风力发电系统蓄电池充电控制器的设计-机电学院毕业设计(论文)开题报告

安徽工程大学机电学院安徽工程大学机电学院 本科毕业设计本科毕业设计( (论文论文) )开题报告开题报告 题目题目：风力发电系统蓄电池充电控制器的设计：风力发电系统蓄电池充电控制器的设计 课课 题题 类类 型：型： 设计设计 实验研究实验研究 论文论文 学学 生生 姓姓 名：名：李李先先亮亮 学学号：号：31121163183112116318 专专 业业 班班 级：级：电气电气 21132113 班班 教教 学学 单单 位：位：安徽工程大学机电学院安徽工程大学机电学院 指指 导导 教教 师：师：安安芳芳 开开 题题 时时 间：间： 201201年年月月日日 一、 毕业设计（论文）内容及研究意义（价值） 二、毕业设计（论文）研究现状和发展趋势（文献综述） 1、国内外风力发电状况概况 能源是现代社会和经济发展的基础。远期，能源工业面临矿物资源枯竭的问 题；近期，能源工业面临全球环境污染的压力。自 1973 年发生石油危机以来， 世界各国都在寻求替代化石燃料的能源，投入大量的经费进行研究开发。因此推 动了太阳能、风能等可再生能源的发展，成为近期内最有大规模开发利用前景的 可再生能源。20 年来风力发电从试验研究迅速发展为一项成熟技术，发电成本 从每千瓦时 20 美分降到 5 美分，接近常规能源发电，形成一个新兴的产业。我 国从 80 年代初把风力发电作为农村电气化的措施，主要研究、开发和示范应用 小型充电用风电机，供牧民和渔民一家一户使用。我国政府在 1992 年就环境和 发展问题提出 10 条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、 地热能、潮汐能、生物质能等新能源”。并陆续出台了“乘风计划”、“双加工 程”等。 丹麦是开发风电最早的国家，而且当前在风电机技术和生产方面仍处于领先 地位，风电装机约占发电总装机容量的 5%以上。2000 年德国风电装机 611.3 万 千瓦，连续几年居世界第一。表 1 为世界风电发展状况。 表 1 1世界风电发展状况单位:万千瓦 序 号 国家1990199319961997199819992000 1德国4765.0154.5208.1287.2444.5611.3 2美国155781.4167.7151.1177.0250.2（360） 3丹麦41.253.485.7111.6143.3173.3200 4西 班 牙 0.75.224.951.282.2172.2200 5印度0.64.081.694.0101.5107.7 6英国0.913.027.032.833.453.4（100） 7荷兰4.513.029.939.237.542.8（100） 8中国1.62.07.914.622.426.837.5 9意 大 利 0.10.57.110.319.924.9（60） 10瑞典0.82.010.512.217.621.6 世界各国总 计 218352618784（1000）（1500）（2000） 注： （ ）为预计数，美国前后统计不一 1） 、风力发电系统分类 风力发电的利用方式主要有两类，一类是独立运行（离网型）供电系统，即 电网未通达的偏远地区，如高山、草原和海岛等，用小型风力发电机组为蓄电池 充电， 再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电， 单机容量一般在 100W-10KW； 或者采用中型风电机与柴油发电机或光伏太阳电池组成混合供电系统， 目前系统 的容量约 10KW-200KW，解决小社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源， 并网运行，商业化的机组单机容量为 150KW-1650KW，既可单独并网，也可以 由 多台，甚至成百上千台组成风力发电场（简称风电场，国外亦称风力田） 。 本次 设计的充电控制器就是针对第一类独立运行（离网型）供电系统。 2） 、离网型风力发电系统的组成及基本的工作原理 图 1 就是一般的离网型风力发电系统的组成示意图。其基本的工作原理为： 风力机把风能转化为机械能，拖动发电机发电。发出的三相交流电经整流器整流 后得到直流电，一方面给直流负荷供电，一方面通过充电控制器给蓄电池充电。 在发电机发出的电能不足的情况下， 蓄电池中储存的电能经逆变器输出三相交流 电，供给交流负载。 三相整流器逆变器 蓄电池直流负荷 充电控制器 交流负载 发电机 风力机 图 1离网型风力发电系统的组成 在离网型风力发电系统中，蓄电池是必不可少的辅助设备。蓄电池在风力发 电设备中主要起两个作用。一是储能，由于自然风是不稳定的，有时大有时小， 一旬或一日之内相差很大，所以有风时把电能储存起来，以备无风时使用，以保 证正常供电；二是稳压，风力发电机的转速和输出电压大小决定于风速大小。由 于自然风速变化很大，使电压剧烈变动，无法用电，而通过蓄电池调节，供电电 压即可保持稳定。蓄电池属于化学电池，由离子导电性的电解液和两边的正极、 负极组成。放电时，通过氧化反应，将化学反应吉布斯能的差值变为电能由正负 极引出使用。反之，在充电时发生还原反应。从理论上讲可达到 100的可逆反 应，故可在寿命期间内重复充电和放电。蓄电池的种类很多如：铁-镍蓄电池、 镉-镍蓄电池、锌-银蓄电池、氢-镍蓄电池、锂离子二次电池等。但至今，无论 是在产量上，还是在应用领域上铅酸蓄电池仍然占主导地位。本次的设计主要的 就是针对铅酸蓄电池。蓄电池容量配置是否合理，对风力发电的技术经济指标影 响很大。容量选小了，有风时发出的多余电量不能充分储存，无风时用电就得不 到满足供应；容量选大了一则增大了投资，二则蓄电池可能长期处在充电不足状 态，影响使用寿命和效率。对风能储能的蓄电池，要求免维护型，因为风能用在 较偏僻的地区，用户科学知识较少，所以使用越简单越好。近年来国外发展的完 全免维护密封型蓄电池，对用户来说是很方便的。 2、常规充电方法综述常规充电方法综述 1 1） 恒压充电 在电池两端加上恒定的电压，那么充电电流为：I=（V-E）/r，因此，当充 电初期时，电池电动势比较低，充电初期有很大的电流。随着充电过程的进行， 电池电动势上升，充电电流自动下降，直到充电终止。由于充电后期电流减小， 很容易控制过充。这种充电方法使充电电流与电池电动势联系起来，而电动势又 是电池内部物理、化学状态的反映。因此，这种充电方法是有效的、相对于恒流 充电而言有着更多的优点。但是，恒压充电也有许多不足之处:在充电初期时充 电电流非常大，而充电末期，由于电池电动势的回升使得充电电流又非常小，充 电设备容量难以充分利用:而且充电电压微小变动就会引起充电电流很大变化: 电动势变化所反映的电化学过程与充电电流之间不仅仅是线性关系， 因而仅仅以 线性关系来描述并不理想。 2） 恒流充电 在充电过程中，以一定的电流进行充电。在充电过程中随着电池电压的变化 要调整电流使之恒定，一般采用10h或20h率电流充电。恒流充电方式的不足是， 开始充电阶段的电流过小，在充电后期充电电流又过大。在整个充电过程中能耗 高，充电效率不足65%。恒流充电的变型是分段恒流充电，为避免充电后期电流 过大的缺点，在充电后期把电流减小。因此此法也叫递减电流充电法。 3） 恒压限流充电 恒压充电开始时电流很大，温度升高过快，会对电池造成危害。为了防止电 流过大，一般在充电的过程中限制电流在一定值，这样的充电方式便称为恒压限 流充电方式。在其限流阶段，实际上是以限流值为恒值的恒流充电。因此，这种 方式又可称为混合充电方式。恒压限流充电是一种非常有效的充电方式，如果加 上过充判断、浮充控制、温度补偿等，就形成了一个简单的电池管理系统，蓄电 池可以在这个系统控制下更好的工作。 4） 绢流充电 在蓄电池组放电过程结束之后，为了使得电极化学物质可以有个逐渐恢复的 程， 希望在这种状态下以相对较小一点的电流充电，等电池端电压上升到一定数 值之后，再采用大电流的恒压限流充电方式，这种充电过程称为涓流充电过程。 涓流充电事实上是一种近似的恒流充电方式，它要保持充电电流稳定且很小，随 着电池状态的恢复，整流器的电压必须逐渐升高。涓流充电过程执行的时间和电 池放电深度有关，是否涓流充电的判据是电池端电压，而终止的判据是电池端电 压或渭充时间。 5） 浮充充电 浮充，不仅仅是一种充电方式，更准确地说应该是蓄电池的一种运行方式。 它是直流电源系统中，与整流器设备并联，作为支持系统工作的后备电源的蓄电 池工作方式。蓄电池在浮充工作方式下，充放电循环次数少，自放电和深放电的 容量又能及时补足，活性物质利用率高，使用寿命长。浮充使用时蓄电池的充电 电压必须保持一恒定值，在该电压下，充入的电量应足以补偿蓄电池由子自放电 而损失的能量。同时，应保证在相对较短时间内使放过电的电池充足电。这样就 可以使蓄电池长期处子充足电状态，不会由于欠充电造成容量损失。另一方面， 该电压的选择应使蓄电池因过充电而造成的损坏达到最低程度。因此，选择恰当 的浮充电压对于蓄电池的使用寿命来说是至关重要的。 三、毕业设计（论文）研究方案及工作计划（含工作重点与难点及拟 采用的途径） 1、研究方案： 风力发电系统蓄电池充电控制器， 其主电路采用双管正激 DC-DC 变换器拓扑 结构。其控制电路主要是由芯片 SG3525、采样电路和一些运算比较电路组成。 控制电路的主要作用是对主电路的充电电流、电压进行双闭环控制，其中电压环 为外环，电流环为内环。 2、工作计划： 第 1- 2 周：接收毕业设计任务书，了解设计内容； 第 3-4 周：查阅收集相关课题资料并完成开题报告； 第 5 周：国内外风力发电状况概况，风力发电系统分类，离网型风力发电 系统的组成及基本的工作原理； 第 6-7 周： 风力发电系统蓄电池充电控制器设计： 双管正激变换器的工作原 理，主电路中主要器件参数的计算； 第 8-9 周：SG3525 的特性分析，控制电路及辅助电路的设计； 第 10-12 周： 电流电压双闭环电路的设计， 功率管 MOSFET 驱动电路设计； 第 13 周：风力发电系统最大功率点跟踪的探讨； 第 14-16 周：查阅资料，书写论文，准备答辩。 四、主要参考文献（不少于 10 篇，期刊类文献不少于 7 篇，应有一 定数量的外文文献，至少附一篇引用的外文文献（3 个页面以上）及 其译文） 1 张占松 蔡宣三著， 开关电源的原理与设计 ，电子工业出版社,1999 2 王兆安 黄俊著， 电力电子技术 ，机械工业出版社,2003.9 3 杨宝清 宋文贵著， 实用电路手册 ，机械工业出版社,2002.6 4 康华光 陈大钦著， 电子技术基础-模拟部分 ，高等教育出版社,1999.6 5 陈伯时著， 电力拖动自动控制系统 ，机械工业出版社,2003.7 6 朱松然 张勃然著， 铅蓄电池技术 ，机械工业出版社，2002 7 贾要勤 曹秉刚 杨仲庆，风力发电的 MPPT 快速响应控制方法，太阳能学报， 2004 年 4 月第 2 期第 25 卷 P171-P176。 8 陈鹏 耿读艳 李志军 杨彦杰，基于 bq2031 的开关型铅酸蓄电池充电控制 器， 国外电子元器件 ，2002 年第 11 期。 9 邱允和 车杰 王鸿