摘 要随着环境问题和化石能源危机日益加剧各国都在寻找新的可代替能源来解决能源危机和环境污染。风能和太阳能一样也是取之不尽的一种可再生能源风力发电成为现在人们利用风能的一种主要形式小型风力发电构成的家用分布式发电系统在未来更具有利用前景。因此对小型家用风力发电系统的研究有很多实用性和价值。本文设计的家用风力发电系统选用单片机STC89C52为控制核心设计了系统电路实现由蓄电池电能逆变为小型家用电器实用的24V50Hz的交流电。对风力发电原理及逆变的必要性做了重点介绍分析了设计的电路各个模块工作原理给出了系统的原理图和软件设计流程图。设计的家用发电系统经济成低、实用性强。关键词风力发电单片机蓄电池逆变AbstractAs environmental issues and fossil energy crises intensify, countries are looking for new alternative energy sources to address energy crises and environmental pollution. Wind energy is just as inexhaustible as renewable energy. Wind power has become a major form of wind energy utilization. The home distributed power generation system consisting of small wind power generation has more prospects in the future. Therefore, research on small household wind power generation systems has many practicalities and values.The household wind power system designed in this paper selects the single-chip STC89C52 to design the system circuit for the control core, and realizes the 24V50Hz AC which is practically used by the battery power inverter for small household appliances. The principle of wind power generation and the necessity of inverter are introduced. The working principle of each module of the designed circuit is analyzed. The schematic diagram of the system and the flow chart of software design are given. The designed household power generation system is economically low and practical.Key Words: Wind Power, Single Chip, Battery,Inverter目 录1 绪论 11.1 课题研究背景 11.2 课题的目的和意义 11.3 国内外研究现状 21.4 主要研究的内容 22 风力发电系统设计要求及原理分析 42.1 系统设计的目标 42.2 风力发电原理 42.3 风力发电系统结构及组成 42.4 逆变电路设计原理 52.5 本章小结 63 风力发电系统逆变器方案与硬件设计 73.1 风力发电系统的总体方案设计 73.2 逆变器的设计 73.3 逆变控制单片机选择 83.4 电源模块 103.5 SPWM产生电路 103.6 MOSFET驱动电路 113.7 本章小结 114 逆变器仿真与调试分析 124.1 仿真模型建立 124.2 仿真结果分析 134.3 系统实验测试分析 144.5 本章小结 165 总结与展望 17致 谢 18参考文献 191 绪论1.1 课题研究背景能源是发展国民经济和提高人民生活的重要物质基础是经济发展的“火车头”能源已成为制约国民经济发展的重要因素。社会经济发展推动能源需求的持续增长要求不断开发新的能源。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。由于对能源的渴求人们无节制地开采石油、煤炭、天然气等这些埋在地层深处的维系人类生存的“能源食粮”不仅严重地污染了我们的生存空间恶化了自然环境而且带来了更可怕的恶果一能源枯竭。传统化石能源资源的诚少引发的石油危机和石油总体价格的攀升已在向世人警示能源安全问题,引起对能源安全的广泛担忧。现实告诫人们要生存就必须寻求开发新能源。风能和现在的太阳能、水能一样也是清洁的可再生能源水利发电已经在大规模应用由于风能和太阳能的特殊性这几年刚取得发展但是应用前景更加广阔特别是家庭用的小型分布式发电。相比较大型的水利发电和风电场发电小型的分布范围广灵活性强普遍得到社会的认可。1.2 课题的目的和意义风能的利用有着悠久的历史。近年来资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。自80年代以来风能利用主要趋势是在风力发电。我国地域辽阔广大边远山区、沿海岛屿和少数民族地区地广人稀、交通不便利用大电网的延伸解决供电问题非常困难而这些地区风力资源往往又比较丰富。充分利用这些地区的风力资源来解决无电、缺电问题对改善当地人民的生活水平发展地方经济具有深远的意义。小型风力发电系统具有机组投资小使用灵活非常适用于解决居住相对分散、风力资源较好的无电地区居民的基本生活用电及部分小型生产用电问题。小型风力发电技术作为农村能源的组成部分它的进一 步推广应用将会推动农村能源的发展对于改善用能结构特别是边远山区等的生产、生活用能推动生态和环境建设诸领域的发展将发挥积极作用具有广阔的市场前景。风能具有随机性和不确定性风力发电系统是一个复杂系统。简化小型风力发电系统的结构、降低成本、提高可靠性及实现系统优化运行具有重要的理论意义和实际应用价值。1.3 国内外研究现状国外进入21世纪全球可再生能源也在不断发展而在可再生能源中风能始终保持最快的增长态势并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源目前世界风能发电厂以每年32%的增长速度在发展2008 年初全球风力发电机容量达5000万MW。由此可见风电正在以超出预期的发展速度不断增长。国内我国幅员辽阔陆疆总长达2万多公里还有18000多公里的海岸线边缘海中有岛屿5000多个,风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6米/秒以上。一般认为可将风电场风况分为3类:年平均风速6米/秒以上时为较好; 7米/秒以上为好; 8米/秒以上为很好。可按风速频率曲线和机组功率曲线估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于6米/秒以上的地区在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。由于发展时间尚短我国风力发电存在一些不足。目前我国尚未建立风资源数据库现有的全国风资源分布图很粗无法满足现在风电场选址的要求迫切需要进一步细化。我国对风资源的测量和分析方法不够完善尤其是对复杂地形在选择测风点和风资源分析方面缺少先进的技术和经验。风电场优化设计方面技术比较落后缺乏先进的工具和系统的方法。我国风电场的运行和维护水平与国外风电场及国内火电生产和运行相比也有明显的差距。1.4 主要研究的内容为了大力发展新能源发电本文设计的小型家用风力发电系统适应现在国家分布式能源的发展要求设计了的系统能够将风能转化为电能并利用蓄电池存储。并通过设计的逆变器为家庭各个电器提供电源。第一章首先讲述了本课题研究的背景及意义分析了国内外当前的研究状况对本文的主要研究内容做了纲领性的介绍和分析。第二章是主要从系统设计需要的理论济宁分析结合系统的设计目标对风力发电的原理进行了重点分析给出了风力发电系统的结构及组成框图详细分析了逆变电路的原理。第三章主要对系统的逆变器和硬件电路进行了设计包块单片机模块的选择和模块介绍最小系统电路的搭建。对系统供电的电源模块、SPWM产生电路和开关器件的驱动电路进行了设计和分析达到了系统的硬件需求。第四章主要是给出了小型家用风力发电系统重要的逆变器进行仿真实验建立了仿真模型并对仿真结果进行了分析与实验调试进行结合能够满足系统的设计指标要求。2 风力发电系统设计要求及原理分析2.1 系统设计的目标通过风力发电机实现了将风能转化为电能并利用蓄电池存储。设计一风力发电机完成电机、扇叶、动力系统等设计。利用蓄电池作为逆变器电源将蓄电池电压转变成家用交流24V电源为家庭各个电器提供电源。达到以下目标①过风力发电机实现了将风能转化为电能并利用蓄电池存储。②利用蓄电池作为逆变器电源将蓄电池电压转变成家用交流24V电源。③设计一逆变电路将蓄电池电压转换成交流正弦50Hz/24V电源为家电提供电源逆变器功率不低于100W。2.2 风力发电原理风力发电就是利用风力发电机把风能转换成电能风力发电机是风能转化成电能的装置又风吹动风力机带动变速箱这样发电机就被快速带动转起来风力发电机把风能转化成电能的工作过程如图2.1所示。空气流动造成一定气压差形成风力作用在风机的叶片上带动变速箱中的齿轮传动装置旋转起来与齿轮结构连接的风力发电机在旋转扭力的作用下旋转切割磁感线最终把机械能转化为电能输出。图2.1 风力发电能量转化图2.3 风力发电系统结构及组成在该风力发电系统中主要由风力机、发电机、变流器、储能装置蓄电池组、逆变器和控制系统组成。液晶显示部分温湿度测量部分、控制执行以及电源供电部分等几个模块组成系统的结构组成框图如图2.2所示。图2.2 系统结构组成框图在图中的几个主要的模块中储能蓄电池组在风力发电的推广应用中是关键的组成部分。因为风力发电太阳能发电一样都是随机性比较强风速的变化难以预测波动性很大就会造发出的电压有很大的波动这样的波动会对用电器造成很大的损害所以就需要给风力发电系统配上一定容量的电池组作为发电系统的储能部分风力发电机发的电充到储能设备中再逆变装置把蓄电池中的电能逆变为需要的交流电去为负载供电保证了供电的电能的质量保证了用电设备的安全所以逆变是设计中的重要部分用于风力发电系统的风力发电逆变器主要是接受来自蓄电池组的直流电能将其转化为满足接入负载工作要求的工频正弦波电流为当地负载用电器供电。2.4 逆变电路设计原理全桥逆变电路可以认为是由2个半桥逆变电路组成的在单相电压型逆变电路中是应用最多的电路主要用于大容量场合。在相同的直流输入电压下全桥逆变电路的最大输出电压是半桥式逆变电路的2倍。这意味着输出功率相同时全桥逆变器的输出电流和通过开关元件的电流均为半桥式逆变电路的一半。单相全桥逆变器启动的先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值而欲使电感电流能按照给定的波形和相位得到控制必须保证在运行过程中直流侧电压不低于负载需求电压的峰值否则续流二极管将以传统的整流方式运行电感电流不完全可控。其电路图如2.3所示。图2.3 逆变的拓扑结构图单相全桥逆变器中LO为交流输出电感Cdc为直流侧支撑电容也即前级Boost电路的输出电容Q2-Q5是主开关管IGBT对四个开关管进行SPWM控制就可以调节输出电流iO为正弦波并且与电网电压Ug保持同频同相达到输出功率因数为1的目的。2.5 本章小结本章首先介绍了风力发电的原理从系统的结构组成对系统的重要组成部分进行了划分重点分析了风力发电系统的组成和工作过程并给出了系统的结构和原理框图介绍了储能装置在风力发电系统中的必要性对由蓄电池为家用电器提供电能需要逆变为交流电的逆变原理做了详细分析。3 风力发电系统逆变器方案与硬件设计3.1 风力发电系统的总体方案设计本设计决定采用无变压器的两级结构储能装置通过 DC/AC逆变器直接与负载相连。在本系统中为了提高系统的整体效率 DC/AC逆变器采用单相逆变全桥作用是将蓄电池直流电转换成24V/50Hz正弦交流电实现向负载输送功率。DC-Bus的作用除了连接DC/DC变换器和DC/AC逆变器还实现了功率的传递。系统主电路拓扑如图3.1所示。图3.1系统主电路拓扑图3.2 逆变器的设计DC-AC部分采用单相全桥逆变电路将蓄电池输出的48V直流电转换成24V/50Hz正弦交流电完成逆变向负载用电器输送功率。风力发电逆变器实现风力发电家用的普及满足了家用电器正常工作必须满足要求输出电压与设计要求的输出电流电压的一致而且其输出还应满足家用对电能质量要求这些都依赖于逆变器的有效的设计。逆变按控制方式分类可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方法。本文所设计的风力发电家用小型逆变器就是采用电压源输入、电流源输出的控制方式。逆变器的输出采用电流控制时其控制方式有很多种类型较为常见的电流控制方式是电流滞环比较方式、平均值电流控制法、正弦波脉宽调制技术。本文设计中采用的改进型SPWM并网逆变电流跟踪方式。是电流给定信号是实际的并网电流是PI调节环节是逆变环节是滤波环节是电网电压前馈环节。其控制框图如图3.2所示。图3.2 改进型SPWM并网逆变电流控制框图PI控制器传递函数为逆变器传递函数为,滤波器传递函数为。在并网系统中电网电压可视为扰动信号则并网系统的开环传递函数为。若不考虑采用电网电压的前馈补偿则电网电压对并网电流的影响可以用下式表示,若考虑电网电压的前馈补偿则电网电压对并网电流的影响可以用下式表示其中是电网电压前馈补偿后的开环传递函数。若令