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基于风力发电的UPS电源设计.doc基于风力发电的UPS电源设计.doc -- 6 元

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www.88doc88.comwww.yanziedu.com目录1前言.............................................................................................................................11.1风力发电的国内外发展现状...........................................................................11.2UPS的基本知识..............................................................................................21.3风力发电基本知识..........................................................................................21.3风力发电与UPS的互联................................................................................32总体设计方案.............................................................................................................42.1设计要求...........................................................................................................42.2设计方案论证...................................................................................................43硬件电路设计.............................................................................................................53.1电路构架及基本工作原理...............................................................................53.2主动PFC电路...............................................................................................63.3UPS主功率变换电路.....................................................................................83.3.1DC/DC主功率变换...............................................................................83.3.2SPWM调制.........................................................................................103.4主控电路........................................................................................................113.5风力发电控制及市电充电部分....................................................................123.5.1风力发电控制.......................................................................................123.5.2市电充电部分.......................................................................................123.6UPS的蓄电池部分........................................................................................134软件系统设计...........................................................................................................144.1主程序设计分析............................................................................................144.1中断处理程序分析........................................................................................155测试结果...................................................................................................................165.1无负载情况下测试........................................................................................165.2有负载情况下测试.........................................................................................166应用前景...................................................................................................................177致谢..........................................................................................................................18参考文献......................................................................................................................19附录1PFC控制电路图.............................................................................................20附录2主控部分电路.................................................................................................21附录3程序清单.........................................................................................................22www.88doc88.com1前言风是最常见的自然现象之一,是太阳对地球表面不均匀加热引起的空气流动,流动的空气具有的能量叫做风能。据世界气象组织(WMO)分析,地球上可利用的风能资源为200亿kW,是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW,海上可利用的风能是陆地上的3倍,50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍,风能资源非常丰富。风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一因此,开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力,从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。在本文中将提出一个基于风力发电技术的全新UPS构架,将风能充分且高效的运用和融合到UPS系统中。并对整UPS系统和风力发电的的融合和技术革新进行论述。这个基于风力发电UPS系统的研发不仅响应了党中央关于新能源建设和开发的伟大号召,对人类节能减排的伟大历史工程来讲也迈出了象征性的步伐。1.1风力发电的国内外发展现状近30年来,国际上在风能的利用方面,无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风能发电技术日臻完善,风能发电机单机额定功率最大已经到5MW,叶轮直径达到126m。今天,欧洲的风电已经能够满足4000万人生活的需要。欧洲风能协会预计2020年欧洲会有近两亿人完全使用风电,占欧洲人口的一半。德国的风电设备制造业已经取代了汽车制造业和造船业,成为德国第一大钢材用户,近日德国制定了一个新的风电发展长远规划,设定到2025年风电至少占总用量的25%,到2050年占总用量的50%。丹麦已经成功地用风电来满足国内的电力需求,过去一直提倡核能运用的法国,也开始制定长远规划来发展风能发电1。已经成为国际主流机型的兆瓦级机组在我国尚处于研制阶段,大型风机只能依赖进口或与外商合作生产。根据国家气象科学院的估算,我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿kW,实际可开发量为2.53亿kW海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。内蒙古实际可开发量0.618亿kW,西藏实际可开发量0.408亿kW,新疆实际可开发量0.343亿kW,青海实际可开发量0.242亿kW,黑龙江实际可开发量0.172亿kW。目前,中国除台湾省外累计风电机组1864台,装机容量126.6万kW,风电场62个。中国十一五国家科技支撑计划重大项目大功率风电机组研制与示范支持1.5~2.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制1.5~2.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制1.5MW以上风电机组www.88doc88.com叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化近海风电场建设关键技术的研究近海风电机组安装及维护专用设备的研制大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究。十一五末,我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平2。1.2UPS的基本知识UPS的中文意思为不间断电源,是英语UninterruptiblePowerSupply的缩写,它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘,使您不致因停电而影响工作或丢失数据。它在计算机系统和网络应用中,主要起到两个作用一是应急使用,防止突然断电而影响正常工作,给计算机造成损害二是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等电源污染,改善电源质量,为计算机系统提供高质量的电源。UPS分在线式和后备式等,按设计电路工作频率分为工频机和高频机。从基本应用原理上讲,UPS是一种含有储能装置,以逆变器为主要元件,稳压稳频输出的电源保护设备。主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。整流器整流器是一个整流装置,简单的说就是将交流(AC)转化为直流(DC)的装置。它有两个主要功能第一,将交流电(AC)变成直流电(DC),经滤波后供给负载,或者供给逆变器第二,给蓄电池提供充电电压。因此,它同时又起到一个充电器的作用蓄电池蓄电池是UPS用来作为储存电能的装置,它由若干个电池串联而成,其容量大小决定了其维持放电(供电)的时间。其主要功能是当市电正常时,将电能转换成化学能储存在电池内部当市电故障时,将化学能转换成电能提供给逆变器或负载。逆变器通俗的讲,逆变器是一种将直流电(DC)转化为交流电(AC)的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成静态开关静态开关又称静止开关,它是一种无触点开关,是用两个可控硅(SCR)反向并联组成的一种交流开关,其闭合和断开由逻辑控制器控制。分为转换型和并机型两种。转换型开关主要用于两路电源供电的系统,其作用是实现从一路到另一路的自动切换并机型开关主要用于并联逆变器与市电或多台逆变器。1.3风力发电基本知识空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。风能可以用风能密度来描www.88doc88.com述。空气在1s时间里以速度v流过单位面积产生的动能称为风能密度。32/1V风能密度与平均风速v的三次方成正比,平均风能为10m/S时风能密度为600w/m2平均风速达到15m/s时风能密度为2025w/m2。由此可见风能蕴含的巨大能量还有待我们去开发3。近30年来,国际上在风能的利用方面,无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善,并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW,叶轮直径达到126m。截止2005年世界装机容量已达58,982MW,风力发电量占全球电量的1。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一,其总装机容量居世界第8位,2005年新增装机容量居世界第6位。今后,国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。2005年共生产30kW以下独立运行的小型风力发电机组共33,253台,比上年增长34.4,其中200W、300W、500W机组共生产24,123台,占全年总产量的72.515个单位共出口小型风力发电机组5,884台,比上年增长40.7,创汇282.7万美元,主要出口到菲律宾、越南等24个国家和地区。并且,由于汽油、柴油、煤油价格飞涨,且供应渠道不畅通,内陆、江湖、渔船、边防哨所、部队、气象站和微波站等使用柴油发电机的用户逐步改用风力发电机或风光互补发电系统。1.3风力发电与UPS的互联如何将风力发电与UPS互联形成一个完整的互补的系统,这将是本文的创新点和着重阐述的问题。首先我们简单阐述一下风力发电与UPS结合的用途和优点。众所周知UPS是不间断电源(UninterruptiblePowerSystem)的英文简称,是能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备。UPS可以在市电出现异常时,有效地净化市电还可以在市电突然中断时持续一定时间给电脑等设备供电,使你能有充裕的时间应付。另外,精密的网络设备和通信设备是不允许电力有间断的,以服务器为核心的网络中心要配备UPS是不言而喻的,即使是一台普通电脑,其使用三个月以后的数据文件等软件价值就已经超过了硬件价值,因此为防止数据丢失而配备UPS也是十分必须的。随着信息化社会的来临,UPS广泛地应用于从信息采集、传送、处理、储存到应用的各个环节,其重要性是随着信息应用重要性的日益提高而增加的。但是UPS却存在一个致命的问题,那就是能源的供给问题。我们都知道UPS在正常工作即存在正常市电的时候,它是处于一个能源存储的状态,即对蓄电池充电也就是热备份状态。一旦当市电由于某种情况失去的时候,这是热备份的能量就会从蓄电池输出供给设备让其仍然能正行运行。当然蓄电池存储的能量是有一定限度的,当这个能量释放完毕之后这个设备也就不能在持续工作下去。可是在某些情况下www.88doc88.com我们可能会要求UPS能提供更多的能量来保证我们的工作或者设备能运行更长的时间。在这个时候我们就需要另一种能源的介如。在前面我们已经简单的介绍了一下风力蕴含的巨大能量。在这里我们能不能设想下将风能这个绿色的无穷尽的能源融合到UPS当中呢答案是肯定的。往更多里讲,当风力发电融入UPS之后UPS就不仅仅可以作为机房等重要设备的不间断电源还可以运用于电网波动严重的民间或者偏远山区,基站,边防哨所,牧区,矿区等电力时有时无的特殊地域和机构。这样一来不仅解决了能源供给问题,还响应了国家关于新能源建设的伟大号召。相信风力发电与UPS的完美融合将会开创新能源建设的新纪元,并为新能源的建设注入新的活力。2总体设计方案2.1设计要求(1)对我国风能能源的调查分析。调查并分析我国各地区的风能的储藏与合理利用。找出适合本地区的风能源利用率,为后期风力发电机的选型做出前期工作。(2)对风能发电机的研究。从风能发电机原理开始逐步过渡到风能发电机的实际应用。结合前期对本地区对风能的调查,计算并测试出在本地区风能能提供的实在功率。同时测试在本地区不同风速条件下风能发电机输出功率。正确选出适合本地区的风力发电机。(3)对风能发电机能量控制器的研究。选出合适的风能发电机后,设计并制作出一个对风能发电机输出能源的总体控制的控制器,目的在与将风能发电机在不同地区不稳定发电功率进行稳定,保证其能够充稳定的向UPS提供能源。(4)大功率UPS的研发与制作。针对实际情况选择功率合适的UPS类型,然后通过资料查询,试验等方法选出合适的主控芯片和输出控制的功率管,制作出样机,并进行实验室阶段的测试。(5)UPS蓄电池的选型。针对实际情况选择蓄电池2.2设计方案论证方案一基于传统UPS主控制板的原理,由PLDMCU实现原模拟电路实现的功能,输出电压动态反馈和I/O相位同步部分将沿用原成熟线路,在基准正弦波合成方面将用一只廉价的PLD器件代换原来多个计数器、加法器电路。MUC控制系统可以采用廉价的AT89C52,一只10位11路A/D转换芯片TLC1543,及一片XICOR公司的监控串行EEPROM芯片X25045,它们可以实现完成输出电压的调整、电池的智能管理、重要器件的在线检测。但是不参与www.88doc88.com同步控制,在与上位机的通信、生产调试和面板功能方面,MUC将比原来设计的成本低、功能强,实现该方案可以在较少的时间完成。但此方案运算速度不快。稳定性差方案二基于单芯片的实现方案。由一块功能强大MCU的完成人机界面、通信、同步、输出电压调节、各种故障判断和自诊断功能。该实现方案可以采用引脚多的Intel87c196MC或MotoroalMC68HC11K4,但是该方案成本较高开发难度和测试工作量大,如果要几个工程师并行开发,要求项目系统分析员分析能力较强,项目经理能协调各个项目组员无缝协作,软件代码结构化要求高。且此方案成本高。方案三采用MICROCHIP公司推出的UPS专用芯片PIC17C43来解决控制部分的信号处理,输出电压检测信号和电流检测信号经由ADC10154模数转换后送入PIC17C43主控芯片用来反馈输出电压和电流值,进而控制和稳定输出值,同时PIC17C43具有8路A/D转化接口两路PWM输出其他接口丰富,运算速度快,指令集简洁等的特点,能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电,能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题。通过对以上几种方案的比较,我们选择方案三,采用输出电压检测信号和电流检测信号经由ADC10154模数转换后送入PIC17C43主控芯片,进而控制和稳定输出值,另外,系统中增加了SPWM调制、PFC电路等进一步提高系统的稳定性。3硬件电路设计3.1电路构架及基本工作原理在主UPS构架上,采用PS在线式UPS系列。在输入部分取消了用于与市电隔离的工频变压器或为降压用的自耦变压器,而采用SPWM技术实现整流高频化(AC/DC)。一方面提高了市电电压允许变化范围另一方面在控制技术中采用数字信号处理器(DSP)控制,使输入电流正弦化,并与市电电压同相,从而实现UPS高输入功率因数(PF≈1),消除对市电的谐波污染,达到环保目的,是一款绿色UPS,同时大副度减少无功损耗,明显降低了运行成本。抛弃了传统的逆变输出工频变压器,用高频变压器来实现UPS与市电的隔离,不仅噪音低,而且效率高,在UPS的输出级逆变控制电路中采用正弦波直接反馈技术,使其调节高速化,远远优于传统的模拟反馈技术,再加上小的输出滤波器和20kHz以上的SPWM调制,使UPS动态响应特性非常好,而且输出的正弦波非常纯净光滑。在逆变保护电路中采用性能优良的过滤保护技术,使逆变器不仅具有较强的过载功能,,而且具有强有力的自身保护PS系列UPS内部www.88doc88.com的蓄电池组也采取高频变换方式充电,当市电停电,UPS转换为由蓄电池给逆变器供电时亦采取高频变换降压方式(DC/DC)实现,如图1所示。图1系统结构图在风力发电和UPS融合的控制部分采用MICROCHIP公司推出的UPS专用芯片PIC17C43来解决控制部分的信号处理。它具有8路A/D转化接口两路PWM输出其他接口丰富,运算速度快,指令集简洁等的特点。系统整体结构框图如图2所示。下面介绍一下主要工作流程当市电正常时,市电经由整流滤波一路经过PFC功率因数校正,空载关断控制,H桥变换,输出逆变斩波变换,向负载供给纯净的准正弦波电压。另一路经由电池管理与充电控制电路给蓄电池充电。与此同时风力发电机提供的电能经由主控制控制送入电池管理和电源控制系统给蓄电池充电,将风能储存在蓄电池中。当市电因故障停止后蓄电池经由电源管理模块进入DC/DC变换进而将12V或者24V变换为120/240V。经由空载检测,H桥变换为交流50/60工频准正弦波交流电输出供负载使用。与此同时再输入端,主控芯片控制风能的接入以恒定电流给蓄电池补充能量,当然这要在有风存在的条件下。因为有了风能这个绿色能源的介入,使得UPS有了新的能源加入,工作时间相对来讲会有所延长,使设备有更多的时间去等待市电故障的修复。同时由于在热备份状态期间有风能的参与,UPS在热备份状态对电源的消耗也大大降低了,整体功耗大大的降低等有利于节能环保。系统整体结构框图如图2所示。3.2主动PFC电路PFC的英文全称为PowerFactorCorrection,意思是功率因数校正,功率因数指的是有效功率与总耗电量视在功率之间的关系,也就是有效功率除以总耗电量视在功率的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度,当功率因数值越大,代表其电力利用率越高。主控制部分风能滤波器静态开关APFC市电主DC/DCDC/ACAC输出蓄电池辅DC/DC
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