【正文】 最后，再次向所有給予我關(guān)心和幫助的老師、同學、朋友和家人表示感謝。本文是在我的導師 陳愛國 教 授 的悉心指導下完成的。所以本文利用蓄電池作為所有控制芯片的電能來源，因為蓄電池是并聯(lián)接在傳輸線上的，所以不可能利用簡單的電阻分壓的方法獲得控制電源。研究簡單、高效、可靠、低價和使用方便的小型風電系統(tǒng)對于進一步的推廣與應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。 放電控制電路 對蓄電池充電 是一個復(fù)雜的過程，首先檢測風力發(fā)電機發(fā)出的電壓是否超出了額定電壓，如果超出了，則需要一個放電電路來消耗多余的電能，否則，會對蓄電池造成很大的損害。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 23 系統(tǒng)電路圖組成 充電主電路其實是一個升降壓斬波電路 圖 33 充電主電路 ①、風速是不可控的，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，所以需要對發(fā)電機發(fā)出的電壓進行檢測傳給單片機來控制，因為發(fā)電機發(fā)出的電壓超出了單片機所能承受的電壓，這里采用了分壓電路如圖 34所示， 1R 和 2R是分壓電阻， 1D 和 2D 為二極管這里起到保護作用，為了使進入單片機的電壓更加穩(wěn)定這里加入了電容 1C ，起到濾波作用。還有一個位于地址 0x10000 0x1007F 的 128 字節(jié)的扇區(qū)，該扇區(qū)可作為一個小的軟件常數(shù)表使用。 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。前 32 個字節(jié)為 4 個通用寄存器區(qū)，接下來的 16 字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。 CIP51 有標準的 8051 程序和數(shù)據(jù)地址配置。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。一個中斷驅(qū)動的系統(tǒng)需要較少的 MCU 干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率。下表列出了指令條數(shù)與執(zhí)行時所需的系統(tǒng)時鐘周期數(shù)的關(guān)系。 CIP51 采用流水線結(jié)構(gòu)，與標準的 8051 結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。 C8051F020 為 100 腳 。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、 單步及運行和停機命令。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 25MIPS） 2. 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 3. 真正 12 位 （ C8051F020）、 100 ksps 的 8 通道 ADC， 帶 PGA 和模擬多路開關(guān) 4. 真正 8 位 500 ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8 通道模擬多路開關(guān) 5. 兩個 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)存儲器接口 9. 硬件實現(xiàn)的 SPI、 SMBus/ I2C 和兩個 UART 串行接口 10. 5 個通用的 16 位定時器 11. 具有 5 個捕捉 /比較模塊的可編程計數(shù)器 /定時器陣列 12. 片內(nèi)看門狗定時器、 VDD 監(jiān)視器和溫 度傳感器 具有片內(nèi) VDD 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的 C8051F020 是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。 I/O、 RST、 JTAG引腳均勻許 5v電壓輸入。 35個通用 16位定時器。 內(nèi)置溫度傳感器。 12路電壓比較器。 812位多通道 ADC。1 電流限制點： 120%（ typ） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 18 輸出電壓調(diào)整范圍： 177。 負載用電量的計算 負載用電量可用公式 TPW ll ?? （ 31） 式中： lW 為負荷的用電量， kwh ； lP 為計算負荷， w； T 為負荷的平均利用小時數(shù)， h； 蓄電池容量的計算 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 16 蓄電池的容量可根據(jù)公式 Q = （ 32） 式中： LW 為負荷日消耗量， wh ； bU 為蓄電池組端電壓， v。我國小型風力發(fā)電機組的額定風速有 sm/5 、 sm/8 和 sm/10 三種，選擇風力發(fā)電機時。 本文使用的控制器主要的器件是單片機，通過對單片機的編程對蓄電池的充放電進行控制。 （ 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，對蓄電池進行脈沖充電。 （ 1）旁路控制器 旁路控制器的原理是控制器檢測電路監(jiān)控蓄電池端電壓，當達到標志著電池充滿的電壓閥值時，開關(guān)元件接通負載將蓄電池旁路，過充電流將開關(guān)元件轉(zhuǎn)移到耗能負載，將多于的功率變?yōu)闊崮?；當蓄電池端電壓下降到恢?fù)充電的電壓時，開關(guān)元件斷開 耗能負載，同時接通蓄電池的充電回路。 恒壓充電法在充電過程中充電電壓始終不變，充電電流自 動逐漸減少。 5)禁止不同容量和不同廠家的電池混用，否則會嚴重降低電池使用壽命。電池必須存放在干燥涼爽的環(huán)境中。當溫度升高時，要降低浮充電壓 。 1)盡量使閥控式鉛酸蓄電池工作在 15℃一 35℃之內(nèi)。當失水 %時，容量降低 75%，失水達到 25%時，容量基本消失。由于硫酸鉛本身是一種絕緣體，將會阻礙蓄電池內(nèi)部化學反應(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。 2)過度放電 蓄電池被過度放電是影響蓄電池使用壽命的另一重要因素。 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化學反應(yīng)產(chǎn)生的，不同溫度下的化學反應(yīng)速率是不一樣的。當內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 11 電池過充時，內(nèi)部壓力過大，這時候閥門會自動打開，排出氣體，防止電池內(nèi)部氣壓過大而產(chǎn)生膨脹或爆炸。閥控式鉛酸蓄電池是相對于傳統(tǒng)的開口式的鉛酸蓄電池來講的。負極板上的硫酸鉛（ 4pbso )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，電動勢逐漸增大。正、負極板與電解液之間的都存在著電位差，從整體看正極與負極的電位差有 也就是蓄電池的單體電壓。 蓄電池正負極板上的活性物質(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，負極板上鉛不斷解離為正二價的鉛離子（ ?2pb ）和電子，鉛離子融入電解液中，電子留在負極板上。但是要大范圍的應(yīng)用，還有很多技術(shù)難題待解決。這種控制性能正好被用在小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，通過控制發(fā)電機的輸出電流，改變風力發(fā)電機的負載特性，即調(diào)節(jié)了發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性，從而控制風力機轉(zhuǎn)速用來改變?nèi)~尖速比，這樣就控制了風能轉(zhuǎn)換效率和風力發(fā)電機的輸出功率。當開關(guān)管 Q導通時，二極管 D截止，發(fā)電機輸出電壓整流后通過能量傳遞電感向負載供電，同時使電感 能量增加；當開關(guān)管截止時，電感釋放能量使續(xù)流二極管 D導通，在此階段，電感 L把前一段的能量向負載釋放，使輸出電壓極性不變且比較平直。 DC/DC 變換器將直流電源能量傳送到負載并加以控制，得到另一個直流輸出電壓或電流。 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蓄電池充電的直流電能之外，另外一個重要的功能是在外界風速過小或者基本沒風的時候，風力發(fā)電 機的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導通方向只能是由風力發(fā)電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風力發(fā)電機的反向供電。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 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風力發(fā)電機輸出的三相交流電進行整流，整流后的直流 電經(jīng)過控制器再對蓄電池進行充電。由于用永久磁鋼 取代勵磁線圈勵磁，永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，加工及裝配比較容易。目前小型風力發(fā)電機主要是低速永磁發(fā)電機，這主要是因為小型風力發(fā)電機的風輪是直接禍合在發(fā)電機軸上，省去了升速機構(gòu)，故不用增速齒輪箱增速，這就要求發(fā)電機只有幾百轉(zhuǎn)每分，所以采用低速發(fā)電機。因此，在風速較大時，特別是蓄電池已經(jīng)充滿的情況，應(yīng)人工控制風力機停機。 ② 發(fā)電機 ：小型風力發(fā)電機一般采用的是永磁式交流發(fā)電機，由風輪驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生的交流電經(jīng)過整流后變成可以儲存在蓄電池中的直流電。 小型風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 小型風力發(fā)電機組的組成：小型風力發(fā)電機組一般由下列幾部分組成：風輪、發(fā)電機、調(diào)速和調(diào)向機構(gòu)、停車機構(gòu)、塔架及拉索等， 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 7 ① 風輪 ：小型風力機的風輪大多用 2－ 3 個葉片組成，它是把風能轉(zhuǎn)化為機械能的部件。系統(tǒng)采用輸出電壓隨風速變化的系統(tǒng)，在發(fā)電機和負載間設(shè)置儲能設(shè)備 (如蓄電池 )和整流、逆變設(shè)備來變換，以滿足用戶對輸出電壓的要求。主要有他勵、自勵和復(fù)勵幾種形式，小型直流發(fā)電系統(tǒng)大都用于 1KW以下的微、小型風力發(fā)電裝置，與蓄電池儲能配合使用。 按風力發(fā)電機的功率可分為大、中、小型風力發(fā)電機。 圖 22水平軸風力發(fā)電機 （ 1） 水平軸風力發(fā)電機 ：水平軸風力發(fā)電機的風輪圍繞一個水平軸旋轉(zhuǎn)，風輪軸與風向平行，風輪上的葉片式 徑向安裝的，與旋轉(zhuǎn)軸垂直，并與風輪的旋轉(zhuǎn)平面成一角度（稱為安裝角）。 第三章 講述了 小型風力供電系統(tǒng)電路的設(shè)計及各部分器件的選擇，以及部分計算。本論文討論的是前者，即獨立運行風電系統(tǒng)的解決方案。 風力發(fā)電的特點 風力發(fā)電有如下特點 （ 1）可再生，且清潔無污染。兩大風能地帶 —— 西北、華北、東 北和東南沿海為風能資源豐富區(qū) , 跨全國 21個省、市、自治區(qū)。風力發(fā)電的迅猛發(fā)展也使那些本地能源短缺的發(fā)展中國家收益 , 如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯達黎加等國是發(fā)展中國家風力發(fā)電的佼佼者。在 1998 2020年期間 , 美國風力發(fā)電的總裝機容量已經(jīng)超過 6740MW, 可以滿足 160萬個中等家庭的日常用電需求。 風力發(fā)電概述 國外風力發(fā)展 國際能源研究報告表明 , 如果各國采取有力措施 , 風力發(fā)電到 2020年可提供世界電力需求的 10%, 創(chuàng)造 170萬個就業(yè)機會 ,并在全球范圍內(nèi)減少 100多億噸二氧化碳廢氣。是一種安全、可靠的能源。 （ 3）人類在利用礦物燃料的過程中，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。盡管如此，風能資源具有如下優(yōu)越性： （ 1）邊遠地區(qū)由于遠離電網(wǎng)，同時這些地區(qū)的居民用電和所設(shè)置的微波中繼站、氣象臺、電視調(diào)頻差轉(zhuǎn)臺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 將電力輸送到邊遠地區(qū)耗資巨大顯然是不利的。 課題的目的和意義 風力發(fā)電的優(yōu)點 風是人類最熟悉的一種自然現(xiàn)象，風無處不在。 Health of the system mainly uses the microcontroller This paper focuses on the design of the control circuit, and a variety of wind conditions in the operational status of