【正文】 1 引言1．1 本課題的意義 風力發(fā)電的意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和社會的進步，人們對供電持續(xù)性和供電量的要求也越來越高。而煤炭、石油的日趨減少，開發(fā)新能源成為當今社會最熱門的話題之一。風能作為一種自然資源，它有取之不盡、清潔無污染等優(yōu)點，所以被人們稱為“綠色資源”受到青睞[1]。利用可再生能源可以節(jié)約能源和保護環(huán)境，而風力發(fā)電與其它再生能源相比，更具競爭潛力，因而發(fā)展迅速。我國幅員遼闊，居民分布東多西少?？紤]到生活在邊遠地區(qū)的農(nóng)、牧民以及沿海地區(qū)島嶼上的漁民、邊、海防哨所、通訊塔站及微波中繼站等居民的用電特點，用常規(guī)電網(wǎng)覆蓋他們十分困難，而且也很不經(jīng)濟。因此在我國的許多邊遠地區(qū)，電力短缺造成經(jīng)濟，文化與教育的嚴重落后。但由于這些地區(qū)一般風力資源比較豐富，因此在這些地區(qū)大力推廣小型風力發(fā)電機系統(tǒng)的應用也將是一種比較理想的策略[2]。 目前戶用小型風力發(fā)電存在的問題風力發(fā)電是涉及電機、電力電子、電化學、機械、空氣動力學、計算機、自動控制、氣象等多種學科的綜合課題，大型風力發(fā)電機組發(fā)出的電能直接并到電網(wǎng)上，向電網(wǎng)饋電；小型風力發(fā)電機一般將風力發(fā)電機組發(fā)出的電能用除能設(shè)備儲存起來(一般用蓄電池)，需要時再提供給負載(可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶)。[3]。 小型風力發(fā)電系統(tǒng)框圖由于風能的隨機性和不穩(wěn)定性以及負載的隨時變化使得現(xiàn)有小型風電系統(tǒng)仍然存在不少問題。效率較低，現(xiàn)有系統(tǒng)一般采用發(fā)電機輸出直接對蓄電池進行充電，并沒有對風電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進行控制，使得風能利用系數(shù)比較低。，如果控制風力機總是以最佳葉尖速比運行，年發(fā)電量可以提20%～30%。蓄電池的工作狀態(tài)不盡合理，使得其壽命短暫，一般兩三年就得更換，增加了整機維護成本，不合理使用主要是充電方式與蓄電池可接受特性相距甚遠。電池使用壽命短，則會使得度電成本居高不下，從而使小型風力發(fā)電系統(tǒng)難于推廣應用。小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的充電設(shè)備均有欠、過壓保護裝置，如果電壓波動不穩(wěn)，變化幅度較大，勢必會造成這些裝置頻頻動作，對這些保護裝置的壽命造成直接的影響。沒有考慮風能變化、負載變化以及蓄電池狀態(tài)相互之間的關(guān)系；小型風力發(fā)電系統(tǒng)由于成本的原因，發(fā)電機和蓄電池的保護措施比較簡單，這就導致系統(tǒng)的綜合可靠性和效率較差，往往達不到設(shè)計使用壽命[4]。 本課題的重點現(xiàn)有的小型風力發(fā)電系統(tǒng)存在能量轉(zhuǎn)換效率低、蓄電池使用壽命短、控制簡單和缺乏完整的系統(tǒng)功率控制等問題。因此提高對蓄電池的充電速度，減少充電損耗，正確地監(jiān)控蓄電池狀態(tài)，確保蓄電池的正確使用、延長蓄電池的使用壽命對小型風力發(fā)電有著重要意義。本文研究的目的是在分析現(xiàn)有的小型風力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計簡單、高效、高可靠性的風機控制器，實現(xiàn)風電系統(tǒng)可靠及優(yōu)化運行?？刂破魇怯梢恍╇娮釉骷M成，起一個“開關(guān)”的作用[5]。當風力發(fā)電機輸出的交流電經(jīng)過整流后，如果蓄電池電壓低于系統(tǒng)設(shè)定的電壓時，控制器使充電電路接通，風力發(fā)電機開始向蓄電池充電；當蓄電池電壓上升到保護電壓的時候充電控制開關(guān)電路截止，風力發(fā)電機停止向蓄電池充電，以免蓄電池過充影響壽命。 在實際運行中，控制器應具有以下主要功能：保證風機安全運行，在電氣特性和機械特性允許范圍內(nèi)運行；減少風速隨機變化對輸出電能的影響，使輸出電壓穩(wěn)定，減少紋波；合理調(diào)度系統(tǒng)電能，保證向負載提供連續(xù)電能；保護蓄電池，防止過充和過放，提供足夠充電能量進行快速充電[6]。綜上所述，研究可靠性更高、價格更廉的小型風力發(fā)電控制器，對于增強市場競爭能力，加速小型風力發(fā)電的普及和應用，節(jié)約能源和保護環(huán)境都具有重要意義。1．2 蓄電池的工作原理 鉛蓄電池的電化學特性蓄電池在風力發(fā)電系統(tǒng)中是作為儲能器件使用的。常見的蓄電池有鉛酸蓄電池和堿性蓄電池。本文采用鉛蓄電池，它是用鉛和二氧化鉛作為負極和正極的活性物質(zhì)，以27%～37%濃度的硫酸作為電解液的電池，即通常所說的鉛酸蓄電池。依據(jù)哥來德斯東和特利浦雙硫酸化理論：鉛酸電池釋放化學能的過程是負極進行氧化，正極進行還原的過程；電池補充化學能的過程則是負極進行還原，正極進行氧化的過程[7]。鉛蓄電池充電時，正極上的硫酸鉛氧化成二氧化鉛，負極上的硫酸鉛還原成金屬鉛；放電后正、負兩極都生成硫酸鉛(PbSO4)這種硫酸鹽。 放電反應和充電反應互為可逆反應。放電反應消耗電解液中的硫酸，生成水，結(jié)果是硫酸溶液的濃度下降。充電時極板中的硫酸鉛轉(zhuǎn)變成鉛和二氧化鉛，把硫酸根放回電解液，與水形成硫酸(H2SO4)，濃度又逐漸上升，最后達到一穩(wěn)定值。因此，可以用電池中硫酸溶液的密度來衡量電池充放電的程度。鉛蓄電池放電時，它的大部分化學能轉(zhuǎn)換成電能供給外電路，一小部分化學能轉(zhuǎn)換成熱能散失掉。同時活性物質(zhì)和電解液轉(zhuǎn)變成PbSO4+2H2O+PbSO4這個物質(zhì)體系。在放電過程中，蓄電池內(nèi)的電化學反應吸收熱量，內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量被電化學反應吸收，所以放電時蓄電池溫升較低。 充電時，蓄電池把外界傳輸給它的電能轉(zhuǎn)換成化學能儲蓄到Pb+2H2S04+S02這個物質(zhì)體系之中。這個物質(zhì)體系比PbSO4+2H20+PbSO4含有更多的化學能。因此，剛充足電的蓄電池電壓高，電解液濃，能量多。所以要特別注意和小心避免發(fā)生短路。在充電過程中，蓄電池內(nèi)的電化學反應釋放熱量；此外，充電電流流過蓄電池的內(nèi)阻時，也產(chǎn)生熱量，蓄電他的溫度因此升高[8]。蓄電池充電電流越大，溫升越高，就是這個緣故。充電時還伴隨著一個很難避免的副反應，就是電解水生成氫氣和氧氣。特別是充電后期，電壓升高了，電能主要消耗在電解水方面，而且對極板活性物質(zhì)很不利。因此在充電過程中要對蓄電池進行過充電保護。 蓄電池充電器的發(fā)展充電方式的選擇直接影響著電池的使用效率和使用壽命，充電技術(shù)近年來發(fā)展非常迅速。充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：限流限壓式充電器最原始的就是限壓式充電，然后過渡到限流限壓式充電，它使用的方式就是淺充淺壽命表述就是時間，沒有次數(shù)，比如10年[9]。這種充電模式的效果較差。恒流/限壓式充電器是充電器發(fā)展的第二階段，這種模式的充電器占據(jù)了充電器市場近半個世紀。首恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之換電壓就是第二階段的恒電壓。這種充電器充電電流總是低于電池的可接受能成充電效率低，大大降低了電池的壽命。自適應智能充電器隨著大規(guī)模集成IC的出現(xiàn)，充電設(shè)備進入了一個全新的自適應、智能階段，即稱代充電器。自適應充電器遵循各類電池的充、放電規(guī)律進行充、放電。并且具有溫度補償功能。充電系統(tǒng)由具有特殊功能的單片機控制，不斷檢測系統(tǒng)參數(shù)，按模糊法不斷調(diào)整充電參數(shù)，同一充電器可適應不同種類電池的充電，充電器自適應調(diào)的輸出電流，無需人工選擇，避免操作失誤[10]。2 系統(tǒng)總體設(shè)計 課題要求目前，小型風力發(fā)電機都采用蓄電池貯能，電器的用電都由蓄電池提供，蓄電池放電后能及時由風力發(fā)電機給以補充。由于風能的隨機性以及風速變化范圍比較大，給蓄電池充電帶來困難。本課題將初步設(shè)計一個風力發(fā)電系統(tǒng)中的控制器，實現(xiàn)蓄電池的充電控制。具體內(nèi)容和要求包括：對國內(nèi)外小型風力發(fā)電能量存儲研究現(xiàn)狀和常用的蓄電池充電方法有深入了解。完成控制蓄電池充電的硬件設(shè)計方案，包括硬件選型。建立起以單片機為主控制芯片的控制系統(tǒng)，帶有必要的保護功能。完成基本程序的編寫和調(diào)試，能滿足蓄電池在充電電流不超過Imax=（～）A，充電電壓不高于過充電壓的情況下，快速給蓄電池供電。所設(shè)計的系統(tǒng)應能實現(xiàn)基于單片機的蓄電池安全快速充電，并能帶有必要的顯示功能，使適用者及時了解蓄電池的充電情況。 采取的充電控制策略本文結(jié)合了一些普通充電器的充電策略，又根據(jù)風力發(fā)電的不穩(wěn)定性和蓄電池的充電特性做出了以下的充電策略： 充電過程分為三個階段：涓流充電階段、大電流充電階段和浮充電階段。通過采樣電路得到實時的蓄電池的充電電流和充電電壓數(shù)據(jù)，CPU根據(jù)A/D送來的數(shù)據(jù)判斷蓄電 的充電狀態(tài)，輸出相應的D/A數(shù)據(jù)，從而得到合適脈寬的PWM波，調(diào)節(jié)蓄電池的充電電流。在每個充電階段，如果充電電流大于了規(guī)定的電流值，CPU會調(diào)節(jié)D/A輸出，從而調(diào)節(jié)充電電流。另外，系統(tǒng)還包括鍵盤模塊，當使用者不滿意當前的充電電流時，可以用鍵盤設(shè)置D/A參數(shù)，調(diào)節(jié)電流。在本設(shè)計中，為了節(jié)省CPU的時間，鍵盤采用的是中斷掃描的方式。LED顯示模塊實時顯示充電電流、充電電壓和PWM輸出百分比。3 硬件電路部分 硬件原理圖的總體設(shè)計： 硬件結(jié)構(gòu)框圖 ，主控制器采用AT89C51微處理器為控制核心，輔助電源用于提供電路所需的多路電壓，A/D采樣電路完成電流和電壓的采樣，驅(qū)動電路驅(qū)動充電電路中的MOS管的通斷來調(diào)節(jié)充電電流，實時打開卸荷電路防止蓄電池過充。 風力機選型在本設(shè)計中選用的是HY400型風力機。風力渦輪機葉片由超高強度的工程塑料精密鑄造成型，風輪運轉(zhuǎn)平穩(wěn)而寧靜。該風輪的翼型經(jīng)氣動力學專家精心設(shè)計而成，具有極低的啟動及切入點，極高的風能利用效率并能依藉葉片自身的氣動力效應防止任何風況下飛車。發(fā)電機采用優(yōu)質(zhì)高強永磁材料，發(fā)電機體積小、重量輕而且發(fā)電效率高。電機專家獨特的電磁設(shè)計技術(shù)造就了該發(fā)電機具有及其微小的起動阻力矩，有效保證了HY系列在微風中便能啟動。該發(fā)電機的 發(fā)電效率、起動性能以及超速過載能力堪稱當今世界一流。整機全部采用優(yōu)質(zhì)鋁合金精密壓鑄部件與不銹鋼配件，整機重量極輕。廣泛適用于30℃～60℃氣溫、高濕度、風沙及鹽霧等多種環(huán)境，具有極高的可靠性。 HY型小型風力發(fā)電機造型優(yōu)美、安裝簡便[11]。產(chǎn)品名稱小型風力發(fā)電機 HY400起動風速（m/s） 額定風速(m/s)12 切入風速(m/s)3 額定電壓(DCV)24額定功率(W)400最大功率(W)450風葉直徑(m)風葉數(shù)量3超速保護葉片失速及電磁制動過載保護電磁制動或加卸荷器 蓄電池選型在這里選擇兩個150AH/12V的蓄電池。： 風力發(fā)電機技術(shù)指標 電池參數(shù)名稱 定義及計算公式取值V電池組電壓24VNC 單格電池數(shù)量 串聯(lián)電池個數(shù)2Crate電池組容量300AhIbuck最大充電電流 Ibuck=～50AItrickle涓流充電電流 Itrickle=6AIf浮充電流 If=7AVj涓流充電電壓Vbuck大電流充電電壓～Vfloat浮充充電電壓 蓄電池技術(shù)指標 控制面板設(shè)計正常充電反接ON OFFUWVOK+_UPDOWN電流(A)電壓(V)PWM(%) 控制面板示意圖按照課題要求?！癘N”、“OFF”鍵是控制器的總開關(guān)，按下“ON”蓄電池開始充電，按下“OFF”控制器停止工作?！俺潆姟睙袅帘硎撅L力發(fā)電機已經(jīng)接通可以給蓄電池充電了。“正?！睙袅帘硎拘铍姵剡B接正常?！胺唇印睙袅帘硎拘铍姵胤唇?。“U”、“V”、“W”幾個接線柱連接風力發(fā)電機?！?”、“” 接線柱接蓄電池的正負極。三個按鍵用來實現(xiàn)調(diào)節(jié)PWM輸出百分比的功能。七個LED分別顯示充電電流、充電電壓和PWM輸出百分比。 AT89C51單片機 AT89C51簡介單片機AT89C51是本系統(tǒng)的核心。單片機是把微機主要部分都集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。由于它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計的，故又叫單片控制器（Single Chip Microcontroller）。AT89C51是美國ATMEL公司最近生產(chǎn)的一種高性能、低功耗、帶4kFlash Memory的8位CMOS單片微型計算機芯片。Flash Memory又稱閃爍存貯器,它是EPROM和EEPROM技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物。其既具有EPROM一樣的可編程能力，又帶有EEPROM的電可擦除性能,而且還具有不揮發(fā)性、訪問速度快和密度高等特點。由于以上優(yōu)點使AT89C51可靠性高、實時性好、速度快、系統(tǒng)掉電后重要數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息不會丟失，并可方便的在線重復編程等[12