小型家用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn) 機(jī)械制造專業(yè)

1、摘 要隨著環(huán)境問題和化石能源危機(jī)日益加劇，各國都在尋找新的可代替能源來解決能源危機(jī)和環(huán)境污染。風(fēng)能和太陽能一樣也是取之不盡的一種可再生能源，風(fēng)力發(fā)電成為現(xiàn)在人們利用風(fēng)能的一種主要形式，小型風(fēng)力發(fā)電構(gòu)成的家用分布式發(fā)電系統(tǒng)在未來更具有利用前景。因此對小型家用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究有很多實用性和價值。本文設(shè)計的家用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)選用單片機(jī)STC89C52為控制核心設(shè)計了系統(tǒng)電路，實現(xiàn)由蓄電池電能逆變?yōu)樾⌒图矣秒娖鲗嵱玫?4V50Hz的交流電。對風(fēng)力發(fā)電原理及逆變的必要性做了重點介紹，分析了設(shè)計的電路各個模塊工作原理，給出了系統(tǒng)的原理圖和軟件設(shè)計流程圖。設(shè)計的家用發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成低、實用性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)

2、電，單片機(jī)，蓄電池，逆變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 u

3、tilization. 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

4、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 o

5、f 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 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _T

6、oc4275712 1 緒論 PAGEREF _Toc4275712 h 1 HYPERLINK l _Toc4275713 1.1 課題研究背景 PAGEREF _Toc4275713 h 1 HYPERLINK l _Toc4275714 1.2 課題的目的和意義 PAGEREF _Toc4275714 h 1 HYPERLINK l _Toc4275715 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc4275715 h 2 HYPERLINK l _Toc4275716 1.4 主要研究的內(nèi)容 PAGEREF _Toc4275716 h 2 HYPERLINK l _Toc42757

7、17 2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計要求及原理分析 PAGEREF _Toc4275717 h 4 HYPERLINK l _Toc4275718 2.1 系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo) PAGEREF _Toc4275718 h 4 HYPERLINK l _Toc4275719 2.2 風(fēng)力發(fā)電原理 PAGEREF _Toc4275719 h 4 HYPERLINK l _Toc4275720 2.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成 PAGEREF _Toc4275720 h 4 HYPERLINK l _Toc4275721 2.4 逆變電路設(shè)計原理 PAGEREF _Toc4275721 h 5 HYPERLINK l

8、 _Toc4275722 2.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc4275722 h 6 HYPERLINK l _Toc4275723 3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變器方案與硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc4275723 h 7 HYPERLINK l _Toc4275724 3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 PAGEREF _Toc4275724 h 7 HYPERLINK l _Toc4275725 3.2 逆變器的設(shè)計 PAGEREF _Toc4275725 h 7 HYPERLINK l _Toc4275726 3.3 逆變控制單片機(jī)選擇 PAGEREF _Toc4275726 h 8

9、HYPERLINK l _Toc4275727 3.4 電源模塊 PAGEREF _Toc4275727 h 10 HYPERLINK l _Toc4275728 3.5 SPWM產(chǎn)生電路 PAGEREF _Toc4275728 h 10 HYPERLINK l _Toc4275729 3.6 MOSFET驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc4275729 h 11 HYPERLINK l _Toc4275730 3.7 本章小結(jié) PAGEREF _Toc4275730 h 11 HYPERLINK l _Toc4275731 4 逆變器仿真與調(diào)試分析 PAGEREF _Toc4275731 h

10、 12 HYPERLINK l _Toc4275732 4.1 仿真模型建立 PAGEREF _Toc4275732 h 12 HYPERLINK l _Toc4275733 4.2 仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc4275733 h 13 HYPERLINK l _Toc4275734 4.3 系統(tǒng)實驗測試分析 PAGEREF _Toc4275734 h 14 HYPERLINK l _Toc4275735 4.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc4275735 h 16 HYPERLINK l _Toc4275736 5 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc4275736 h 17

11、 HYPERLINK l _Toc4275737 致 謝 PAGEREF _Toc4275737 h 18 HYPERLINK l _Toc4275738 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc4275738 h 191 緒論1.1 課題研究背景 能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和提高人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“火車頭”，能源已成為制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動能源需求的持續(xù)增長，要求不斷開發(fā)新的能源。雖然，人類的技術(shù)進(jìn)步旨在提高能源的利用效率、減少能源的消耗，但現(xiàn)今的能源生產(chǎn)量依然滿足不了人類發(fā)展的需求。由于對能源的渴求，人們無節(jié)制地開采石油、煤炭、天然氣等這些埋在地層深處的維系人類生

12、存的“能源食糧”，不僅嚴(yán)重地污染了我們的生存空間，惡化了自然環(huán)境，而且?guī)砹烁膳碌膼汗荒茉纯萁?。傳統(tǒng)化石能源資源的誠少，引發(fā)的石油危機(jī)和石油總體價格的攀升，已在向世人警示能源安全問題,引起對能源安全的廣泛擔(dān)憂。現(xiàn)實告誡人們，要生存就必須尋求開發(fā)新能源。風(fēng)能和現(xiàn)在的太陽能、水能一樣也是清潔的可再生能源，水利發(fā)電已經(jīng)在大規(guī)模應(yīng)用，由于風(fēng)能和太陽能的特殊性，這幾年剛?cè)〉冒l(fā)展，但是應(yīng)用前景更加廣闊，特別是家庭用的小型分布式發(fā)電。相比較大型的水利發(fā)電和風(fēng)電場發(fā)電，小型的分布范圍廣，靈活性強(qiáng)，普遍得到社會的認(rèn)可。1.2 課題的目的和意義風(fēng)能的利用有著悠久的歷史。近年來，資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界

13、各國開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風(fēng)能資源。自80年代以來，風(fēng)能利用主要趨勢是在風(fēng)力發(fā)電。我國地域遼闊，廣大邊遠(yuǎn)山區(qū)、沿海島嶼和少數(shù)民族地區(qū)地廣人稀、交通不便，利用大電網(wǎng)的延伸解決供電問題非常困難，而這些地區(qū)風(fēng)力資源往往又比較豐富。充分利用這些地區(qū)的風(fēng)力資源來解決無電、缺電問題，對改善當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钏?，發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)具有深遠(yuǎn)的意義。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有機(jī)組投資小，使用靈活，非常適用于解決居住相對分散、風(fēng)力資源較好的無電地區(qū)居民的基本生活用電及部分小型生產(chǎn)用電問題。小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為農(nóng)村能源的組成部分，它的進(jìn)一 步推廣應(yīng)用，將會推動農(nóng)村能源的發(fā)展，對于改善用能結(jié)構(gòu)，特別是邊遠(yuǎn)山區(qū)等的生產(chǎn)

14、、生活用能，推動生態(tài)和環(huán)境建設(shè)諸領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，具有廣闊的市場前景。風(fēng)能具有隨機(jī)性和不確定性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)。簡化小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性及實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外：進(jìn)入21世紀(jì)，全球可再生能源也在不斷發(fā)展，而在可再生能源中風(fēng)能始終保持最快的增長態(tài)勢，并成為繼石油燃料、化工燃料之后的核心能源，目前世界風(fēng)能發(fā)電廠以每年32%的增長速度在發(fā)展，2008 年初，全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量達(dá)5000萬MW。由此可見，風(fēng)電正在以超出預(yù)期的發(fā)展速度不斷增長。國內(nèi)：我國幅員遼闊，陸疆總長達(dá)2萬多公里，還有18000多公里

15、的海岸線，邊緣海中有島嶼5000多個,，風(fēng)能資源豐富。我國現(xiàn)有風(fēng)電場場址的年平均風(fēng)速均達(dá)到6米/秒以上。一般認(rèn)為，可將風(fēng)電場風(fēng)況分為3類:年平均風(fēng)速6米/秒以上時為較好; 7米/秒以上為好; 8米/秒以上為很好?？砂达L(fēng)速頻率曲線和機(jī)組功率曲線，估算國際標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下該機(jī)組的年發(fā)電量。我國相當(dāng)于6米/秒以上的地區(qū)，在全國范圍內(nèi)僅僅限于較少數(shù)幾個地帶。由于發(fā)展時間尚短，我國風(fēng)力發(fā)電存在一些不足。目前，我國尚未建立風(fēng)資源數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)有的全國風(fēng)資源分布圖很粗，無法滿足現(xiàn)在風(fēng)電場選址的要求，迫切需要進(jìn)一步細(xì)化。我國對風(fēng)資源的測量和分析方法不夠完善，尤其是對復(fù)雜地形，在選擇測風(fēng)點和風(fēng)資源分析方面缺少先進(jìn)的技

16、術(shù)和經(jīng)驗。風(fēng)電場優(yōu)化設(shè)計方面技術(shù)比較落后，缺乏先進(jìn)的工具和系統(tǒng)的方法。我國風(fēng)電場的運行和維護(hù)水平與國外風(fēng)電場及國內(nèi)火電生產(chǎn)和運行相比，也有明顯的差距。1.4 主要研究的內(nèi)容為了大力發(fā)展新能源發(fā)電，本文設(shè)計的小型家用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)在國家分布式能源的發(fā)展要求，設(shè)計了的系統(tǒng)能夠?qū)L(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，并利用蓄電池存儲。并通過設(shè)計的逆變器為家庭各個電器提供電源。第一章首先講述了本課題研究的背景及意義，分析了國內(nèi)外當(dāng)前的研究狀況，對本文的主要研究內(nèi)容做了綱領(lǐng)性的介紹和分析。第二章是主要從系統(tǒng)設(shè)計需要的理論濟(jì)寧分析，結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)對風(fēng)力發(fā)電的原理進(jìn)行了重點分析，給出了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成框圖，詳細(xì)

17、分析了逆變電路的原理。第三章主要對系統(tǒng)的逆變器和硬件電路進(jìn)行了設(shè)計，包塊單片機(jī)模塊的選擇和模塊介紹，最小系統(tǒng)電路的搭建。對系統(tǒng)供電的電源模塊、SPWM產(chǎn)生電路和開關(guān)器件的驅(qū)動電路進(jìn)行了設(shè)計和分析，達(dá)到了系統(tǒng)的硬件需求。第四章主要是給出了小型家用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)重要的逆變器進(jìn)行仿真實驗，建立了仿真模型，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，與實驗調(diào)試進(jìn)行結(jié)合，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)要求。2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計要求及原理分析2.1 系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)實現(xiàn)了將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，并利用蓄電池存儲。設(shè)計一風(fēng)力發(fā)電機(jī)，完成電機(jī)、扇葉、動力系統(tǒng)等設(shè)計。利用蓄電池作為逆變器電源，將蓄電池電壓轉(zhuǎn)變成家用交流24V電源，為家

18、庭各個電器提供電源。達(dá)到以下目標(biāo)：過風(fēng)力發(fā)電機(jī)實現(xiàn)了將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，并利用蓄電池存儲。利用蓄電池作為逆變器電源，將蓄電池電壓轉(zhuǎn)變成家用交流24V電源。設(shè)計一逆變電路將蓄電池電壓轉(zhuǎn)換成交流正弦50Hz/24V電源，為家電提供電源，逆變器功率不低于100W。2.2 風(fēng)力發(fā)電原理風(fēng)力發(fā)電就是利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，又風(fēng)吹動風(fēng)力機(jī)帶動變速箱，這樣發(fā)電機(jī)就被快速帶動轉(zhuǎn)起來，風(fēng)力發(fā)電機(jī)把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的工作過程如圖2.1所示。空氣流動造成一定氣壓差形成風(fēng)力作用在風(fēng)機(jī)的葉片上，帶動變速箱中的齒輪傳動裝置旋轉(zhuǎn)起來，與齒輪結(jié)構(gòu)連接的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)扭力的作用下旋轉(zhuǎn)，切

19、割磁感線，最終把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。圖2.1 風(fēng)力發(fā)電能量轉(zhuǎn)化圖2.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成在該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主要由風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、變流器、儲能裝置（蓄電池組）、逆變器和控制系統(tǒng)組成。液晶顯示部分，溫濕度測量部分、控制執(zhí)行以及電源供電部分等幾個模塊組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成框圖如圖2.2所示。圖2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖 在圖中的幾個主要的模塊中，儲能蓄電池組在風(fēng)力發(fā)電的推廣應(yīng)用中是關(guān)鍵的組成部分。因為風(fēng)力發(fā)電太陽能發(fā)電一樣都是隨機(jī)性比較強(qiáng)，風(fēng)速的變化難以預(yù)測，波動性很大，就會造發(fā)出的電壓有很大的波動，這樣的波動會對用電器造成很大的損害，所以就需要給風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配上一定容量的電池組，作為發(fā)電系統(tǒng)的

20、儲能部分，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)的電充到儲能設(shè)備中，再逆變裝置把蓄電池中的電能逆變?yōu)樾枰慕涣麟娙樨?fù)載供電，保證了供電的電能的質(zhì)量，保證了用電設(shè)備的安全，所以逆變是設(shè)計中的重要部分，用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電逆變器主要是接受來自蓄電池組的直流電能，將其轉(zhuǎn)化為滿足接入負(fù)載工作要求的工頻正弦波電流，為當(dāng)?shù)刎?fù)載用電器供電。2.4 逆變電路設(shè)計原理全橋逆變電路可以認(rèn)為是由2個半橋逆變電路組成的，在單相電壓型逆變電路中是應(yīng)用最多的電路，主要用于大容量場合。在相同的直流輸入電壓下，全橋逆變電路的最大輸出電壓是半橋式逆變電路的2倍。這意味著輸出功率相同時，全橋逆變器的輸出電流和通過開關(guān)元件的電流均為半橋式逆變電路的

21、一半。單相全橋逆變器啟動的先決條件是直流側(cè)濾波電容預(yù)先充電到接近電網(wǎng)電壓的峰值，而欲使電感電流能按照給定的波形和相位得到控制，必須保證在運行過程中，直流側(cè)電壓不低于負(fù)載需求電壓的峰值，否則，續(xù)流二極管將以傳統(tǒng)的整流方式運行，電感電流不完全可控。其電路圖如2.3所示。圖2.3 逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖單相全橋逆變器中LO為交流輸出電感，Cdc為直流側(cè)支撐電容，也即前級Boost電路的輸出電容，Q2-Q5是主開關(guān)管IGBT，對四個開關(guān)管進(jìn)行SPWM控制，就可以調(diào)節(jié)輸出電流iO為正弦波，并且與電網(wǎng)電壓Ug保持同頻同相，達(dá)到輸出功率因數(shù)為1的目的。2.5 本章小結(jié)本章首先介紹了風(fēng)力發(fā)電的原理，從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

22、對系統(tǒng)的重要組成部分進(jìn)行了劃分，重點分析了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成和工作過程，并給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理框圖，介紹了儲能裝置在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的必要性，對由蓄電池為家用電器提供電能，需要逆變?yōu)榻涣麟姷哪孀冊碜隽嗽敿?xì)分析。3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變器方案與硬件設(shè)計3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體方案設(shè)計本設(shè)計決定采用無變壓器的兩級結(jié)構(gòu)，儲能裝置通過 DC/AC逆變器直接與負(fù)載相連。在本系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的整體效率， DC/AC逆變器采用單相逆變?nèi)珮?，作用是將蓄電池直流電轉(zhuǎn)換成24V/50Hz正弦交流電，實現(xiàn)向負(fù)載輸送功率。DC-Bus的作用除了連接DC/DC變換器和DC/AC逆變器，還實現(xiàn)了功率的傳遞。系統(tǒng)主電路

23、拓?fù)淙鐖D3.1所示。圖3.1系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D3.2 逆變器的設(shè)計DC-AC部分，采用單相全橋逆變電路，將蓄電池輸出的48V直流電轉(zhuǎn)換成24V/50Hz正弦交流電，完成逆變向負(fù)載用電器輸送功率。風(fēng)力發(fā)電逆變器實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電家用的普及，滿足了家用電器正常工作必須滿足要求：輸出電壓與設(shè)計要求的輸出電流電壓的一致，而且其輸出還應(yīng)滿足家用對電能質(zhì)量要求，這些都依賴于逆變器的有效的設(shè)計。逆變按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方法。本文所設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電家用小型逆變器就是采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式。逆變器的輸出采用電流控制時，其控制方式有很多種類型

24、，較為常見的電流控制方式是電流滯環(huán)比較方式、平均值電流控制法、正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)。本文設(shè)計中采用的改進(jìn)型SPWM并網(wǎng)逆變電流跟蹤方式。是電流給定信號，是實際的并網(wǎng)電流，是PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，是逆變環(huán)節(jié)，是濾波環(huán)節(jié)，是電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)。其控制框圖如圖3.2所示。圖3.2 改進(jìn)型SPWM并網(wǎng)逆變電流控制框圖PI控制器傳遞函數(shù)為，逆變器傳遞函數(shù)為,濾波器傳遞函數(shù)為。在并網(wǎng)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓可視為擾動信號，則并網(wǎng)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：。若不考慮采用電網(wǎng)電壓的前饋補償，則電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流的影響可以用下式表示：,若考慮電網(wǎng)電壓的前饋補償，則電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流的影響可以用下式表示：，其中是電網(wǎng)電壓前饋補償后的開環(huán)

25、傳遞函數(shù)。若令。由此可以看出：通過電網(wǎng)電壓的前饋控制，可以使得電網(wǎng)電壓對輸出電流的影響為零，從而在理論上達(dá)到了全補償?shù)囊?。簡單的說就是在系統(tǒng)中加入電壓前饋補償可以減少電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流的影響。3.3 逆變控制單片機(jī)選擇風(fēng)力發(fā)電逆變器系統(tǒng)主控器件選用STC89C52RC單片機(jī)，同時輸出控制信號驅(qū)動強(qiáng)電控制與驅(qū)動電路工作。一個設(shè)計主控芯片不是說一定要選擇好的芯片，而是要選擇最合適的主控芯片。如果選擇的芯片太差會影響系統(tǒng)的正常工作，如果選擇的太好又會造成浪費，本設(shè)計中主控芯片主要有如下兩種選擇方案。(1) 該方案中使用最簡單的51單片機(jī)，51單片機(jī)是大學(xué)中接觸最多的單片機(jī)，也是使用最多的單片機(jī)，同

26、時這種單片機(jī)的各種資料也比較齊全。考慮到本設(shè)計中主要要使用單片機(jī)的串行口與溫濕度模塊通信，然后控制液晶屏進(jìn)行顯示，這對單片機(jī)的要求并不是特別高，51單片機(jī)完全可以滿足要求。所以本設(shè)計選擇方案一。(2) 該方案可以選擇用PIC單片機(jī)，PIC單片機(jī)采用精簡指令集，使用哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，具有指令集簡潔，簡單易學(xué)，速度快功能強(qiáng)，功耗低等一系列優(yōu)點。但是考慮到本設(shè)計51可以滿足要求，而且個人之前并未深入了解該單片機(jī)，所以并未采用該方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16 位

27、定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。單片機(jī)作為該系統(tǒng)的核心控制部分，其工作的穩(wěn)定性將直接決定該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本設(shè)計使用的是STC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)負(fù)責(zé)作為逆變電路的主要控制部分。其單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖3.4

28、所示。最小系統(tǒng)中主要包括時鐘電路和復(fù)位電路兩部分。圖3.4 STC89C52引腳圖3.4 電源模塊供電部分能否提供穩(wěn)定的供電電壓直接決定系統(tǒng)能否正常工作。單片機(jī)和其他器件要求有穩(wěn)定的工作電壓才能正常工作。本設(shè)計的電源模塊主要是將12V電壓通過7805穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓輸出5V供系統(tǒng)使用。其電路原理圖如圖3.5所示。在圖中12V電壓經(jīng)過電容濾波輸入到7805的輸入端，7805的輸出電壓經(jīng)過濾波可已得到穩(wěn)定的5V電壓。圖3.5電源電路圖3.5 SPWM產(chǎn)生電路 設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的逆變器需要有控制信號對其進(jìn)行控制，設(shè)計采用的是SPWM進(jìn)行控制，是學(xué)習(xí)電力電子時學(xué)習(xí)的一種控制方法，就需要設(shè)計一個能夠產(chǎn)生S

29、PWM波的電路，能夠調(diào)整PWM博得占空比，來控制系統(tǒng)電池和逆變器輸出的電流，為用電器提供合理的工作電壓和電流，由于單片機(jī)能夠輸出PWM，所以在設(shè)計的時候就利用軟件去實現(xiàn)，利用單片機(jī)的定時器產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)的PWM波。在調(diào)節(jié)的模式下，單片機(jī)的OCR1A能夠允許輸出的PWM波正好與OCR1B輸出的PWM波在相位上相反，正好保證了SPWM波的控制。3.6 MOSFET驅(qū)動電路 在設(shè)計逆變器中國使用了很多的MOSFET，這些功率管相互配合才能夠完成逆變，但是MOSFET正常工作的條件是需要有驅(qū)動電源。所以就需要設(shè)計驅(qū)動電路去實現(xiàn)對功率管的驅(qū)動，單片機(jī)能夠為MOSFET的柵極提供控制信號，當(dāng)單片機(jī)的引腳輸出

30、高電平時，如圖中的三極管Z1導(dǎo)通，MOSFET的柵極驅(qū)動信號就會由于三極管的導(dǎo)通而變成低電平，功率管從導(dǎo)通狀態(tài)變成截止?fàn)顟B(tài)，使用MOSFET 的時候必須注意工作電壓不能超過20V，所以在圖中設(shè)計了另個分壓電阻，R13和R14，兩者分壓后產(chǎn)生的分壓去驅(qū)動功率管，可以保證正常工作，不會因為電壓高而被燒毀，整個驅(qū)動電路的設(shè)計如圖3.6所示。圖3.6功率器件的驅(qū)動電路3.7 本章小結(jié)本章首先介紹了風(fēng)發(fā)電力系統(tǒng)設(shè)計的總體方案，對逆變器的電路選擇做了詳細(xì)的分析，結(jié)合實際的設(shè)計需求和家用電器的功率需求對逆變器進(jìn)行了方案設(shè)計。設(shè)計的硬件平臺從經(jīng)濟(jì)性上考慮選擇STC852單片機(jī)，并對其他硬件模塊進(jìn)行了設(shè)計。4

31、逆變器仿真與調(diào)試分析4.1 仿真模型建立MATLAB作為一款綜合的數(shù)學(xué)計算軟件，具有數(shù)值計算、符號計算、數(shù)據(jù)分析和可視化、文字處理、Simulink動態(tài)仿真等多方面的功能。Simulink是MATLAB的進(jìn)一步擴(kuò)展，是一個對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，并且在動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真方面得到廣泛的應(yīng)用。整個仿真平臺都是基于模型化圖形組態(tài)的動態(tài)系仿真軟件，實現(xiàn)了可視化的動態(tài)仿真，操作界面做的比較簡潔直觀，能夠讓研究人員清晰的獲取自己的結(jié)果，從而進(jìn)行分析，Simulink中的SimPowerSystems是在整個系統(tǒng)中有著重要的地位，特別是在電力系統(tǒng)的仿真中，對研究人員的研究提供了可靠的仿真工具

32、，而且與其他工具相比具有很大的優(yōu)勢，特別是直觀的模擬信號的圖形顯示。它主要包括六個子模塊庫：這些模塊能夠在仿真時直接調(diào)用，修改參數(shù)就可以保證，系統(tǒng)的完整功能電源模塊、基本件模塊庫、電力電子模塊庫、電機(jī)模塊庫、測量模塊庫和附加電氣系統(tǒng)模塊。其是專門針對電力系統(tǒng)而設(shè)計的仿真軟件模塊，它的元件模型比較多，功能比較全面，目前許多電力系統(tǒng)的研究工作用它做仿真分析。為了對并網(wǎng)逆變系統(tǒng)重要觀測點的電壓和電流有直觀的認(rèn)識，本章采用的是MATLAB2010b中的Simulink對逆變器部分進(jìn)行補償仿真，建立了電壓型輸入電流型輸出的單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)在閉環(huán)控制狀態(tài)下的Simulink仿真模型如圖4.1所示。圖4.1

33、風(fēng)力發(fā)電逆變系統(tǒng)仿真模型其中仿真參數(shù)：直流電壓DC為48V，用電器電壓為24V50Hz，濾波器參數(shù)為 。4.2 仿真結(jié)果分析電壓型輸入電流型輸出的單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制仿真結(jié)果如圖4.2-圖4.3所示。圖4.2 逆變器SPWM波圖4.3 逆變器端的電流與電壓波形從仿真波形上可以看出逆變后的電流電壓滿足設(shè)計指標(biāo)要求，總的功率能夠保證大于100W，能夠為用電器提供充足的能量和功率需求。4.3 系統(tǒng)實驗測試分析首先將單片機(jī)按照相應(yīng)的電壓電流進(jìn)行通電。嚴(yán)格按照電壓電流標(biāo)準(zhǔn)操作，并且在操作前去靜電，否則芯片被擊穿不能正常工作，需要確認(rèn)單片機(jī)能正常工作。測試平臺如圖4.2所示。圖4.4 實驗測試圖4.5 本

34、章小結(jié)本章對系統(tǒng)的逆變器建立了模型，并在仿真軟件上進(jìn)行了仿真驗證，設(shè)計的方案能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)，并通過實驗進(jìn)行了測試分析。5 總結(jié)與展望本文闡述了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究背景、意義，研究了家用小型風(fēng)力風(fēng)電系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，主要介紹逆變器的設(shè)計，設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目標(biāo)，穩(wěn)定的接收風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，并存儲到蓄電池中，由設(shè)計的逆變器進(jìn)行逆變，為家用電器供電。獲得比較完好的設(shè)計方案，設(shè)計的逆變器樣機(jī)能夠在實驗室進(jìn)行測試。由于學(xué)識水平、實踐經(jīng)驗的限制，本文僅對風(fēng)力發(fā)電逆變器系統(tǒng)進(jìn)行了最初步的探索。后面將繼續(xù)研究風(fēng)力發(fā)電后的并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流控制，以尋求更好的控制策略進(jìn)行改善其并網(wǎng)運行的性能。初步了解一些

35、先進(jìn)的控制方法，來跟蹤周期性參考指令信號，減小輸出電壓諧波，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，孤島效應(yīng)也是一個不容忽視的問題，以后要進(jìn)行深入研究。參考文獻(xiàn)1 李康. 小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電變流器控制系統(tǒng)探究J. 山東工業(yè)技術(shù), 2017(1):196-197.2 王玲芝. 小型風(fēng)電系統(tǒng)充放電控制器的設(shè)計J. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2017(5):71-74.3 玄兆燕, 馬振宇, 景會成,等. 小型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制策略的研究J. 電力電子技術(shù), 2018(1).4 Chun G, Ganeshkumar P, Ahmed A, et al. Design of MPPT controll

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