風(fēng)光互補綜合發(fā)電控制系統(tǒng)

畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：風(fēng)光互補綜合發(fā)電控制系統(tǒng)所屬院（系）：電子信息工程學(xué)院2012年6月14日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院（直屬系）：電子信息工程學(xué)院時間：2012年4月17日學(xué)生姓名指導(dǎo)教師設(shè)計（論文）題目風(fēng)光互補綜合發(fā)電控制系統(tǒng)主要研究內(nèi)容充分利用風(fēng)能和太陽能兩種自然能源互補發(fā)電，包括風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、風(fēng)能和太陽能綜合發(fā)電、整流和逆變系統(tǒng)、升壓和降壓斬波控制器、蓄電池的儲電系統(tǒng)、風(fēng)能太陽能及蓄電池的的電壓檢測裝置以及綜合控制器。研究方法理論研究法主要技術(shù)指標(biāo)(或研究目標(biāo))通過太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電，再經(jīng)過升壓或降壓斬波控制及逆變和整流系統(tǒng)對蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)蓄電池充滿電時，控制器要控制蓄電池不被過充電。還要根據(jù)日照強度和風(fēng)力的大小，實現(xiàn)對風(fēng)和太陽能發(fā)電的調(diào)節(jié)和切換。教研室意見教研室主任（專業(yè)負(fù)責(zé)人）簽字：年月日目錄目錄 I摘要 III第一章緒論 1可再生能源的利用現(xiàn)狀及發(fā)展 1風(fēng)光互補系統(tǒng)的提出 2風(fēng)光互補控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3風(fēng)光互補系統(tǒng)的應(yīng)用前景 3第二章風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 72.1風(fēng)光互補總體設(shè)計方案 7風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的運行特點 8第三章風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的各部分的研究 103.1風(fēng)力發(fā)電機 10風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)組成 10風(fēng)力發(fā)電機的原理 12太陽能光伏電池的工作原理和特性 13太陽能光伏電池的基本原理 13光伏陣列的工作特性 14升壓/降壓斬波電路 15升壓斬波電路 15降壓斬波電路 16蓄電池 17控制器 18控制器的選擇 18控制器的系統(tǒng)流程圖 19電流/電壓傳感器 20整流電路 20三相橋式全控整流電路的原理 213.72三相橋式全控整流電路在觸發(fā)角=0時的一些特點 21開關(guān)管MOSFET的電路特性 223.9IGBT驅(qū)動電路 22第四章plc的介紹及控制器的設(shè)計 244.1PLC的分類 244.2PLC的優(yōu)點 25西門子S7-200PLC硬件介紹 264.4S7-200PLC的接口模塊 284.41數(shù)字量模塊 284.42數(shù)字量輸出模塊 294.43模擬量輸入模塊 314.44模擬量輸出模塊 31模擬量輸入輸出模塊（EM235） 314.5PLC控制器編程的介紹 31控制器的設(shè)計 32第五章風(fēng)光互補綜合發(fā)電系統(tǒng)的總體原理圖 365.1風(fēng)光互補綜合發(fā)電系統(tǒng)的原理圖如下圖所示 365.2總結(jié) 36參考文獻(xiàn) 37致謝 38摘要可再生能源的綜合利用對我國社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)起著重要的作用。利用可再生能源組成獨立供電系統(tǒng)，對解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題具有重要意義。太陽能和風(fēng)能是目前可再生能源中使用最廣泛的兩種能源。太陽能和風(fēng)能在資源和技術(shù)方面都有著很好的互補性，實踐證明風(fēng)光綜合供電系統(tǒng)是一種比較經(jīng)濟(jì)的發(fā)電系統(tǒng)，所以對風(fēng)光綜合發(fā)電系統(tǒng)的研究是非常必要的。以可再生能源的綜合利用為指導(dǎo)思想，結(jié)合風(fēng)能、太陽能特點，從風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上認(rèn)真分析了系統(tǒng)在整個運行過程中能量產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和儲備等各個環(huán)節(jié)的工作方式，歸納并提出了切實可行的運行控制策略，設(shè)計開發(fā)了風(fēng)光互補發(fā)電控制系統(tǒng)。本文對風(fēng)力發(fā)電機、蓄電池、太陽能光伏發(fā)電和控制器設(shè)備做出了理論分析，介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機光伏陣列綜合控制器蓄電池Abstract：Thecomprehensiveutilizationofrenewableenergyhasanimportantroletosustainabledevelopmentandenvironmentalprotectionofourcountry.Usingrenewableenergytocompriseindependentpowersupplysystemhasvitalsignificancetosolvepowersupplyproblemoftheremotedistricts.Thesolarandwindenergycanbeusedwidespreadinthepresentrenewableenergy．Theyhavegoodcomplementarityintheresourceandtechnicalaspects，thepracticeprovedthatwind／solarhybridgenerationsystemisakindofextremelyeconomicalgenerationsystem，Soitisessentialtostudythewind／solarhybridgenerationsystem．Inthispaper,windgenerators，batteries，so1arenergyandmadeatheoreticalanalysisofcontrolequipment,introducedthesystem’soveralldesign.Keywords：windgeneratorsphotovoltaicarraycontrollerbattery第一章緒論人類社會的發(fā)展離不開能源的利用。在21世紀(jì)的今天，隨著社會科技和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源問題作為困擾人類長期穩(wěn)定發(fā)展的因素擺在了人們面前，而且越來越迫切，如何解決能源問題，是每個國家都必須面臨的問題，隨著不可再生能源如煤、石油、天然氣的不斷增加的大量消耗，不僅使人類面臨資源枯竭的壓力，同時也嚴(yán)重威脅著人類的生存環(huán)境，可再生能源的開發(fā)利用也就越來越顯得重要。隨著可再生能源的開發(fā)利用，太陽能和風(fēng)能已經(jīng)逐漸走入了人類的生活，并且將發(fā)揮越來越重要的作用。可再生能源的利用現(xiàn)狀及發(fā)展可再生能源主要指太陽能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等自然能源。其特點是資源豐富，可再生，可供人類持續(xù)利用，不存在資源枯竭的問題。據(jù)有關(guān)專家測算，僅太陽能，風(fēng)能、水能和生物質(zhì)能在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)水平下，全球一年因此獲得的資源量即達(dá)1033億(標(biāo)準(zhǔn)煤，下同)，大約是2000年全世界一次能源消費量(143億)的7．2倍，比2020年需求量(203億)還要多4倍，預(yù)測到2050年左右，可再生能源發(fā)電將達(dá)到世界總發(fā)電量的30%至40％左右，成為人類的基礎(chǔ)能源之一?？稍偕茉吹睦脝栴}，在1992年“世界環(huán)境與發(fā)展大會"以后，受社會可持續(xù)發(fā)展要求的推動，進(jìn)一步被提到了人類發(fā)展戰(zhàn)略的高度，受到了各個國家的高度重視。我國政府就環(huán)境與發(fā)展問題提出了一系列對策措施，其中明確要求“因地制宜地開發(fā)和推廣太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能、生物質(zhì)能等新能源”，并在中國21世紀(jì)發(fā)展議程中強調(diào)了發(fā)展可再生能源對我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的重要作用。例如，為了給邊遠(yuǎn)無電地區(qū)的人民送去光明，我國發(fā)展計劃委員會牽頭制定了“中國光明工程"計劃。計劃到2010年，利用風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)解決2300萬邊遠(yuǎn)地區(qū)人口的用電問題，使他們達(dá)到人均擁有發(fā)電容量100瓦的水平，相當(dāng)于屆時全國人均擁有發(fā)電容量三分之一的水平。同時還將解決地處邊遠(yuǎn)地區(qū)的邊防哨所、微波通訊站、公路道班、輸油管線維護(hù)站、鐵路信號站的基本供電問題。作為可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，可再生能源的綜合利用對促進(jìn)我國可再生能源的開發(fā)利用及廣大邊遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著積極的作用。風(fēng)光互補系統(tǒng)的提出風(fēng)能和太陽能作為可利用的自然可再生能源，二者在轉(zhuǎn)換過程中都受季節(jié)、地理和天氣等多種因素的制約。但是，二者的變化趨勢基本相反，揚其兩者各自之長，補其各自之短，相互配合利用，因地制宜，能發(fā)揮出各自最大的作用。在以電能為主要的能源消耗方式的當(dāng)今社會，人們對電的依賴越來越強。特別是在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)，獨立供電系統(tǒng)成為人們最需要的動力源。結(jié)合風(fēng)能、太陽能的特點，綜合利用風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)而建立的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)無疑是解決這一重大問題的最佳方案。我國是世界上風(fēng)能和太陽能最豐富的地區(qū)之一，特別是西部地區(qū)年日照時間達(dá)3000小時以上。太陽能分布最豐富的是青藏高原地區(qū)，可與地球上最好的印巴地區(qū)相媲美。全國三分之二以上地區(qū)的年日照大于2000小時，年均輻射量約為5900M／m。青藏高原、內(nèi)蒙古、寧夏、新疆等地區(qū)光照資源尤為豐富。我國風(fēng)能資源的數(shù)量也非常巨大，但風(fēng)能資源的分布卻十分不均。世界上各個機構(gòu)和國家對地球上風(fēng)能資源的估計也各不相同。根據(jù)我國氣象部門歷年氣象資料的統(tǒng)計及近年來進(jìn)一步的勘測，我國可開發(fā)的風(fēng)能資源達(dá)2．56億千瓦。因此合理的開發(fā)利用各種可再生資源具有十分重要的意義。首先，合理利用各種可再生資源，以當(dāng)?shù)氐母鞣N可再生資源為基礎(chǔ)，有利于各地可再生資源因地制宜的開發(fā)。一般來說，由于西北地區(qū)的風(fēng)力資源豐富、光照時間長，采用風(fēng)能和太陽能混合發(fā)電能充分解決部分偏遠(yuǎn)地區(qū)用電的問題。其次，綜合利用各種可再生能源，利用時間差，實現(xiàn)多能互補，提高可再生資源的利用率。在可利用的可再生資源中，都或多或少的存在一定的時間變化性和隨機性，有的可能在一天之內(nèi)中不能連續(xù)使用，有的則可能在一個季度或一年中不能均衡地提供所需能量。風(fēng)光互補發(fā)電與單獨的風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電相比較，有以下優(yōu)點：1)利用風(fēng)能、太陽能的互補特性，可以獲得比較穩(wěn)定的總電能輸出，系統(tǒng)有較高的供電穩(wěn)定性和可靠性；2)對混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計和匹配，可以基本上由風(fēng)光互補系統(tǒng)供電或基本不用啟動備用電源如柴油發(fā)電機等，并可獲得較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)光互補控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢世界各國都在積極地研發(fā)風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)。目前，盡管世界各國的風(fēng)光互補發(fā)電總量還不到總耗電量的百分之二，但隨著全球風(fēng)力發(fā)電裝機容量的快速發(fā)展、太陽能電池技術(shù)的成熟和完善以及計算機控制器系統(tǒng)的日益成熟，在今后20年，風(fēng)光互補發(fā)電必將成為各國更加重視和重點開發(fā)的能源之一。在眾多的可再生能源中，光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電是最有發(fā)展前景的兩種能源技術(shù)。這是基于太陽能和風(fēng)能的五個優(yōu)點：(1)取之不盡，用之不竭；(2)就地取材，不需運輸：(3)分布廣泛，分散使用；(4)不污染環(huán)境，不破壞生態(tài)：(5)周而復(fù)始，可以再生。太剛能是地球上一切能源的來源，太陽照射著地球的每一片土地。風(fēng)能是太陽能在地球表面的另外一種表現(xiàn)形式，由于地球表面的不同形態(tài)(如沙土地面、植被地面和水面)對太陽光照的吸熱系數(shù)不同，在地球表面形成溫差，地表空氣的溫度不同形成空氣對流而產(chǎn)生風(fēng)能。(1)無電農(nóng)村的生活、生產(chǎn)用電中國現(xiàn)有9億人口生活在農(nóng)村，其中許多地區(qū)目前還未能用上電。但中國無電鄉(xiāng)村往往位于風(fēng)能和太陽能蘊藏量豐富的地區(qū)。因此利用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)解決用電問題的潛力很大。采用已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)有利于加速這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高其經(jīng)濟(jì)水平。另外，利用風(fēng)光互補系統(tǒng)開發(fā)儲量豐富的可再生能源，可以為廣大邊遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村人口提供最適宜也最便宜的電力服務(wù)，促進(jìn)貧困地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。我國已經(jīng)建成了千余個可再生能源的獨立運行村落集中供電系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)都只提供照明和生活用電，不能或不運行使用生產(chǎn)性負(fù)載，這就使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性變得非常差?？稍偕茉椽毩⑦\行集中供電系統(tǒng)的出路是經(jīng)濟(jì)上的可持續(xù)運行，涉及到系統(tǒng)的所有權(quán)、管理機制、電費標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)性負(fù)載的管理、電站政府補貼資金來源、數(shù)量和分配渠道等等。但是這種可持續(xù)發(fā)展模式，對中國在內(nèi)的所有發(fā)展中國家都有深遠(yuǎn)意義。(2)半導(dǎo)體室外照明中的應(yīng)用世界上室外照明工程的耗電量占全球發(fā)電量的12%左右，在全球日趨緊張的能源和環(huán)保背景下，它的節(jié)能工作日益引起全世界的關(guān)注。基本原理是：太陽能和風(fēng)能以互補形式通過控制器向蓄電池智能化充電，到晚間根據(jù)光線強弱程度自動開啟和關(guān)閉各類led室外燈具。智能化控制器具有無線傳感網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可以和后臺計算機實現(xiàn)三遙管理(遙測、遙訊、遙控)。智能化控制器還具有強大的人工智能功能，對整個照明工程實施先進(jìn)的計算機三遙管理，重點是照明燈具的運行狀況巡檢及故障和防盜報警。室外道路照明工程主要包括：●車行道路照明工程(快速道/主干道/次干道/支路)；●小區(qū)(廣義)道路照明工程(小區(qū)路燈/庭院燈/草坪燈/地埋燈/壁燈等)。目前已被開發(fā)的新能源新光源室外照明工程有：風(fēng)光互補智能化路燈、風(fēng)光互補小區(qū)道路照明工程、風(fēng)光互補景觀照明工程、風(fēng)光互補智能化隧道照明工程、智能化的路燈等。(3)航標(biāo)上的應(yīng)用我國部分地區(qū)的航標(biāo)已經(jīng)應(yīng)用了太陽能發(fā)電，特別是燈塔樁，但是也存在著一些問題，最突出的就是在連續(xù)天氣不良狀況下太陽能發(fā)電不足，易造成電池過放，燈光熄滅，影響了電池的使用性能或損毀。冬季和春季太陽能發(fā)電不足的問題尤為嚴(yán)重。天氣不良情況下往往是伴隨大風(fēng)，也就是說，太陽能發(fā)電不理想的天氣狀況往往是風(fēng)能最豐富的時候，針對這種情況，可以用以風(fēng)力發(fā)電為主，光伏發(fā)電為輔的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)具有環(huán)保、無污染、安裝使用方便等特點，符合航標(biāo)能源應(yīng)用要求。在太陽能配置滿足春夏季能源供應(yīng)的情況下，不需啟動風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)；在冬春季或連續(xù)天氣不良狀況、太陽能發(fā)電不良情況下，啟動風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)。由此可見，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在航標(biāo)上的應(yīng)用具備了季節(jié)性和氣候性的特點。事實證明，其應(yīng)用可行、效果明顯。(4)監(jiān)控攝像機電源中的應(yīng)用目前，高速公路道路攝像機通常是24小時不間斷運行，采用傳統(tǒng)的市電電源系統(tǒng)，雖然功率不大，但是因為數(shù)量多，也會消耗不少電能，采用傳統(tǒng)電源系統(tǒng)不利于節(jié)能；并且由于攝像機電源的線纜經(jīng)常被盜，損失大，造成使用維護(hù)費用大大增加，加大了高速公路經(jīng)營單位的運營成本。應(yīng)用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)為道路監(jiān)控攝像機提供電源，不僅節(jié)能，并且不需要鋪設(shè)線纜，減少了被盜了可能，有效防盜。但是我國有的地區(qū)會出現(xiàn)惡劣的天氣情況，如連續(xù)灰霾天氣，日照少，風(fēng)力達(dá)不到起風(fēng)風(fēng)力，會出現(xiàn)不能連續(xù)供電現(xiàn)象，可以利用原有的市電線路，在太陽能和風(fēng)能不足時，自動對蓄電池充電，確保系統(tǒng)可以正常工作。(5)通信基站中的應(yīng)用目前國內(nèi)許多海島、山區(qū)等地遠(yuǎn)離電網(wǎng)，但由于當(dāng)?shù)芈糜?、漁業(yè)、航海等行業(yè)有通信需要，需要建立通信基站。這些基站用電負(fù)荷都不會很大，若采用市電供電，架桿鋪線代價很大，若采用柴油機供電，存在柴油儲運成本高，系統(tǒng)維護(hù)困難、可靠性不高的問題。要解決長期穩(wěn)定可靠地供電問題，只能依賴當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源。而太陽能和風(fēng)能作為取之不盡的可再生資源，在海島相當(dāng)豐富，此外，太陽能和風(fēng)能在時間上和地域上都有很強的互補性，海島風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是可靠性、經(jīng)濟(jì)性較好的獨立電源系統(tǒng)，適合用于通信基站供電。由于基站有基站維護(hù)人員，系統(tǒng)可配置柴油發(fā)電機，以備太陽能與風(fēng)能發(fā)電不足時使用。這樣可以減少系統(tǒng)中太陽電池方陣與風(fēng)機的容量，從而降低系統(tǒng)成本，同時增加系統(tǒng)的可靠性。(6)抽水蓄能電站中的應(yīng)用風(fēng)光互補抽水蓄能電站是利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電，不經(jīng)蓄電池而直接帶動抽水機實行補丁時抽水蓄能，然后利用儲存的水能實現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電供電。這種能源開發(fā)方式將傳統(tǒng)的水能、風(fēng)能、太陽能等新能源開發(fā)相結(jié)合，利用三種能源在時空分布上的差異實現(xiàn)期間的互補開發(fā)，適用于電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠(yuǎn)死區(qū)，并有利于能源開發(fā)中的生態(tài)環(huán)境保護(hù)。風(fēng)光互補抽水蓄能電站的開發(fā)至少滿足以下兩個條件：●三種能源在能量轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)保持能量守恒；●抽水系統(tǒng)所構(gòu)成的自循環(huán)系統(tǒng)的水量保持平衡。雖然與水電站相比成本電價略高，但是可以解決有些地區(qū)小水電站冬季不能發(fā)電的問題，所以采用風(fēng)光互補抽水蓄能電站的多能互補開發(fā)方式具有獨特的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，可作為某些滿足條件地區(qū)的能源利用方案。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用向全社會生動展示了風(fēng)能、太陽能新能源的應(yīng)用意義，推動我國節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的建設(shè)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)保效益。第二章風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計方案2.1風(fēng)光互補總體設(shè)計方案風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機、太陽光伏陣列、整流電路、斬波電路、傳感器、蓄電池、PLC綜合控制器組成。如圖2．1所示，其中整流電路和斬波電路實現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為能夠使用的電能的過程。利用風(fēng)力發(fā)電機和光伏陣列發(fā)電，將發(fā)出的電能存儲在蓄電池中，并用PLC控制器控制整個系統(tǒng)的正常運行。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)總體框圖整個系統(tǒng)的組成分為：（1）風(fēng)力發(fā)電機：風(fēng)力發(fā)電中所用的同步發(fā)電機絕大部分是三相同步電機，因為三相電機比起相同額定功率的單相電機，一般體積較小、效率較高、價錢便宜。交流永磁電機的定子結(jié)構(gòu)與一般同步電機相同，轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)。由于沒有勵磁繞組，不消耗勵磁功率，因而有較高的效率。永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的具體形式很多，按磁路結(jié)構(gòu)的磁化方向，基本上可分為徑向式、切向式和軸向式三種類。（2）光伏組件方陣：由太陽電池組件(也稱光伏電池組件)按照系統(tǒng)需求串、并聯(lián)而成。在太陽光照射下將太陽能轉(zhuǎn)換成電能輸出，它是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。（3）蓄電池：將太陽能電池組件和風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的電能儲存起來。蓄電池通常是指鉛酸蓄電池，它是電池中的一種，屬于二次電池。它的工作原理：充電時利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲存為化學(xué)能，需要放電時再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。（4）控制器：它對蓄電池的充電條件加以規(guī)定和控制，并按照風(fēng)力的大小和太陽的強度，合理利用資源，并及時切換開光保證充電順利進(jìn)行?？刂破髟谡麄€系統(tǒng)中作用至關(guān)重要。由于風(fēng)能和太陽能具有隨機性和不穩(wěn)定性，所以能量的控制相當(dāng)重要。（5）整流電路：把風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的交流電變成直流電，輸入到蓄電池中。本設(shè)計中用的是三相橋式全控整流電路，這種整流電路也是應(yīng)用最廣的。（6）升/降壓斬波電路：把電路中的輸電電壓升高/降低到符合要求的值，起到調(diào)節(jié)電壓的作用。（7）卸荷電路：當(dāng)風(fēng)力過大時或者太陽強度過高時，為了保護(hù)電路正常運行而啟動的卸荷作用的電路。系統(tǒng)發(fā)電量大于蓄電池所需電量時，或者蓄電池已經(jīng)充滿電的情況下，即發(fā)電量過剩，為了防止蓄電池出現(xiàn)過充，以及確保其他部件的正常工作，系統(tǒng)將接通卸荷器，將多余的電能消耗掉。（8）電流/電壓傳感器器：用于檢測電壓（電流）的大小，能感受被測電壓（電流）并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件。對于獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，它的工作情況主要由風(fēng)速、陽光照射強度、蓄電池狀態(tài)所決定的。整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)由以下幾種工作狀態(tài)構(gòu)成，如表2.2所示，系統(tǒng)就在這幾種工作狀態(tài)下不斷的切換。表2.2整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)風(fēng)力發(fā)電機光伏陣列蓄電池工作工作充電工作不工作充電不工作工作充電不工作不工作不工作第三章風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的各部分的研究風(fēng)力發(fā)電機1風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)組成機艙：機艙包容著風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護(hù)人員可以通過風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)入機艙，機艙左端是風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風(fēng)，并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心。現(xiàn)代600千瓦風(fēng)力發(fā)電機上，每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米，而且被設(shè)計得很像飛機的機翼。軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)力發(fā)電機的低速軸上。低速軸：風(fēng)力發(fā)電機的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代600千瓦風(fēng)力發(fā)電機上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管，來激發(fā)空氣動力閘的運行。齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。高速軸及其機械閘，高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風(fēng)力發(fā)電機被維修時。發(fā)電機：通常被稱為感應(yīng)電機或異步發(fā)電機。在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。偏航裝置：借助電動機轉(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來感覺風(fēng)向。圖中顯示了風(fēng)力發(fā)電機偏航。通常，在風(fēng)改變其方向時，風(fēng)力發(fā)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，并通過調(diào)制解調(diào)器來呼叫風(fēng)力發(fā)電機操作員。液壓系統(tǒng)：用于重置風(fēng)力發(fā)電機的空氣動力閘。冷卻元件：包含一個風(fēng)扇，用于冷卻發(fā)電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。一些風(fēng)力發(fā)電機具有水冷發(fā)電機。塔：風(fēng)力發(fā)電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風(fēng)速越大?，F(xiàn)代600千瓦風(fēng)汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內(nèi)部的梯子到達(dá)塔頂。格狀的塔的優(yōu)點在于它比較便宜。風(fēng)速計及風(fēng)向標(biāo)：用于測量風(fēng)速及風(fēng)向。2風(fēng)力發(fā)電機的分類(1)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)軸的區(qū)別，風(fēng)力發(fā)電機可以分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。①水平軸風(fēng)力發(fā)電機：旋轉(zhuǎn)軸與葉片垂直，一般與地面平行，旋轉(zhuǎn)軸處于水平的風(fēng)力發(fā)電機。水平軸風(fēng)力機②垂直軸風(fēng)力發(fā)電機：如圖3.2所示，旋轉(zhuǎn)軸與葉片平行，一般與地面吹垂直，旋轉(zhuǎn)軸處于垂直的風(fēng)力發(fā)電機。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機目前占市場主流的是水平軸風(fēng)力發(fā)電機，平時說的風(fēng)力發(fā)電機通常也是指水平軸風(fēng)力發(fā)電機。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機雖然最早被人類利用，但是用來發(fā)電還是近10多年的事。與傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機具有不用對風(fēng)向，轉(zhuǎn)速低，無噪音等優(yōu)點，但同時也存在起動風(fēng)速高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點，這都制約了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的應(yīng)用。上海風(fēng)力發(fā)電設(shè)備是一家創(chuàng)新型風(fēng)電科技公司，從2005年起開始進(jìn)入上海，對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機包括從空氣動力學(xué)，到材料、結(jié)構(gòu)、發(fā)電機等多方面進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)，現(xiàn)已在垂直軸風(fēng)力發(fā)電機這一世界級難題的項目中取得突破。a)b)c)圖3.2垂直軸風(fēng)力機常見結(jié)構(gòu)(2)根據(jù)定槳矩失速型風(fēng)機和變速恒頻變槳矩風(fēng)機的特點,國內(nèi)目前裝機的電機一般分為二類:1、異步型（1）籠型異步發(fā)電機；功率為750Kw、800kW、1250kW定子向電網(wǎng)輸送不同功率的50Hz交流。（2）繞線式雙饋發(fā)電機；功率為1500kW定子向電網(wǎng)輸送50Hz交流電，轉(zhuǎn)子由變頻器制，向電網(wǎng)間接輸送有功或無功功率。2、同步型（1）永磁同步發(fā)電機；功率為750kW、12000W、1500kW由永磁體產(chǎn)生磁場,定子輸出經(jīng)全功率整流逆變后向電網(wǎng)輸送50Hz交流電。（2）電勵磁同步發(fā)電機；由外接到轉(zhuǎn)子上的直流電流產(chǎn)磁場,定子輸出經(jīng)全功率整流逆變后向電網(wǎng)輸送50Hz交流電流。風(fēng)力發(fā)電機的原理風(fēng)力發(fā)電機的工作原理就是通過葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械轉(zhuǎn)距(風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量)，通過主軸傳動鏈,經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后,通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機的定子電能并入電網(wǎng).如果超過發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài),通過變流器向電網(wǎng)饋電。最簡單的風(fēng)力發(fā)電機可由葉輪和發(fā)電機兩部分構(gòu)成,立在一定高度的塔干上，這是小型離網(wǎng)風(fēng)機.。最初的風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能隨風(fēng)變化時有時無,電壓和頻率不穩(wěn)定,沒有實際應(yīng)用價值。為了解決這些問題,現(xiàn)代風(fēng)機增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。齒輪箱可以將很低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(1500千瓦的風(fēng)機通常為12-22轉(zhuǎn)/分)變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機轉(zhuǎn)速(發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速通常為1500轉(zhuǎn)/分)。同時也使得發(fā)電機易于控制，實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。偏航系統(tǒng)可以使風(fēng)輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向。要知道，1500千瓦的風(fēng)機機艙總重50多噸，葉輪30噸，使這樣一個系統(tǒng)隨時對準(zhǔn)主風(fēng)向也有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。風(fēng)機是有許多轉(zhuǎn)動部件的，機艙在水平面旋轉(zhuǎn)，隨時偏航對準(zhǔn)風(fēng)向。風(fēng)輪沿水平軸旋轉(zhuǎn)，以便產(chǎn)生動力扭距。對變槳矩風(fēng)機，組成風(fēng)輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn)，以便適應(yīng)不同的風(fēng)況而變槳距，在停機時，葉片要順槳，以便形成阻尼剎車。早期采用液壓系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)葉片槳矩(同時作為阻尼、停機、剎車等狀態(tài)下使用)，現(xiàn)在電變距系統(tǒng)逐步取代液壓變距。就1500千瓦風(fēng)機而言，一般在4米/秒左右的風(fēng)速自動啟動，在13米/秒左右發(fā)出額定功率。然后，隨著風(fēng)速的增加，一直控制在額定功率附近發(fā)電，直到風(fēng)速達(dá)到25米/秒時自動停機?，F(xiàn)代風(fēng)機的設(shè)計極限風(fēng)速為60-70米/秒，也就是說在這么大的風(fēng)速下風(fēng)機也不會立即破壞。理論上的12級颶風(fēng)，/秒。風(fēng)機的控制系統(tǒng)要根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運行，自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng)；同時齒輪箱、發(fā)電機的運行溫度，液壓系統(tǒng)的油壓。對出現(xiàn)的任何異常進(jìn)行報警，必要時自動停機，屬于無人值守獨立發(fā)電系統(tǒng)單元。3.2太陽能光伏電池的工作原理和特性1太陽能光伏電池的基本原理太陽能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片，當(dāng)太陽光照射時，薄片的另一側(cè)和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)(也稱光伏效應(yīng))。太陽能光伏電池正是一種利用光伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對于半導(dǎo)體P-N結(jié)，光伏效應(yīng)更明顯。因此，太陽能光伏電池都是由半導(dǎo)體構(gòu)成的。太陽能光伏發(fā)電的基本原理是如圖3.3所示，利用太陽能電池(一種類似于晶體二極管的半導(dǎo)體器件)的光生伏打效應(yīng)直接把太陽的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式，太陽能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器就是太陽能電池，也叫光伏電池。當(dāng)太陽光照射到由P、N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的太陽能電池上時，其中一部分光線被反射，一部分光線被吸收，還有一部分光線透過電池片。被吸收的光能激發(fā)被束縛的高能級狀態(tài)下的電子，產(chǎn)生電子-空穴對，在P-N結(jié)的內(nèi)建電場作用下，電子、空穴相互運動，N區(qū)的空穴向P區(qū)運動，P區(qū)的電子向N區(qū)運動，使太陽電池的受光面有大量負(fù)電荷(電子)積累，而在電池的背光面有大量正電荷(空穴)積累。若在電池兩端接上負(fù)載，負(fù)載上就有電流通過，當(dāng)光線一直照射時，負(fù)載上將源源不斷地有電流流過。單片太陽能電池就是一個薄片狀的半導(dǎo)體P-N8V。為了獲得較高的輸出電壓和較大的功率容量，往往要把多片太陽能電池連接在一起使用。太陽能電池的輸出功率是隨機的，不同時間、不同地點、不同安裝方式下，同一塊太陽能電池的輸出功率也是不同的。太陽能光伏電池的發(fā)電原理光伏陣列是把光能轉(zhuǎn)化成電能的元件，當(dāng)受光照的太陽能電池接上負(fù)載時，光生電流流經(jīng)負(fù)載，并在負(fù)載兩端建起端電壓，這時太陽能電池的上作情況可用圖所示的等效電路來描述。圖3.4太陽能電池接負(fù)載在恒定光照下，一個處于工作狀態(tài)下的光電池，其光電流t不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中，可把它看作恒流源，光電流一部分流經(jīng)負(fù)載，同時在負(fù)載兩端建立起端電壓V，此電壓反過來它又正向偏置于P-N結(jié)二極管，引起與光電流反向的暗電流I。但是，山于太陽板前表面和背表面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過它們時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻R來表示；同時，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負(fù)載的電流短路，這種作用可用一個并聯(lián)電阻R來等效。壓/降壓斬波電路升壓斬波電路由于光伏陣列是將光能轉(zhuǎn)換成電能的元件，但由光伏陣列產(chǎn)生的電流值很小，輸出電壓值比較小，達(dá)不到蓄電池的充電電壓。所以要通過升壓斬波器，提高系統(tǒng)的輸出電壓，使系統(tǒng)能夠正常運行。升壓斬波電路原理圖如圖3．5所示，該電路中使用一個全控型器件IGBT，電感用于IGBT關(guān)斷前儲能使用，而且也能使電流連續(xù)。電容在電路中能起到恒壓的作用，升壓斬波電路中的典型應(yīng)用有用于直流電動機傳動、用于單相功率因數(shù)校正電路、用于其它交直流電源中。圖3.5升壓斬波電路斬波器的輸入輸出關(guān)系如下： ====(1)上式(1)中，，為升壓比的倒數(shù)，輸出電壓U高于輸入電壓U，故該電路為升壓斬波電路。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于輸入電壓，關(guān)鍵有兩個原因：一是電感儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容可將輸出電壓保持住。在這里就稱為升壓比，通過調(diào)節(jié)升壓比值，就可以控制輸出電壓的大小。對于系統(tǒng)中升壓比值一般采用固定值，此固定的升壓比值是根據(jù)多次風(fēng)電機組試驗所得曲線圖而最終確定的。降壓斬波電路而對于太陽能發(fā)電系統(tǒng)，由光伏陣列發(fā)出來的電壓較高，需要經(jīng)過降壓斬波來使電壓降低，從而輸入到蓄電池中。降壓斬波電路如圖所示圖3.6降壓斬波電路降壓斬波電路使用一個全控型器件V，圖中為IGBT，還設(shè)置了續(xù)流二極管VD。斬波器的輸入輸出關(guān)系如下： ===(2)上式（2）中，t為V處于通態(tài)的時間，t為V處于斷態(tài)的時間，T為開關(guān)周期。為導(dǎo)通占空比，1，輸出電壓U低于輸入電壓U，故該電路為降壓斬波電路。在這里就稱為降壓比，通過調(diào)節(jié)降壓比值，就可以控制輸出電壓的大小。U的最大值為U，若減小占空比，則U隨之減少。對于系統(tǒng)中降壓比值一般采用固定值，此固定的升壓比值是根據(jù)多次光伏陣列試驗所得曲線圖而最終確定的。由于太陽能和風(fēng)能的隨機性和間歇性，為了滿足穩(wěn)定、持續(xù)的生活用電和生產(chǎn)需要，一般加入蓄電池作為儲存環(huán)節(jié)。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)一般使用的是鉛酸蓄電池。它是用鉛和二氧化鉛作為負(fù)極和正極的活性物質(zhì)，以27％一37％濃度的硫酸作為電解液的電池。鉛酸蓄電池具有價格低廉、穩(wěn)定性高、電能和化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率高、端電壓高，與此同時，它還具有耐腐蝕、防酸、防暴的性能。隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，鉛酸蓄電池的使用壽命在不斷增長。蓄電池的工作狀態(tài)主要有三種：放電、充電和浮充。這三種狀態(tài)構(gòu)成了一個完整的工作循環(huán)。1)充放電制也稱循環(huán)制：該工作方式下蓄電池通常是完全放電、然后充電、再完全放電、再充電如此循環(huán)。這種工作方式多用于移動型、小容量便攜式蓄電池，如蓄電池車、礦燈和手提式工具。2)浮充制：該工作方式下的蓄電池組同整流設(shè)備并聯(lián)安裝在負(fù)載回路上。平時用電設(shè)備所需的電流全部由整流設(shè)備供給。蓄電池保持少量的充電電流，同時在負(fù)載上起平滑濾波的作用，只要蓄電池電壓低于直流供電外電源，外電源就會給蓄電池充電。當(dāng)整流設(shè)備出現(xiàn)故障或外電源電力不足時，再啟用蓄電池對負(fù)荷供電，直至整流設(shè)備恢復(fù)正?；蛲怆娫措娏Τ渥銜r為止，這樣就保證了對負(fù)荷的不間斷供電。浮充制用于固定蓄電池組，可進(jìn)行直流供電，或者作為直流升壓、事故照明、信號指示、遙控以及需要不間斷供電的通信設(shè)備；風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)作為獨立供電系統(tǒng)，需要提供不問斷的電力能源，所以蓄電池是以浮充制方式運行的。3)帶有循環(huán)成分的浮充方式：半浮充制就是負(fù)載一段時間由蓄電池供電，另一段時間由整流設(shè)備供電，并且這段時間給蓄電池補給電量。充電析氧電壓：充電時，會在正極板表面生成氧氣，當(dāng)充電電壓較低時，生成的氧氣較少，在密封的電池內(nèi)會與負(fù)極板生成的氫氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，變成水再回到電解液里面去，這是正常的。但當(dāng)充電電壓達(dá)到格，氧氣就會劇烈生成，就像水溫達(dá)到100度時，就會大量產(chǎn)生水蒸氣一樣。大量生成的氧氣使電池內(nèi)部的壓力升高。就會頂開電池的安全閥門跑出去，導(dǎo)致失水。如果此時尚未析氫，電池內(nèi)部的壓力尚不足夠大，安全閥門還能起到較好的作用，跑出去的氣體還不會太多，還不會造成大量失水。析氧電壓格是一個允許充電期間短時間內(nèi)突破的電壓值。充電析氫電壓：充電時，會在負(fù)極板表面生成氫氣，當(dāng)充電電壓較低時，生成的氫氣較少，在密封的電池內(nèi)會與正極板生成的氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，變成水再回到電解液里面去，這是正常的。但當(dāng)充電電壓達(dá)到2.45V/格時氫氣就會劇烈生成，已經(jīng)大量生成的氧氣與現(xiàn)在大量生成的氫氣一道，會使電池內(nèi)部壓力異常升高，安全閥門已關(guān)不住了，此時，就會有大量氣體逃逸，造成嚴(yán)重失水。析氫電壓格是一個充電時不允許超過的電壓值。安全充電電壓：為了保證電池的充電安全，能完全充電并避免失水，長時間的充電電壓應(yīng)略低于極氧電壓。目前，大多數(shù)廠家都選定在格。本設(shè)計的蓄電池采用4塊電池組，標(biāo)稱電壓為48V，最大允許電流為20A?？刂破髟谡麄€系統(tǒng)中作用至關(guān)重要。由于風(fēng)能和太陽能具有隨機性和不穩(wěn)定性，所以能量的控制相當(dāng)重要。當(dāng)風(fēng)能過大，太陽能輸出的能量也很大時，將會導(dǎo)致風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速過大，導(dǎo)致飛車。因此需要用控制器來控制使卸荷電路工作，同時控制器還要及時檢測蓄電池的電流和電壓，防止蓄電池過充等現(xiàn)象的發(fā)生。工業(yè)控制中，廣泛使用的三種控制器分別為單片機、可編程控制器（PLC），工業(yè)控制機。下面比較一下它們的優(yōu)缺點：1、單片機優(yōu)點在于指令豐富，軟件編程靈活，精確度及實時性好，控制系統(tǒng)體積小，功耗低，數(shù)據(jù)采集及控制功能的實現(xiàn)，很容易通過外圍電路的擴(kuò)展來實現(xiàn)。相比工業(yè)控制機和PLC，性價比最高。其缺點在于單片機自身抗干擾能力差，需要在電路設(shè)計時采取抗干擾措施。本課題的監(jiān)控需要同時輸出電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)矩、風(fēng)速等參數(shù)，以及輸出波形，單片機不具備所有功能，不滿足要求。2、工業(yè)控制機本質(zhì)上就是PC機。優(yōu)點在于:編程方便，能夠使用如Basic，F(xiàn)ortran、C、C++、VB、VC等高級語言進(jìn)行編程，軟件編程較容易實現(xiàn);數(shù)據(jù)采集、控制功能比較容易通過擴(kuò)展插卡來實現(xiàn)；運行數(shù)據(jù)可以由工控機自帶的CTR(顯示器)顯示。強大的處理功能，實用性很強，擁有足夠大的顯示界面，可以直觀反映出系統(tǒng)運行狀況。工控機較貴，編程復(fù)雜性，但功能更強更靈活。3、可編程控制器（PLC）PLC的優(yōu)點表現(xiàn)在：系統(tǒng)通用性好，靈活性高，功能強，運算速度快，數(shù)據(jù)采集和控制功能可以通過擴(kuò)展模塊（如模擬/數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊）來實現(xiàn)，抗干擾能力強，輸出驅(qū)動能力大，適合在高溫、濕度大、氣候條件差的野外場合下以及強電磁干擾下工作，尤其適用于順序控制、開關(guān)量輸入和輸出場合。綜合以上的優(yōu)缺點，本設(shè)計的控制器使用PLC控制。保證系統(tǒng)可靠的運行；各個部分采用模塊化設(shè)計，保證了系統(tǒng)的靈活性；控制器的系統(tǒng)流程圖蓄電池的電壓為U，風(fēng)力發(fā)電機經(jīng)過整流再經(jīng)過降壓斬波的電路后的電流為I，光伏陣列產(chǎn)生的電經(jīng)過升壓斬波后的電流為I，蓄電池電流I。本設(shè)計主要是根據(jù)風(fēng)機和光伏陣列產(chǎn)生的電流的大小，通過PLC控制器來控制風(fēng)機和光伏陣列的工作狀態(tài)。首先判斷蓄電池的電壓的大小，看蓄電池是否已經(jīng)充滿，如果沒有充滿的話就要看蓄電池的電流的大小，如果在要求的電流范圍內(nèi)，那么風(fēng)機和光伏陣列就一起工作。如果電流值大于要求的值，那么就要進(jìn)行判斷，看風(fēng)機和光伏陣列誰產(chǎn)生的電流較大，而且沒有超過要求的值，那么相應(yīng)的風(fēng)機或者光伏陣列就要工作。控制器的流程圖如下圖所示控制器的設(shè)計流程圖傳感器傳感器是能夠受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。用于檢測電壓（電流）的大小，能感受被測電壓（電流）并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件。電流感應(yīng)器：通過測量置于電流路徑上的電阻上的壓降來監(jiān)視電流的電路，電流傳感器輸出一個與通過測量路徑的電流成比例的電流。電壓傳感器是只能感受被測電壓并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。圖3.8三相橋式全控整流電路其工作特點是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導(dǎo)通，構(gòu)成電流通路，因此為保證電路啟動或電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通，必須對不同組別應(yīng)到導(dǎo)通的一對晶閘管同時加觸發(fā)脈沖，所以觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于π／3的寬脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖；每隔π／3換相一次，換相過程在共陰極組和共陽極組輪流進(jìn)行，但只在同一組別中換相。接線圖中晶閘管的編號方法使每個周期內(nèi)6個管子的組合導(dǎo)通順序是VT﹣VT﹣VT﹣VT﹣VT﹣VT；共陰極組T，T，T的脈沖依次相差2π／3；同一相的上下兩個橋臂，即VT和VT，VT和VT，VT和VT的脈沖相差π，給分析帶來了方便；輸出電壓U一周期內(nèi)的波形是6個線電壓的包絡(luò)線。所以輸出脈動直流電壓頻率是電源頻率的6倍，比三相半波電路高l倍，脈動減小，而且每次脈動的波形都一樣，故該電路又可稱為6脈動整流電路。同理，三相半波整流電路稱為3脈動整流電路。α>0時，U的波形出現(xiàn)缺口，隨著α角的增大，缺口增大，輸出電壓平均值降低。當(dāng)α=2π／3時，輸出電壓為零，所以電阻性負(fù)載時，α的移相范圍是O～2π／3；當(dāng)Oαπ／3時，電流連續(xù)，每個晶閘管導(dǎo)通2π／3；當(dāng)π／3α≤2π／3時，電流斷續(xù)，每個晶閘管導(dǎo)通小于2π／3。3.72三相橋式全控整流電路在觸發(fā)角=0時的一些特點①每個時刻均需2個晶閘管導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中一個晶閘管是共陰極組的，一個是共陽極組的，且不能為同1相的晶閘管。②對觸發(fā)脈沖的要求：六個晶閘管按VT﹣VT﹣VT﹣VT﹣VT﹣VT的順序，相位依次差60度；共陰極VT、VT、VT的脈沖依次差120度；共陽極組VT、VT、VT也依次相差120度；同一相的上下兩個橋臂，即VT和VT，VT和VT，VT和VT，脈沖相差180度。③整流輸出電壓U一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。④在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為確保電路的正常工作，需保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。為此可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于60度，稱為寬度脈沖觸發(fā)。另一種方法是，在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖，即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60度，脈寬一般都為20度到30度，稱為雙脈沖觸發(fā)。MOSFET的電路特性在電力電子電路中，開關(guān)管的選用是其中非常重要的環(huán)節(jié)，這里我們選用MOSFET管作為開關(guān)管。MOSFET(metal-oxide—semiconductorfieldeffecttransistor)即金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。場效應(yīng)管分為結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)和絕緣柵場效應(yīng)管(MOS管)，它們又分為兩類：P溝道型和N溝道型，無論是什么溝道，它們又分為增強型和耗盡型，功率場效應(yīng)管都是增強型MOSFET，它具有優(yōu)良的開關(guān)特性，工作于開關(guān)狀態(tài)，耐壓從幾十伏特到上千伏特，工作電流可達(dá)幾安培至幾十安培。近些年，其應(yīng)用也是十分廣泛，涵括了電力電子控制、通訊、計算機等方面。電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，它具有以下幾個優(yōu)點：驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率?。婚_關(guān)速度快、工作頻率高；熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。3.9IGBT驅(qū)動電路圖3.9IGBT驅(qū)動電路通過圖3.9的驅(qū)動電路來驅(qū)動升壓/降壓電路中IGBT的導(dǎo)通及其關(guān)斷，并通過設(shè)計R、R、C的值來控制導(dǎo)通和關(guān)斷的時間，從而得到所需要的電壓的值。第四章PLC的介紹及控制器的設(shè)計德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器我國的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-1200,S7-300，S7-400，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，HMI人機界面，工業(yè)軟件等。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。PLC的分類1．SIMATICS7-200PLCS7-200PLC是超小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7-200PLC的強大功能使其無論單機運行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。S7-200PLC可提供4個不同的基本型號與8種CPU可供選擇使用。2．SIMATICS7-300PLCS7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。各種單獨的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。與S7-200PLC比較，S7-300PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0.6~0.1μs）的指令運算速度；用浮點數(shù)運算比較有效地實現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運算；一個帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的方便用戶給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值；方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機界面（HMI）從S7-300中取得數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送；CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時，模塊更換，等等）；多級口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改；S7-300PLC設(shè)有操作方式選擇開關(guān)，操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時，就不能改變操作方式，這樣就可防止非法刪除或改寫用戶程序。具備強大的通信功能，S7-300PLC可通過編程軟件Step7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。S7-300PLC具有多種不同的通信接口，并通過多種通信處理器來連接AS-I總線接口和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)；串行通信處理器用來連接點到點的通信系統(tǒng)；多點接口（MPI）集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統(tǒng)及其他SIMATICS7/M7/C7等自動化控制系統(tǒng)。3．SIMATICS7-400PLCS7-400PLC是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。S7-400PLC采用模塊化無風(fēng)扇的設(shè)計，可靠耐用，同時可以選用多種級別（功能逐步升級）的CPU，并配有多種通用功能的模板，這使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或升級時，只要適當(dāng)?shù)卦黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級和充分滿足需要。4．工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)通訊網(wǎng)絡(luò)是自動化系統(tǒng)的支柱，西門子的全集成自動化網(wǎng)絡(luò)平臺提供了從控制級一直到現(xiàn)場級的一致性通訊，“SIMATICNET”是全部網(wǎng)絡(luò)系列產(chǎn)品的總稱，他們能在工廠的不同部門，在不同的自動化站以及通過不同的級交換數(shù)據(jù)，有標(biāo)準(zhǔn)的接口并且相互之間完全兼容。PLC的優(yōu)點(1)可靠性高，抗干擾能力強。高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達(dá)30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。(2)配套齊全，功能完善，適用性強。PLC發(fā)展到今天．已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。有豐富的擴(kuò)展和聯(lián)網(wǎng)功能。(3)易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。(4)系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。(5)體積?。亓枯p，能耗低。以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種重量較小，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。4.3西門子S7-200PLC硬件介紹S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。1．基本單元S7-200系列PLC中可提供4種不同的基本型號的8種CPU供選擇使用，其輸入輸出點數(shù)的分配見表4.1：表4.1S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元型號輸入點輸出點可帶擴(kuò)展模塊數(shù)S7-200CPU22164—S7-200CPU222862個擴(kuò)展模塊78路數(shù)字量I/O點或10路模擬量I/O點S7-200CPU22414107個擴(kuò)展模塊168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點S7-200CPU22624162個擴(kuò)展模塊248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點S7-200CPU226XM24162個擴(kuò)展模塊248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點2．?dāng)U展單元S7-200系列PLC主要有6種擴(kuò)展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴(kuò)展I/O點數(shù)，S7-200系列PLC擴(kuò)展單元型號及輸入輸出點數(shù)的分配如表4.2所示。表4.2S7-200系列PLC擴(kuò)展單元型號及輸入輸出點數(shù)類型型號輸入點輸出點數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM22180EM22208EM22344模擬量擴(kuò)展模塊EM23130EM23202EM235413．編程器PLC在正式運行時，不需要編程器。編程器主要用來進(jìn)行用戶程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入PLC中，在調(diào)試過程中，進(jìn)行監(jiān)控和故障檢測。S7-200系列PLC可采用多種編程器，一般可分為簡易型和智能型。簡易型編程器是袖珍型的，簡單實用，價格低廉，是一種很好的現(xiàn)場編程及監(jiān)測工具，但顯示功能較差，只能用指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計算機進(jìn)行編程操作，將專用的編程軟件裝入計算機內(nèi)，可直接采用梯形圖語言編程，實現(xiàn)在線監(jiān)測，非常直觀，且功能強大，S7-200系列PLC的專用編程軟件為STEP7-Micro/WIN。4．程序存儲卡為了保證程序及重要參數(shù)的安全，一般小型PLC設(shè)有外接EEPROM卡盒接口，通過該接口可以將卡盒的內(nèi)容寫入PLC，也可將PLC內(nèi)的程序及重要參數(shù)傳到外接口EEP-ROM卡盒內(nèi)作為備份。程序存儲卡EEPROM有6ES7291-8GC00-0XA0和6ES7291-8GD00-0XA0兩種，程序容量分別為8K和16K程序步。5．寫入器寫入器的功能是實現(xiàn)PLC和EPROM之間的程序傳送，是將PLC中RAM區(qū)的程序通過寫入器固化到程序存儲卡中，或?qū)LC中程序存儲卡中的程序通過寫入器傳送到RAM區(qū)。6．文本顯示器文本顯示器TD200不僅是一個用于顯示系統(tǒng)信息的顯示設(shè)備，還可以作為控制單元對某個量的數(shù)值進(jìn)行修改，或直接設(shè)置輸入/輸出量。文本信息的顯示用選擇/確認(rèn)的方法，最多可顯示80條信息，每條信息最多4個變量的狀態(tài)。過程參數(shù)可在顯示器上顯示，并可以隨時修改。TD200面板上的8個可編程序的功能鍵，每個都分配了一個存儲器位，這些功能鍵在啟動和測試系統(tǒng)時，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和診斷。4.4S7-200PLC的接口模塊4.41數(shù)字量模塊(1)數(shù)字量輸入模塊數(shù)字模塊分為直流輸入模塊和交流輸入模塊。每一個輸入點可接收一個來自用戶設(shè)備的離散信號（ON/OFF）。輸入設(shè)備：按鈕、限位開關(guān)、選擇開關(guān)、繼電器觸點等。a.直流輸入模塊直流輸入模塊（EM2218×24VDC）有8個數(shù)字量輸入端子。接線圖中，8個數(shù)字量輸入點分成2組。1M、2M分別是2組輸入點內(nèi)部電路的公共端，每組需用戶提供一個24VDC電源。如下圖所示圖4.1直流輸入模塊b．交流輸入模塊有8個分隔式數(shù)字量輸入端子，每個輸入點都占用二個接線端子。它們各自使用1個獨立的交流電源（由用戶提供）。這些交流電源可以不同相。（交流I/O都是分隔式的）4.42數(shù)字量輸出模塊數(shù)字量輸出模塊分為直流輸出模塊、交流輸出模塊、交直流輸出模塊三種（晶體管、晶閘管、繼電器輸出方式）。數(shù)字量輸出模塊的每一個輸出點能控制一個用戶的離散型（ON/OFF）負(fù)載。典型的負(fù)載包括：繼電器線圈，接觸器線圈、電磁閥線圈、指示燈等。每一個輸出點與一個且僅與一個輸出電路相連，輸出電路把CPU運算處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的各種大功率的開關(guān)信號。PLC的輸出端子是PLC向外部負(fù)載發(fā)出控制命令的窗口。a.直流輸出模塊直流輸出模塊（EM2228×24VDC），有8個數(shù)字量輸出點，接線圖中8個數(shù)字量輸出點分成2組。1L+、