【正文】 rigorous analysis。 課題的目的和意義 風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)點(diǎn) 風(fēng)是人類(lèi)最熟悉的一種自然現(xiàn)象，風(fēng)無(wú)處不在。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。（3）人類(lèi)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(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境受到破壞和污染。是一種安全、可靠的能源。 風(fēng)力發(fā)電概述 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2022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。在1998 2022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(mǎn)足160萬(wàn)個(gè)中等家庭的日常用電需求。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。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)。 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。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。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。 圖22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(chēng) 為 安 裝 角 ） 。 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) 。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。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(mǎn)足用戶(hù)對(duì)輸出電壓的要求。 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(chē) 機(jī) 構(gòu) 、 塔 架 及 拉 索 等 ，① 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 。 ② 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 。 因 此 ， 在 風(fēng) 速 較 大 時(shí) ， 特 別 是 蓄 電 池 已 經(jīng) 充 滿(mǎn) 的 情 況 ， 應(yīng) 人 工 控 制 風(fēng)力 機(jī) 停 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。 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。圖24 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。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。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。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。但是要大范圍的應(yīng)用，還有很多技術(shù)難題待解決。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。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)。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。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。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。 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。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。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。%時(shí)，容量降低75%，失水達(dá)到25%時(shí)，容量基本消失。1)盡量使閥控式鉛酸蓄電池工作在15℃一35℃之內(nèi)。當(dāng)溫度升高時(shí)，要降低浮充電壓。電池必須存放在干燥涼爽的環(huán)境中。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。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。（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(mǎn)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。（3）脈沖控制器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。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。我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定風(fēng)速有 sm/ /8和 s/10三種，選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)。負(fù)載用電量的計(jì)算負(fù)載用電量可用公式 TPWll?? （31）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；蓄電池容量的計(jì)算蓄電池的容量可根據(jù)公式 Q= （32）式中： LW為負(fù)荷日消耗量， wh； bU為蓄電池組端電壓，v。1 電流限制點(diǎn)：120%（typ） 輸出電壓調(diào)整范圍：177。812位多通道ADC。12路電壓比較器。內(nèi)置溫度傳感器。35個(gè)通用16位定時(shí)器。I/O、RST、JTAG引腳均勻許5v電壓輸入。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 CIP51 內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS） 2. 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)。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。C8051F020 為 100 腳 。 CIP51 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。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。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。CIP51 有標(biāo)準(zhǔn)的 8051 程序和數(shù)據(jù)地址配置。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。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。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。 系統(tǒng)電路圖組成充電主電路其實(shí)是一個(gè)升降壓斬波電路圖33 充電主電路①、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34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。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。研究簡(jiǎn)單、高效、可靠、低價(jià)和使用方便的小型風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。所以本文利用蓄電池作為所有控制芯片的電能來(lái)源，因?yàn)樾铍姵厥遣⒙?lián)接在傳輸線上的，所以不可能利用簡(jiǎn)單的電阻分壓的方法獲得控制電源。本文是在我的導(dǎo)師陳愛(ài)國(guó)教授的悉心指導(dǎo)下完成的。最后，再次向所有給予我關(guān)心和幫助的老師、同學(xué)、朋友和家人表示感