 環(huán) 氧 樹(shù) 脂 在 模 型 內(nèi) 手 工 糊 制 ， 在 內(nèi) 腔 填 加 一 些 填 充 材 料 ， 手 工 糊制 適 用 于 不 同 形 狀 和 變 截 面 的 葉 片 但 手 工 制 作 費(fèi) 工 費(fèi) 時(shí) ， 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 不 易 控 制 。 國(guó)外 小 風(fēng) 機(jī) 也 采 用 機(jī) 械 化 生 產(chǎn) 等 截 面 葉 片 ， 大 大 提 高 了 葉 片 生 產(chǎn) 的 效 率 和 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 。 發(fā) 電 機(jī) ： 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 一 般 采 用 的 是 永 磁 式 交 流 發(fā) 電 機(jī) ， 由 風(fēng) 輪 驅(qū) 動(dòng) 發(fā)電 機(jī) 產(chǎn) 生 的 交 流 電 經(jīng) 過(guò) 整 流 后 變 成 可 以 儲(chǔ) 存 在 蓄 電 池 中 的 直 流 電 。 調(diào) 向 機(jī) 構(gòu) 、 調(diào) 速 機(jī) 構(gòu) 和 停 車 機(jī) 構(gòu) ： 為 了 從 風(fēng) 中 獲 取 能 量 ， 風(fēng) 輪 旋 轉(zhuǎn) 面 應(yīng) 垂直 于 風(fēng) 向 ， 在 小 型 風(fēng) 機(jī) 中 ， 這 一 功 能 靠 風(fēng) 力 機(jī) 的 尾 翼 作 為 調(diào) 向 機(jī) 構(gòu) 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 。 同 時(shí)隨 著 風(fēng) 速 的 增 加 ， 要 對(duì) 風(fēng) 輪 的 轉(zhuǎn) 速 有 所 限 制 ， 這 是 因 為 一 方 面 過(guò) 快 的 轉(zhuǎn) 速 會(huì) 對(duì) 風(fēng)輪 和 風(fēng) 力 機(jī) 的 其 他 部 件 造 成 損 壞 ， 另 一 方 面 也 需 要 把 發(fā) 電 機(jī) 的 功 率 輸 出 限 定 在 一定 范 圍 內(nèi) 。 由 于 小 型 風(fēng) 力 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 比 較 簡(jiǎn) 單 ， 目 前 一 般 采 用 葉 輪 側(cè) 偏 式 調(diào) 速 方 式 ，這 種 調(diào) 速 機(jī) 構(gòu) 在 風(fēng) 速 風(fēng) 向 變 化 轉(zhuǎn) 大 時(shí) 容 易 造 成 風(fēng) 輪 和 尾 翼 的 擺 動(dòng) ， 從 而 引 起 風(fēng) 力機(jī) 的 振 動(dòng) 。 因 此 ， 在 風(fēng) 速 較 大 時(shí) ， 特 別 是 蓄 電 池 已 經(jīng) 充 滿 的 情 況 ， 應(yīng) 人 工 控 制 風(fēng)力 機(jī) 停 機(jī) 。 在 有 的 小 型 風(fēng) 力 機(jī) 中 設(shè) 計(jì) 有 手 動(dòng) 剎 車 機(jī) 構(gòu) ， 另 外 在 實(shí) 踐 可 采 用 側(cè) 偏 停機(jī) 方 式 ， 即 在 尾 翼 上 固 定 一 軟 繩 ， 當(dāng) 需 要 停 機(jī) 時(shí) ， 拉 動(dòng) 尾 翼 ， 使 風(fēng) 輪 側(cè) 向 于 風(fēng) 向 ，從 而 達(dá) 到 停 車 的 目 的 。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量較小，一般都是選擇小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)組。按照空氣動(dòng)力學(xué)原理分類的話，最常見(jiàn)的是托舉型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。目前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是低速永磁發(fā)電機(jī)，這主要是因?yàn)樾⌒惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪是直接禍合在發(fā)電機(jī)軸上，省去了升速機(jī)構(gòu)，故不用增速齒輪箱增速，這就要求發(fā)電機(jī)只有幾百轉(zhuǎn)每分，所以采用低速發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須有迎風(fēng)的偏航裝置。個(gè)別小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)還具備抗大風(fēng)自動(dòng)折尾裝置。本文所使用的小型交流永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是永磁同步發(fā)電機(jī)的一種,其運(yùn)行原理與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)相同。由于用永久磁鋼取代勵(lì)磁線圈勵(lì)磁，永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工及裝配比較容易。一般小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁鋼安置在轉(zhuǎn)子上。由于這類發(fā)電機(jī)省掉了一般同步發(fā)電機(jī)的電刷、滑環(huán)和勵(lì)磁繞組,從而節(jié)約了成本。特別是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)直接與風(fēng)輪耦合,安置于機(jī)組頂端的空中無(wú)需經(jīng)常對(duì)電刷和滑環(huán)維護(hù),提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)82.2 整流器整流電路按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路整流器的主要功能是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電進(jìn)行整流，整流后的直流電經(jīng)過(guò)控制器再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種，可控整流器主要應(yīng)用在功率較大的系統(tǒng)中，可以減小電感過(guò)大帶來(lái)的體積大、損耗大等缺點(diǎn)；不可控整流器主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)中。目前在我國(guó)小型型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大量使用的是橋式不可控整流方式，如圖 2-13所示。因?yàn)樗啥O管組成，具有功耗低、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。圖2-4 三相不可控整流三相整流器除了把輸入的三相交流電能整流為可對(duì)蓄電池充電的直流電能之外，另外一個(gè)重要的功能是在外界風(fēng)速過(guò)小或者基本沒(méi)風(fēng)的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導(dǎo)通方向只能是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向供電。2.3 DC-DC 變換器DC-DC功率變換器的種類很多。按照輸入/輸出電路是否隔離來(lái)分，可分為非隔離型和隔離型兩大類。非隔離型的DC-DC變換器又可分為降壓式、升壓式、極性反轉(zhuǎn)式等幾種；隔離型的DC-DC變換器又可分為單端正激式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等幾種。DC/DC 變換器將直流電源能量傳送到負(fù)載并加以控制，得到另一個(gè)直流輸出電壓或電流。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)短控制，即控制從電源端到負(fù)載端傳內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)9送的能量。DC/DC 變換器主要包括 Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk 變換器4種。以Buck變換器為例，如圖2-5，通過(guò)在功率開(kāi)關(guān)管的控制端施加周期一定，占空比可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，二極管D截止，發(fā)電機(jī)輸出電壓整流后通過(guò)能量傳遞電感向負(fù)載供電，同時(shí)使電感 能量增加；當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感釋放能量使續(xù)流二極管D導(dǎo)通，在此階段，電感L把前一段的能量向負(fù)載釋放，使輸出電壓極性不變且比較平直。濾波電容C使輸出電壓的紋波進(jìn)一步減小。顯然，功率管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，傳遞的能量越多，輸出電壓越高。圖2-5 Buck變換電路DC/DC 變換器的輸入阻抗的大小可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)電源的占空比來(lái)改變。這種控制性能正好被用在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的輸出電流，改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性，即調(diào)節(jié)了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，從而控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速用來(lái)改變?nèi)~尖速比，這樣就控制了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率。2.4 蓄電池2.4.1 蓄電池的工作原理在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池起著儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能的作用。其它器件或技術(shù)也有被利用來(lái)進(jìn)行能量存儲(chǔ)的，比如微型水泵、壓縮空氣或飛輪等，但是在小規(guī)模風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中，這些儲(chǔ)能方式都不是很經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)，隨著燃料電池和電解槽技術(shù)的發(fā)展，氫氣作為一種能量存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)入人們的視野，這是一種比較有前途的技術(shù)方向。但是要大范圍的應(yīng)用，還有很多技術(shù)難題待解決。在本系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)力很大致使產(chǎn)生的電能過(guò)剩時(shí)，蓄電池將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái);反之，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量不足或負(fù)載用電量大的時(shí)候，蓄電池向負(fù)載補(bǔ)充電能，并保內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)10持供電電壓的穩(wěn)定。鉛酸蓄電池由于具有容量大，成本低，循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，一直是小型電力系統(tǒng)的首選儲(chǔ)能設(shè)備。蓄電池正負(fù)極板上的活性物質(zhì)分別是二氧化鉛（ 2pbo）和海綿狀鉛（ pb），它們與電解液中的硫酸接觸，負(fù)極板上鉛不斷解離為正二價(jià)的鉛離子（ 2）和電子，鉛離子融入電解液中，電子留在負(fù)極板上。隨著化學(xué)反應(yīng)不斷的進(jìn)行，負(fù)極板上的負(fù)電荷逐漸增加，對(duì)電解液中的鉛離子的吸引力也不斷的加大，使得部分的鉛離子獲得電子沉積到負(fù)極板的表面。當(dāng)離開(kāi)和沉積到負(fù)極板表面的鉛離子相等，即氧化和還原的速度趨于平衡時(shí)，負(fù)極板與電解液間形成穩(wěn)定的電位差(大約-0.358V)。正極板上的二氧化鉛（ 2pbo）在電解液的作用下解離為鉛離子（ 2pb），既（2pbo）從極板獲得電子還原為（ 2）進(jìn)入電解液，同時(shí)電解液中的部分 2失去電子氧化為 4，當(dāng)氧化和還原的速度平衡時(shí)，正極板與電解液之間形成 +l.685V的電位差。正、負(fù)極板與電解液之間的都存在著電位差，從整體看正極與負(fù)極的電位差有2.04V也就是蓄電池的單體電壓。蓄電池與負(fù)載相接時(shí)，是它的放電過(guò)程，其化學(xué)反應(yīng)方程式為: pb+ 42SOH+ 2pbo 2 4pbso+ OH2 （2-1）放電過(guò)程中，負(fù)極板上的海綿狀鉛( )，正極板上二氧化鉛（ 2pbo)與電解液中的硫酸( 42)反應(yīng)，生成硫酸鉛( 4)。電解液中消耗了硫酸( 4SOH)分子，增加了水( )分子，電解液中的硫酸濃度降低，蓄電池內(nèi)阻逐漸增大，電動(dòng)勢(shì)逐漸降低。蓄電池的充電過(guò)程是放電過(guò)程的逆過(guò)程，是在外電源作用下的電化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)方程式為: 4pbso+ 4+ OH2 pb+ 42SOH+ 2pbo （2-2）充電過(guò)程中，在外電源的作用下，正極板上的硫酸鉛（ 4s）逐漸恢復(fù)成二氧化鉛（ 2);負(fù)極板上的硫酸鉛（ 4so)逐漸恢復(fù)成海綿狀鉛（ pb），電解液中的硫酸濃度增大，蓄電池內(nèi)阻逐漸減小，電動(dòng)勢(shì)逐漸增大。傳統(tǒng)的開(kāi)口式鉛酸蓄電池，由于水的蒸發(fā)以及電解液的分解，需要經(jīng)常對(duì)電解液的濃度進(jìn)行檢測(cè)，以確定是否對(duì)其添加蒸餾水。另外，在電池充電過(guò)程中，由于化學(xué)反應(yīng)劇烈，會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體形成酸霧，污染室內(nèi)空氣，對(duì)工作人員會(huì)產(chǎn)生職業(yè)危害。而采用閥控式鉛酸蓄電池就會(huì)避免這些缺點(diǎn)。閥控式鉛酸蓄電池是相對(duì)于傳統(tǒng)的開(kāi)口式的鉛酸蓄電池來(lái)講的。它是一種密封的電池，內(nèi)外氣壓的平衡通過(guò)閥門(mén)來(lái)控制。它具有一系列優(yōu)點(diǎn)。首先是安全，電池的閥門(mén)密封可阻止空氣中的內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)11氧氣流入。當(dāng)電池過(guò)充時(shí)，內(nèi)部壓力過(guò)大，這時(shí)候閥門(mén)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，排出氣體，防止電池內(nèi)部氣壓過(guò)大而產(chǎn)生膨脹或爆炸。其次是使用方便，傳統(tǒng)的開(kāi)口電池不能傾斜安裝使用，而閥控式鉛酸蓄電池就不存在這個(gè)問(wèn)題，它既可立放也可橫放，但是不能倒置。第三是少維護(hù)，由于閥控式鉛酸蓄電池密封性能好，水分不易蒸發(fā)，這樣在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候?qū)⒎烹姇r(shí)產(chǎn)生的水蒸汽完全吸收，所以不需要進(jìn)行補(bǔ)水作業(yè)，但是閥控式鉛酸蓄電池并不是完全不需要維護(hù)，尤其是對(duì)電池的充放電維護(hù)是必不可少的。由于閥控式鉛酸蓄電池具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，所以在小型電力系統(tǒng)中，它漸漸成為主流的儲(chǔ)能器件。2.4.2 影響鉛酸蓄電池壽命的因素l)環(huán)境溫度鉛酸蓄電池的的電能是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，不同溫度下的化學(xué)反應(yīng)速率是不一樣的。溫度高時(shí)，蓄電池內(nèi)部電解液與極板的化學(xué)反應(yīng)加速，電解液濃度下降，減小了電池內(nèi)阻，增加了電池的容量，充放電過(guò)程中容易出現(xiàn)過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象。溫度低時(shí)，電解液和極板間的反應(yīng)速度變慢，電解液的濃度升高，加大了電池的內(nèi)阻，減少了電池的容量，縮短了蓄電池的壽命。生產(chǎn)廠家一般要求蓄電池的運(yùn)行環(huán)境溫度為15一25，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)25后，每升高8，電池壽命就要縮短一半。2)過(guò)度放電蓄電池被過(guò)度放電是影響蓄電池使用壽命的另一重要因素。蓄電池為負(fù)載供電期間，若控制器突發(fā)故障或者過(guò)放控制點(diǎn)設(shè)置過(guò)低時(shí)，均會(huì)可能導(dǎo)致過(guò)放現(xiàn)象的發(fā)生。過(guò)放現(xiàn)象會(huì)減少蓄電池的容量，并且難以恢復(fù)，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致電池失效。蓄電池被過(guò)度放電到輸出電壓為OV時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部有大量的硫酸鉛被吸附到電池的陰極表面，形成電池陰極的“硫酸鹽化”。由于硫酸鉛本身是一種絕緣體，將會(huì)阻礙蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的，陰極板上的硫酸鉛越多，電池的內(nèi)阻越大，電池的充放電性能就越差，電池的壽命就越短。3)過(guò)度充電蓄電池的充電電壓也是影響其壽命的重要因素。在開(kāi)路狀態(tài)下，鉛合金和二氧化鉛在硫酸溶液中，各自與電解液建立不同的平衡電極電位。蓄電池的充電電壓過(guò)高時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)過(guò)充現(xiàn)象，此時(shí)正極柵板由于析氧反應(yīng)，水不斷的被消耗， H增加，從而導(dǎo)致正極附近的酸度增高，柵板與電解液反應(yīng)加速，析出的氣體由于一部?jī)?nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)12分排出，不可能全部還原為水，蓄電池內(nèi)部的電解液濃度增加，這樣也會(huì)促使柵板的腐蝕加速，活性物質(zhì)減少，導(dǎo)致蓄電池的容量和壽命減少。當(dāng)失水5.5%時(shí)，容量降低75%，失水達(dá)到25%時(shí)，容量基本消失。4)長(zhǎng)期浮充電蓄電池長(zhǎng)期工作在浮沖狀態(tài)下，只充電不放電，這種工作狀態(tài)會(huì)造成蓄電池陽(yáng)極的鈍化，使電池的內(nèi)阻急劇增大，實(shí)際容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其標(biāo)準(zhǔn)容量，從而導(dǎo)致電池所能提供的后備時(shí)間大大縮短，減少了其使用壽命。2.4.3 閥控式鉛酸蓄電池的使用原則使用閥控式鉛酸蓄電池的時(shí)候要遵循一些原則，有些原則是鉛酸蓄電池都要遵守的基本原則，有些則是閥控式鉛酸蓄電池所特有的。這樣可以提高蓄電池的使用壽命。1)盡量使閥控式鉛酸蓄電池工作在15一35之內(nèi)。2)單體閥控式鉛酸蓄電池的應(yīng)浮充電壓設(shè)計(jì)為2.3v/節(jié)，48v系統(tǒng)的浮充電壓應(yīng)設(shè)置為55.2V。這些都是在25標(biāo)準(zhǔn)情況下得到的值。當(dāng)溫度以25為原點(diǎn)進(jìn)行變化時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。當(dāng)溫度升高時(shí)，要降低浮充電壓;反之，則要升高浮充電壓。3)電池隔板壽命在環(huán)境溫度為30-40時(shí)僅為5一6個(gè)月。長(zhǎng)時(shí)間存放的電池每六個(gè)月必須充電一次。電池必須存放在干燥涼爽的環(huán)境中。4)電池的周期壽命取決于放電率、放電深度和充電方式，其中最重要的因素是放電深度。放電深度越淺，電池生命周期越長(zhǎng)。所以，要盡量避免閥控式蓄電池深度放電。5)禁止不同容量和不同廠家的電池混用，否則會(huì)嚴(yán)重降低電池使用壽命。新舊電池也不要混用，否則會(huì)降低新電池的壽命。2.4.4 鉛酸蓄電池的充電方法鉛酸蓄電池的充電方法一般有恒流充電法、恒壓充電法和分段充電法等。恒流充電法在充電過(guò)程中保持充電電流始終不變，充電電壓自動(dòng)逐漸升高，該方法的缺點(diǎn)是充電后期水分解多，易使活性物質(zhì)脫落，故較少采用。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)13恒壓充電法在充電過(guò)程中充電電壓始終不變，充電電流自動(dòng)逐漸減少。這種方法有初期電流過(guò)大，極板深處的硫酸鉛不易還原的缺陷，故僅在小功率的簡(jiǎn)單系統(tǒng)中大量使用。本文中是采用恒壓后的浮充的充電方法，2.5 控制器2.5.1 控制器的作用小型風(fēng)力發(fā)電供電系統(tǒng)中，通常用蓄電池起儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能的作用，而蓄電池的正常運(yùn)行離不開(kāi)控制器，控制器根據(jù)風(fēng)力的大小以及負(fù)荷的變化，不斷的對(duì)蓄電池的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)，使其在充電、放電或浮充等多種工作情況下運(yùn)行，從而保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，當(dāng)風(fēng)力很大致使產(chǎn)生的電能過(guò)剩時(shí)，蓄電池將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)；反之，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量不足時(shí)，蓄電池向負(fù)載補(bǔ)充電能，并保持供電電壓的穩(wěn)定，同時(shí)保護(hù)蓄電池不受過(guò)度充放的損害，控制器通過(guò)檢測(cè)蓄電池兩端的電壓狀態(tài)，可以發(fā)出蓄電池繼續(xù)放電、減少放電或停止充電的指令。2.5.2 控制器的類型應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制其主要由旁路控制器、多階控制器和脈沖控制器。（1）旁路控制器 旁路控制器的原理是控制器檢測(cè)電路監(jiān)控蓄電池端電壓，當(dāng)達(dá)到標(biāo)志著電池充滿的電壓閥值時(shí)，開(kāi)關(guān)元件接通負(fù)載將蓄電池旁路，過(guò)充電流將開(kāi)關(guān)元件轉(zhuǎn)移到耗能負(fù)載，將多于的功率變?yōu)闊崮?；?dāng)蓄電池端電壓下降到恢復(fù)充電的電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)元件斷開(kāi)耗能負(fù)載，同時(shí)接通蓄電池的充電回路。（2）多階控制器多階控制器的原理是：其核心部件是一個(gè)受充電電壓控制的“多階充電信號(hào)發(fā)生器”。多階充電信號(hào)發(fā)生器根據(jù)充電電壓的不同，產(chǎn)生多階充電信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)元件按順序接通，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組充電電壓和電流的調(diào)節(jié)。此外，還可以將開(kāi)關(guān)元件換成大功率的半導(dǎo)體器件按，通過(guò)線性控制實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電的平滑調(diào)節(jié)。（3）脈沖控制器內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)14脈沖控制器的控制原理是：其核心器件是一個(gè)受充電電壓調(diào)治的“充電脈沖發(fā)生器” ，脈沖控制器以 “斬波”方式工作，對(duì)蓄電池進(jìn)行脈沖充電。開(kāi)始時(shí)脈沖控制器以寬脈沖充電，隨著充電電壓的上升，充電脈沖寬度逐漸變窄，平均充電電流減小，當(dāng)充電電壓達(dá)到預(yù)定電壓時(shí)，充電脈沖寬度變?yōu)榱?。充電終止。2.5.3 控制器的其他功能控制器除了對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電控制之外，還控制輸出保護(hù)功能。本文使用的控制器主要的器件是單片機(jī)，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行控制。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)15第三章 供電系統(tǒng)電路的硬件設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)獨(dú)立小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)盡管裝機(jī)容量較小，技術(shù)不太復(fù)雜，但為了安全可靠的運(yùn)行，必須做好風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池以及相關(guān)芯片的選型。3.1 發(fā)電機(jī)、蓄電池的選擇一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇條件風(fēng)力發(fā)電機(jī)以風(fēng)作為動(dòng)力，就要要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝地點(diǎn)風(fēng)力資源必須滿足一定的條件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般要求當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速在3m/s以上，全年3-sm/20有效風(fēng)累計(jì)時(shí)數(shù)在3000h左右，全年3- sm/20有效風(fēng)能密度要達(dá)到 2/10mw。1 額定風(fēng)速一般把風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生額定輸出功率時(shí)的最低風(fēng)速稱為額定風(fēng)速，對(duì)風(fēng)能的利用水平而言，具有相同結(jié)構(gòu)形式及功率發(fā)兩臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，額定風(fēng)速較低的性能更好些。我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定風(fēng)速有 sm/5、 /8和 s/10三種，選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)。要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀?，合理確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)額定風(fēng)速，這樣才能充分的利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力能源，最大限度的發(fā)揮風(fēng)力機(jī)發(fā)效率。2 工作風(fēng)速范圍由于風(fēng)力的大小是時(shí)刻變化的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不可能全部利用，只能利用一個(gè)范圍的風(fēng)速，利用風(fēng)速的下限稱為切入風(fēng)速，即風(fēng)能裝置能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)最低風(fēng)速，利用風(fēng)速的上限稱為切出風(fēng)速，這個(gè)風(fēng)速下風(fēng)能裝置輸出功率就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率，一般切出風(fēng)速越高，可利用的風(fēng)速范圍就越大，選擇合適的切入風(fēng)速、切出風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)。二、蓄電池的選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的實(shí)際功率是受風(fēng)速影響的，不是一個(gè)常量，所以，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和蓄電池的容量選擇都是可用電量來(lái)確定的。1、負(fù)載用電量的計(jì)算負(fù)載用電量可用公式TPWll （3-1）內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)16式中： lW為負(fù)荷的用電量， kwh； lP為計(jì)算負(fù)荷，w； T為負(fù)荷的平均利用小時(shí)數(shù)，h；2、蓄電池容量的計(jì)算蓄電池的容量可根據(jù)公式Q= （3-2）式中： LW為負(fù)荷日消耗量， wh； bU為蓄電池組端電壓，v; cy為蓄電池放電深度，；三 風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際的輸出功率公式為（3-3）式中： WP為機(jī)組的額定輸出功率，w； 1V為實(shí)際風(fēng)速， sm/； V為額定風(fēng)速，sm/；3.2 設(shè)計(jì)實(shí)例1. 設(shè)計(jì)目標(biāo)本文設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)的要求是：可以在連續(xù)兩天無(wú)風(fēng)的情況下持續(xù)提供10w 12v的電流為野外無(wú)電地區(qū)獨(dú)立運(yùn)行的小型設(shè)備提供電力。2.負(fù)載用電量計(jì)算 TPWll=10×24×2=480wh3. 蓄電池容量的計(jì)算= =50a這里選擇了容量為65 ah電壓為12v的鉛酸蓄電池，其具體的參數(shù)如表：表 3-1標(biāo)準(zhǔn)電壓 12v標(biāo)準(zhǔn)容量 65ah（20HR）外殼材料 ABS塑料內(nèi)阻（25） 10 m自放電（20） 每周0.8%浮充壽命 6-9年使用溫度范圍 -20+45電池外形尺寸（長(zhǎng)*寬*高） 330*171*172cLyWcbLyUQ8.0124PW3)(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)17充電方法 循環(huán)使用 浮充使用充電電壓 14.6-15v13.613.8v最大電流 19.5A19.5A充電時(shí)間 12h（60%DOD）24 （100%DOD）48 h4.風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量的選擇按滿發(fā)時(shí)數(shù)每天6小時(shí)計(jì)算，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率選150w就可以滿足條件即：150×6=900 wh大于負(fù)載用電量；本文選用的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是 表 3-2品牌 奧風(fēng)型號(hào) fd-2.2 200W額定功率 200（W）輸出電壓 24（V）額定風(fēng)速 8（m/s）葉片數(shù)目 3 片風(fēng)輪直徑 2.2（m）啟動(dòng)風(fēng)速 2.5米/ 秒安全風(fēng)速 40米/秒3.3 DC-DC 變換芯片及單片機(jī)的選擇3.3.1 DC-DC 芯片的選擇DC-DC變換芯片是介于風(fēng)力發(fā)電機(jī)與蓄電池之間的中間的重要的器件，由于風(fēng)速不穩(wěn)定，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓也隨著變化，這樣對(duì)蓄電池充電會(huì)對(duì)蓄電池的受用壽命有很大的影響，所以，這里采用一個(gè)DC-DC變換芯片對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。對(duì)DC-DC芯片的選擇有以下要求： 輸出電壓可調(diào)； 輸出功率與發(fā)電機(jī)的功率相匹配； 輸入電壓與發(fā)電機(jī)的輸出電壓相匹配；根據(jù)以上要求本文選擇了:產(chǎn)品品牌：尖諾 產(chǎn)品型號(hào)：JDM150-48S15內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)18輸入特性：電壓范圍 24VDC(額定值) 18-36 VDC 輸出特性：電壓精度：±1 電流限制點(diǎn)：120%（typ） 輸出電壓調(diào)整范圍：±10% 響應(yīng)速度 400us 電壓調(diào)整率(主路)：±0.2% 輸出電流 2-15A任選 負(fù)載調(diào)整率（主路）：±0.4% 輸出電壓：1.8-48V 輸出功率：100-300w 3.3.2 單片機(jī)的選擇本文選用了C8051F系列的單片機(jī)，其系列單片機(jī)的特點(diǎn)為：1、片內(nèi)資源·8-12位多通道ADC。·1-2路12位DAC。·1-2路電壓比較器。·內(nèi)部或外部電壓基準(zhǔn)。·內(nèi)置溫度傳感器。·16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器列陣可用于PWM等。·3-5個(gè)通用16位定時(shí)器。·8-64個(gè)通用I/O口·8-64K Flash 存儲(chǔ)器。·片內(nèi)時(shí)鐘源，內(nèi)置電源檢測(cè)、看門(mén)狗定時(shí)器。2、主要特點(diǎn)·工作電壓為2.7-3.6v，典型值為3v。I/O、RST、JTAG引腳均勻許5v電壓輸入。·高速的（20MIPS-25MIPS）與8051全兼容的CIP-51內(nèi)核。本文選用了 C8051F020 器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí) MCU 芯片，具有 64 個(gè)數(shù)字 I/O 引腳（C8051F020） 。下面列出了一些主要特性； 1. 高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP-51 內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)192. 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） 3. 真正 12 位 （C8051F020） 、 100 ksps 的 8 通道 ADC， 帶 PGA 和模擬多路開(kāi)關(guān) 4. 真正 8 位 500 ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8 通道模擬多路開(kāi)關(guān) 5. 兩個(gè) 12 位 DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式 6. 64K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器 7. 4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM 8. 可尋址 64K 字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口 9. 硬件實(shí)現(xiàn)的 SPI、SMBus/ I2C 和兩個(gè) UART 串行接口 10. 5 個(gè)通用的 16 位定時(shí)器 11. 具有 5 個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列 12. 片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器 具有片內(nèi) VDD 監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的 C8051F020 是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新 8051 固件。片內(nèi) JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源） 、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、 單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。 在使用 JTAG 調(diào)試時(shí)， 所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。每個(gè) MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+85）內(nèi)用 2.7V-3.6V 的電壓工作。端口 I/O、/RST 和 JTAG 引腳都容許 5V 的輸入信號(hào)電壓。C8051F020 為 100 腳 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)20圖 3-1 C8051F020引腳圖與 8051 完全兼容 C8051F020 系列器件使用 Silicon Labs 的專利 CIP-51 微控制器內(nèi)核。CIP-51與 MCS-51TM 指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn) 803x/805x 的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。CIP-51 內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn) 8052 的所有外設(shè)部件，包括 5 個(gè) 16 位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、兩個(gè)全雙工 UART、256 字節(jié)內(nèi)部 RAM、128 字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及 8/4 個(gè)字節(jié)寬的 I/O 端口。 CIP-51 采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的 8051 結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 8051 中，除 MUL 和 DIV 以外所有指令都需要 12 或 24 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 12-24MHz。而對(duì)于 CIP-51 內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為 1 或 2 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有 4 條指令的執(zhí)行時(shí)間大于 4 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。 CIP-51 共有 111 條指令。下表列出了指令條數(shù)與執(zhí)行時(shí)所需的系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)的關(guān)系。表3-3內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)21CIP-51 工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 25MHz 時(shí)，它的峰值性能達(dá)到 25MIPS。C8051F020 系列 MCU 對(duì) CIP-51 內(nèi)核和外設(shè)有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向 CIP-51 提供 22 個(gè)中斷源（標(biāo)準(zhǔn) 8051 只有 7 個(gè)中斷源） ，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的 MCU干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，這些增加的中斷源是非常有用的。 MCU 可有多達(dá) 7 個(gè)復(fù)位源：一個(gè)片內(nèi) VDD 監(jiān)視器、一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、一個(gè)時(shí)鐘丟失檢測(cè)器、一個(gè)由比較器 0 提供的電壓檢測(cè)器、一個(gè)軟件強(qiáng)制復(fù)位、CNVSTR 引腳及/RST 引腳/RST 引腳是雙向的，可接受外部復(fù)位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位信號(hào)輸出到/RST 引腳。 除了 VDD 監(jiān)視器和復(fù)位輸入引腳以外，每個(gè)復(fù)位源都可以由用戶用軟件禁止；使用 MONEN 引腳使能/禁止 VDD 監(jiān)視器。在一次上電復(fù)位之后的 MCU 初始化期間，WDT 可以被永久性使能。MCU 內(nèi)部有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)鐘發(fā)生器，在復(fù)位后被默認(rèn)為系統(tǒng)時(shí)鐘。如果需要，時(shí)鐘源可以在運(yùn)行時(shí)切換到外部振蕩器，外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC 或外部時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。時(shí)鐘切換功能在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許 MCU 從一個(gè)低頻率（節(jié)電）外部晶體源運(yùn)行，當(dāng)需要時(shí)再周期性地切換到高速（可達(dá) 16MHz）的內(nèi)部振蕩器。CIP-51 有標(biāo)準(zhǔn)的 8051 程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括 256 字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM，其中高 128 字節(jié)為雙映射。用間接尋址訪問(wèn)通用 RAM 的高 128 字節(jié)，用直接尋址訪問(wèn) 128 字節(jié)的 SFR 地址空間。數(shù)據(jù) RAM 的低 128 字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問(wèn)。前 32 個(gè)字節(jié)為 4 個(gè)通用寄存器區(qū)，接下來(lái)的 16 字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。 C8051F020 中的 CIP-51 還另有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間的 4K 字節(jié)的 RAM 塊和一個(gè)可用于訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的外部存儲(chǔ)器接口（EMIF） 。這個(gè)片內(nèi)的 4K字節(jié) RAM 塊可以在整個(gè) 64K 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間中被尋址（以 4K 為邊界重疊）。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間可以只映射到片內(nèi)存儲(chǔ)器、只映射到片外存儲(chǔ)器、或兩者的組合（4K 以下的地址指向片內(nèi)，4K 以上的地址指向 EMIF） 。EMIF 可以被配置為地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用方式或非復(fù)用方式。 MCU 的程序存儲(chǔ)器包含 64K 字節(jié)的 FLASH。該存儲(chǔ)器以 512 字節(jié)為一個(gè)扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的外部編程電壓。從 0xFE00 到 0xFFFF 的 512 字節(jié)被內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)22保留，由工廠使用。還有一個(gè)位于地址 0x10000 - 0x1007F 的 128 字節(jié)的扇區(qū)，該扇區(qū)可作為一個(gè)小的軟件常數(shù)表使用。C8051F020 系列具有片內(nèi) JTAG 邊界掃描和調(diào)試電路， 通過(guò) 4 腳 JTAG 接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。該 JTAG 接口完全符合 IEEE 1149.1 規(guī)范，為生產(chǎn)和測(cè)試提供完全的邊界掃描功能。3.4 控制器電路圖的設(shè)計(jì)3.4.1.工作原理系統(tǒng)由兩個(gè)DC-DC變換芯片、兩個(gè)電壓采集電路、單片機(jī)、放電電路和輸出保護(hù)電路組成，原理圖如圖3-2所示，其工作原理如下：充電時(shí)單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集充電時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓和蓄電池兩端的電壓，從而調(diào)節(jié)DC-DC芯片的輸出電壓給蓄電池分階段的充電；放電時(shí)單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集放電時(shí)蓄電池兩端的電壓從而實(shí)時(shí)的發(fā)出適合的指令進(jìn)行放電。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)233.4.2 系統(tǒng)電路圖組成1.充電電路充電主電路其實(shí)是一個(gè)升降壓斬波電路圖3-3 充電主電路2.電壓檢測(cè)電路、風(fēng)速是不可控的，所以輸出的電壓也是隨著變化的，給蓄電池充電電壓在一定范圍的，所以需要對(duì)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓進(jìn)行檢測(cè)傳給單片機(jī)來(lái)控制，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓超出了單片機(jī)所能承受的電壓，這里采用了分壓電路如圖3-4所示，1R和 2是分壓電阻， 1D和 2為二極管這里起到保護(hù)作用，為了使進(jìn)入單片機(jī)的電壓更加穩(wěn)定這里加入了電容 C，起到濾波作用。圖3-4 電壓檢測(cè)1ESGNTULVAPort*力Bin+-u34cl5內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)24這里風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的額定電壓為24 v，而單片機(jī)內(nèi)部的模擬比較電壓為2.4 v,所以，1R選擇了19 K， 2R選擇了1 K。、為了監(jiān)控蓄電池兩端的電壓，因蓄電池兩端的電壓在12 左右不可能直接送往單片機(jī)的電壓比較器，所以在這里又使用了分壓電路，分壓后的電壓在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)可以直接送到單片機(jī)進(jìn)行比較，這樣來(lái)控制蓄電池的充放電。圖3-5 電壓檢測(cè)2同樣，圖中 3R和 4為分壓電阻， 3D和 4起到保護(hù)單片機(jī)的作用， 2C為濾波電容，其中 選擇為49 K， R為1 。3、放電控制電路對(duì)蓄電池充電是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，首先檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓是否超出了額定電壓，如果超出了，則需要一個(gè)放電電路來(lái)消耗多余的電能，否則，會(huì)對(duì)蓄電池造成很大的損害。放電電路由一個(gè)MOSFET管、一個(gè)放電電阻及部分其它電阻組成，其電路圖如圖3-6所示，圖3-6 放電電路圖中 5R為放電電阻，根據(jù)計(jì)算 5R選擇3 的水泥進(jìn)行放電。ESGNTULVAPort67Q?MOF內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)254、輸出保護(hù)電路輸出保護(hù)電路是防止負(fù)載電路短路或電流過(guò)大等情況發(fā)生，在這里采用了MAX471芯片來(lái)采集負(fù)載輸出電路中的電流的大小送給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)的判斷來(lái)保護(hù)輸出電路。其電路圖如圖3-7，圖3-7 輸出保護(hù)電路3.5 統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)本節(jié)主要是介紹了控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，本文對(duì)蓄電池的充放電主要是通過(guò)對(duì)單SHCN1R+23GDI5-67OUT8MAXEPort