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基于 风力 发电 UPS 电源 设计

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学生姓名孙普境班级应教043指导教师张伟论文（设计）题目基于风力发电的UPS电源设计目前已完成任务1.开题报告已经完成并且上交；2.已完成中英文相关资料的搜集工作；3.资料的整理工作已经结束；4.已完成电路的设计和制作。 是否符合任务书要求进度：符合尚需完成的任务UPS程序的调试和风力发电系统的联机调试，需要对资料进行整理、写出毕业论文。能否按期完成论文（设计）：能按期完成论文存在问题和解决办法存在问题1.查找资料和画图时经验不足。2.升压电感选择不合理。3.电压放大器补偿网络电阻R11阻值还没有确定。拟采取的办法1.及时和导师、同学沟通，解决遇到的问题。2.大量查阅相关资料，及时完成论文。指导教师签 字日期 年 月 日教学院长（系主任）意 见 签字： 年 月 日河南科技学院本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表The working principle of PS Series一. PS series of high-frequency edge ofFirst of all, PS Series UPS input for the partial lifting of the isolation of the city-frequency step-down transformer or autotransformer used, and the use of high frequency SPWM technology of rectifier (AC / DC). On the one hand, improved the city to allow changes in the scope of electrical voltage; on the other hand, the use of technology in controlling the digital signal processor (DSP) control, with the result of input current sinusoidal and the city with an electric voltage, UPS in order to achieve high input power factor (PF 1), the elimination of the citys harmonic pollution to achieve environmental objectives is a green UPS, at the same time Vice-reactive loss reduction, significantly reduced operating costs. Second, to abandon the traditional inverter output frequency transformers, high frequency transformer to achieve the UPS and the citys isolation, not only low noise and high efficiency, the output stage in the UPS inverter control circuit in the use of sine wave direct feedback technology to regulate high-speed, far better than traditional analog feedback technology, combined with small filters and the output SPWM modulation above 20kHz, so UPS is very good dynamic response, but also a very pure sine wave output smooth. In addition, the protection of the inverter circuit used in the filter performance protection technology, so that the inverter is not only a strong function of the overload, and have a strong self-protection; PS Series UPSs internal battery has also taken high-frequency transformation charge, when the city electricity power failure, UPS battery conversion on the grounds to the inverter power supply was also taken to transform high-frequency step-down mode (DC / DC) to achieve.二. PS series of intelligent edgeIntelligent UPS system status, including automatic identification and control, system failures, and self-diagnosis, automatic battery monitoring and management, intelligent detection and internal information displayRunning in the system identification and control, and status through an internal sensor system to identify where the logic of the operation, determine the procedures and operating systems are in working order, to effectively prevent the misoperation of the system itself and the load on the system brought about by hazards, to improve the reliability of the UPS.Another aspect of intelligent UPS is running on a PC machine control software to achieve, through the RS232 interface will be UPS with serial port to connect PC-and PC-run UPS monitoring software, from time to time by the PC to send inquiry machine instructions, UPS is the time required to return information on operating parameters, and then further by the PC machine running on the UPS status, such as failure to determine the exact location and, if necessary, give directions to the UPS to intervene and remind the maintenance personnel, and for UPS electric automatic stay of time before the end of the operation of a computer or LAN, and automatically save the scene.三. PS series of network edgeIn a large number of monitoring the introduction of micro-processing technology, based on the PS series of four in the UPS and computer network to establish two-way communication between the management functions control the UPS as an independent wide-area network nodes and communications adapter fitted to the UPS the distribution of independent IP address. In this way, network administrator or an authorized person can be anywhere in the network management computer network such as UPS, as the case of real-time remote monitoring, the use of such control functions of computer network user terminal in real-time monitoring of the UPS operational parameters (such as: input, output voltage, current and frequency, UPS battery charge, discharge and voltage values of the show, UPS output power and the failure of the police information). In addition, users can also end in the computer network on the output of the implementation of regular UPS automatic start, automatic shutdown in an orderly shutdown of operations will ensure that the users software and data secure. In short, the four PS Series UPS using MOSFET and IGBT power components, has successfully achieved the high frequency of small and medium-sized and high efficiency, but also extended battery life, and intelligent network technology to provide complete and reliable network power management, also provides an optimal energy-saving programs. Stone can be said to conform to the latest PS Series of UPS technology development trends, in terms of performance is a very competitive price of products, will be in Chinas UPS market, enterprise-class access to remarkable results.PS系列的工作原理一PS系列的高频化优势 首先，PS系列UPS的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（PF1），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。 其次，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。 另外，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。 二PS系列的智能化优势 UPS的智能化包括系统运行状态自动识别和控制、系统故障自诊断、蓄电池自动监测管理、智能化内部信息检测与显示等。 在系统运行状态识别与控制方面，通过内部传感器和状态逻辑及时识别系统所处的运行状态，判定系统运行程序和运行是否正常，有效地防止了系统的误操作对系统自身和负载所带来的危害，提高了UPS的可靠性。 UPS智能化的另一个方面是通过运行于PC机内的监控软件实现的，通过RS232接口将UPS与PC机串口连接，并在PC机上运行UPS的监控软件，由PC机定时发送查询指令，UPS则在规定的时间内返回运行参数信息，再由PC机进一步对UPS的运行状态、故障的具体部位等进行判断，并在必要时对UPS发出指令进行干预和提醒维护人员，并在UPS供电时间结束前自动中止计算机或局域网的运行，并将现场信息自动存盘。 三PS系列的网络化优势 在大量引进微处理监控技术的基础上，四通PS系列能在UPS和计算机网络之间建立起双向通信调控管理功能，把UPS当作广域网络的一个独立节点并装上通讯适配器，给UPS分配独立的IP地址。这样，网管员或被授权人可在网络的任何地方通过网络像管理计算机一样对UPS的情况进行实时远程监控，利用这种控制功能用户可在计算机网络终端上实时监控UPS的运行参数（例如：输入、输出的电压、电流和频率，UPS电池组的充电、放电和电压值的显示，UPS的输出功率及有关的故障、报警信息）。此外，用户还可在计算机网络终端上对UPS的输出执行定时的自动开机、自动关机操作，有序的关机操作将确保用户的软件和数据的安全可靠。 总之，四通PS系列UPS使用MOSFET及IGBT功率元件，成功地实现了高频化、小型化与高效率，也延长了蓄电池的使用寿命，而网络智能化技术不仅提供完全可靠的网络电源管理，也为节能提供了一种最佳的方案。可以说四通PS系列顺应了最新的UPS技术发展趋势，是一款在性能价格上极具竞争力的产品，必将在中国的企业级UPS市场上取得令人瞩目的成绩。河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书题目名称：基于风力发电的UPS电源设计学生姓名孙普境所学专业应用电子技术教育学号20040325002指导教师姓名张伟所学专业机械电子职称讲师完成期限2008年12月16日至2009年6月5日一、论文（设计）主要内容及主要技术指标主要设计内容：设计研制在风力发电下UPS系统，将风能充分且高效的运用和融合到UPS系统中。并对整个UPS系统和风力发电的的融合和技术革新主要技术指标：1对我国风能能源的调查分析2对风能发电机的研究；。 3对风能发电机能量控制器的研究；4大功率UPS的研发与制作；5UPS蓄电池的选型二、 毕业论文（设计）的基本要求1.毕业设计（论文）一份：有200字左右的中英文摘要，正文后有20篇以上的参考文献，参考文献应在20篇以上，主要是期刊、杂志，少量是教材。正文中要引用5篇以上文献，并注明文献出处。论文总字数在6000字以上。2.有不少于2000汉字的与本课题有关的外文翻译资料。3.毕业设计总字数在10000字以上。4.附电路原理图3、 毕业论文（设计）进度安排1. 2008年12月16日-2008年12月21日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料翻译和开题报告。2. 2009年2月16-2月27日（第1-2周），指导教师审核开题报告、设计方案和英文资料翻译。3. 2009年3月2日-4月24日（第3-10周），毕业设计单元部分设计。4. 2009年4月20日-4月30日（第10-11周），毕业设计中期检查。5. 2009年5月4日-5月22日（第12-14周），设计仿真、程序调试、线路板制作调试，整理、撰写毕业设计报告。6. 2009年5月25-6月5日（第15-16周）上交毕业设计报告，指导教师、评阅教师审查评阅设计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计报告。目 录1前言11.1风力发电的国内外发展现状11.2 UPS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63.3 UPS 主功率变换电路83.3.1 DC/DC主功率变换83.3.2 SPWM 调制103.4 主控电路123.5 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133.6 UPS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1 PFC控制电路图20附录2 主控部分电路21附录3 程序清单22281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1.52.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1.52.5MW、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。1.2 UPS的基本知识UPS的中文意思为“不间断电源”，是英语“Uninterruptible Power Supply”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”。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72.5%；15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（Uninterruptible Power System）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PLD+MCU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Intel 87c196MC或Motoroal MC68HC11K4, 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（PF1），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。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“Power Factor Correction”，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。 功率是能量的传输率的度量，在直流电路中它是电压V和电流A和乘积。图2 系统整体结构框图在交流系统里则要复杂些：即有部分交流电流在负载里循环不传输电能，它称为电抗电流或谐波电流，它使视在功率( 电压Volt乘电流Amps)大于实际功率。视在功率和实际功率的不等引出了功率因素，功率因素等于实际功率与视在功率的比值。视在功率：即交流电压和交流电流的乘积，用公式表示为：S=UI式中，S是额定输出功率，单位是VA（伏安），U是额定输出电压，单位是V， 如220V、380V等；I是额定输出电流，单位是A。 视在功率包括两部分：有功功率（P）和无功功率（Q），有功功率是指直接做功的部分。比如使灯发亮，使电机转动，使电子电路工作等。因为这个功率做功后都变成了热量，可以直接被人们感觉到，所以有些人就产生一个错觉，即把有功功率当成了视在功率，孰不知有功功率只是视在功率的一部分，用式表示：P=SCOS0=UICOS UIF式中，P是有功功率，单位是W（瓦），F=COS 被称为功率因数，而是在非线性负载时电压电流不同相时的相位差。 无功功率是储藏在电路中但不直接做功的那部分功率，用式表示：Q=Ssin=UIsin。上式中，Q为无功功率，单位是var（乏）。主动式PFC，也称有源PFC。主动式PFC使用主动组件 控制线路及功率型开关式组件(power sine conductor On/Off switch)，基本运作原理为调整输入电流波型使其与输入电压波形尽可能相似，功率因素校正值可达近乎100%。 此外主动式PFC有另一项重要附加价值，即电源供应器输入电压范围可扩增为90Vdc到264Vdc的全域电压，电源供应器不需要像以往一般需切换电压。为保证电网的纯净和使用效率，在UPS 输入端加入主动PFC来调整整机的功率因数，使整机更具高效的工作。主动PFC电路由高频电感、开关管、电容以及控制IC等元件构成，可简单的归纳为升压型开关电源电路，功率因数高达0.99、低损耗和高可靠、输入电压可以从90V到270V（宽幅输入），输入电流也会经由PFC电路调制和正弦波同步变化。进一步提高能量的利用率。选取美国电源芯片巨头安森美公司（ON）的UC3854电源PFC高效管理芯片来做为输入PFC的整体电路设计，采用四只大功率CMOS管来保证整机效率的调整。使输入的电压电流相位尽可能相同，功率因数尽可能的接近于1 。电路如附录1所示。3.3 UPS 主功率变换电路 UPS的主功率变换电路采用桥式拓扑功率变换结构，将蓄电池的直流12v或24v直流电压升压逆变为120v，或者240v直流电压。然后经过SPWM调制电路进行直流交流变换为110v或者220v准正弦波60hz或50hz交流电压输出。下面我们分别对DC/DC主功率变换电路和SPWM调制电路进行介绍。 3.3.1 DC/DC主功率变换于DC/DC主功率变换电路我们采用桥式拓扑功率变换来实现。桥式拓扑变换，来源于主功率控制的电源管由四只同型号的大功率管组成中间串接变压器初级线圈，在电路结构上构成一个形象的桥的结构形状，故名桥式拓扑变换。它以大功率输出，负载能力强，驱动容易，过载能力及过电流能力强等优点被广泛应用于大功率电源，逆变电源，电动机驱动等电路中。在这里我们为了保证系统的稳定工作采用来桥式变换为主逆变电源的电路拓扑形式，电路原理图如图3所示。我们可以通过简单的电路拓扑结构图（如图4所示）和桥式拓扑图3 主逆变电源的电路拓扑图驱动时序图（如图5所示）来简单了解一下它的工作原理。图4 电路拓扑结构图图5 驱动时序图全桥逆变电路的基本结构如图4所示。它主要由直流电源E、变压器T、四只功率开关VT1、VT2、VT3、VT4及四只二极管组成。我们现在根据图5的时序图来分析一下电路的工作原理，首先令VT2和VT3的控制电压Ug2和Ug3为负值，使VT2和VT3截止；令VT1和VT4的控制电压Ug1和Ug4为正值，使VT1和VT4导通，如图5中的t1t2时段。VT1和VT4导通后，电流的流通路径为；EVT1变压器初级VT4E。如果忽略VT1和VT4导通后的管子压降，则变压器初级电压为u12=E变压器次级电压u34=EN2/N1（N1、N2分别为变压器的初级次级匝数）。VT1和VT4在t2时刻关断，此后四个功率器件均截止。至t3时刻，VT2和VT3导通，电流经EVT3变压器初级VT2E流动。忽略VT2和VT3导通后的管子压降情况下，u12= - E、u34= - EN2/N1 。VT2和VT3在t4时刻关断。若电路按照上述的方式周而复始的工作，则可在变压器次级获得交变电压，从而实现直流变交流的功能。图5 为控制电压及输出电压波形。图中，t2时刻所对应的输出电压的反向尖峰脉冲是变压器等效串联电感通过二极管释放能量所致。此即为桥式拓扑的DC/DC变换的工作原理。3.3.2 SPWM 调制SPWM调制是整个系统的又一个技术核心，是将逆变产生的高压脉动直流电压调制为平滑稳定的工频交流电压的核心控制技。SPWM调制方式分为单极性SPWM调制、双极性SPWM调制和单极性SPWM倍频调制5。PIC系列单片机CCP模块的特点决定其无法完成单极性倍频调制,所以再这里我们采用双极性SPWM调制方式。下面我们简单介绍一下双极性SPWM产生和控制原理。所谓PWM法就是在周期不变的条件下通过改变脉冲波形的宽度来抑制谐波和调节逆变器输出电压的大小。而SPWM法就是在PWM的基础上，使输出电压脉冲在一个特定的时间间隔内的能量等效于正弦波所包含的能量。为了实现SPWM，可将正弦波的一个周期平均分成2N等份，于是每一份的宽度为/N。在假定的电压脉冲幅度不变且不小于正弦波风之条件下，使第i（i=1，2，3， ，N）等分的电压脉冲与正弦波所围面积相等，即 在已知电压脉冲值E和正弦波峰值Um的前提下，能量等效法可以求出等效电压脉冲在半个周期内的宽度。很显然当N=1时就是单脉冲PWM，因此要使SPWM具有更好的谐波抑制能力，必须尽可能将N值取大。图6 给出了当图6 N=12时的SPWM脉冲图N=12时的SPWM脉冲。在此原理的基础上，我们可以用高速单片机来产生SPWM信号，根据正半周SPWM波关于/2对称的特点，可以通过查表方法从列表中读出完整的脉冲宽度参数。这样就输出了完整的SPWM的波形。 下面我们介绍一下本设计采用的双极性SPWM工作原理和电路结构。在图7给出的是全桥式逆变器的双极性调制主功率输出部分电路。图8 给出的是SPWM控制时序图。图7 全桥式逆变器的双极性调制主功率输出部分电路图在图7中Q9，Q10，Q11，Q12，为SPWM主功率调制的功率管在电路图中省去了部分驱动电路电路，整体工作原理为在四只功率管控制极输入如图8相应的控制波形，来将输入的直流信号按照准正弦波进行功率调制，然后经过L5，L6，L7，C14，C15，C17组成的LC滤波网络进一步平滑输出电压，达到输出准正弦交流电的目的。图8 给出的是SPWM控制时序图3.4 主控电路主控部分是整个系统的软件技核心术所在，主要包含，风力发电机输出电能的控制，电池电源管理，电池热备份与工作的切换，控制IGBT的PWM波的产生与驱动，输入输出电压电流检测，过压过流保护，电池电压电流检测，空载保护，及各种同步信号的产生等等。整个控制检测部分，分为软件和硬件两个部分。硬件电路有PIC17C43单片微型计算机及其外围电路组成，软件部分有SPWM波产生，外部电压电流检测，保护，风能引入的PID控制算法DC/DC转换的控制脉冲算法，及各种同步信号的产生算法等程序组成。下面我们来看一下设计原理图：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。电池电压和风力发电机的电压同样也经由ADC10154模数转换后送入PIC17C43主控芯片，用来控制市电对电池的充电和风力发电机对电池的充电切换。实现风能向UPS输入的智能控制，同时实现了市电和风能的无缝隙的切换，保证了UPS的稳定长时高效的运行。同时主控芯片还将输出多路的控制同步信号如电池电压同步控制信号，PFC同步控制信号，空载检测同步控制信号等等。另外主控芯片对于SPWM波的产生也做了相应的处理，输出诸如SPWM，FAULT， ENABLE， POS-NEG，等诸多控制信号给H桥电路及其驱动电路以保证输出平滑稳定的正弦波。电路如附录2所示。3.5 风力发电控制及市电充电部分3.5.1风力发电控制风力发电系统和蓄电池分时整个UPS系统的能源供给和存储，决定着整个UPS的工作时间和应用价值。一方面如果应用地区风能资源蕴含量非常丰富，风力发电机所能提供的能量足以驱动负载，则这时只需配备小容量的蓄电池作为简单的能量存储以备不时只需即可，如果应用地的风能蕴含量不太多时，则需要配备容量较大的蓄电池作为后备能源，风能在这时只参与热备份状态下的能量补充。在风力发电控制部分，由于风能的供给和风速是成正比的关系，即风速越高，能提供的风能就越大。对于本系统而言，风速越大风力发电机能提供的输出端电压就越高，反之就越低。风速的变化引起了风机输出电压的不稳定，如果直接拿这个不稳定的能量给蓄电池充电或者给系统供电，这将是一个致命的错误。这就需要在风机输出端和系统之间加接一个稳压控制环节，即当风机输出电压达到蓄电池最佳充电电压的时候让风机延时接通对蓄电池充电，已达到风能的最优引入。3.5.2市电充电部分在市电正常，系统工作正常且风能不能及时补充蓄电池系统电能的情况下，这时的蓄电池热备份系统由系统内部的蓄电池高频充电系统来完成蓄电池的充电。系统采用美国高频电源管理芯片UC3845和一只10N60大功率IGBT构成单端反激式电源来对蓄电池进行充电。它具有过充保护，大电流充电和涓流充电自动转化，以高频脉冲充电，优化电池内部结构等优点，是一款优秀的蓄电池充电电路。具体电路在这里就不在详细介绍。3.6 UPS的蓄电池部分目前在UPS不间断电源中，广泛使用密封式免维护蓄电池作为储存电能的装置。蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能而储存起来。当市电供电中断时，UPS电源将依靠储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作。此时，蓄电他通过放电将化学能转化为电能提供给UPS电源使用。UPS电源要求所选用的蓄电池必须具有有短时间内输出大电流的特性，一般要求蓄电池的后备供电时间在10分钟左右。在UPS电源运行中，如果遇到市电供电中断时，蓄电池必须在用户所预期的一段时间内向逆变器提供足够的直流能源，以便在带额定负载的条件下，其电压不应下降到蓄电池组所能允许的最低临界放电电压以下。我们已经知道蓄电池的实际可供使用容量与放电电流大小，蓄电他环境工作温度，蓄电池存储的时间长短、负载特性(电阻性、电感性、电容性)等因素密切相关。只有在考虑上述因素之后，才能正确选择和确定蓄电他的可供使用容量与蓄电池标称容量的比率。影响蓄电池容且选择的另一重要因素是负荷种类和特性。目前常用的微型机及其配件的负载特性被示于表1中。目前有两种可供用户选择的办法被用来确定用户所需的蓄电池的容量(安时)值。当用户在确定他所需的UPS电源后的额定输出功率及当市电供电中断后，所需的电池组的后备供电时间等运行参数后，就可进行如下的估算：利用电池组的恒流放电曲线来估计，为此要求首先计算出蓄电他的最大放电电流值：式中：是UPS电源的标称输出功率；是用户负载的功率因数是逆变器效率。一般取为0.9，是蓄电池组的临界放电电压(对于12伏的蓄电他而言，其临界放电电压约为l0伏，对于2伏的蓄电他而言，其临界放电电压约为1.67伏)表1 常见的微机、服务器及其配件的负载特性名称消耗功率（伏安）手提式386电脑75Compaq 386/35eW/VGA250Compaq 386/33W/VGA300Compaq 486-66W/VGA500IBM PC Server 500700SUN SPARC Server 10002000IBM AS/40022006 Compaq System Pro Server3000IMB PS/2 95 Server W/XGA3758 IBM PS/2 55 SXW/VGA1600DEC Station 5000600IBM RS/6000 320W/19mon 450IBM RS 6000 mode 980B1600Divetti SNX 140/160R600典型单色显示器35典型双色显示器75典型打印机工作时80不工作时30根据用户所选定的蓄电池组的后备供电时间，和从厂家拿到所需的电池组的放电速率值。据此，我们就可以根据而得到应该配置的电他组的容量(安时)值。4软件系统设计4.1 主程序设计分析单片机PIC17C43软件控制的交流正弦波部分，至关重要的是循环要够快，尽量减少失真波形输出。因此，循环速度是微控制器一个关键的参数。该结构足够高效支持该设备运行在33MHZ（121ns指令周期），因此可以很容易地满足25MHZ（160ns指令周期），以满足失真的要求，主程序设计流程如图9所示。单片机通电开始初始化（其中初始化模块由硬件初始化和软件初始化两部分组成，硬件初始化主要是对单片机及其它相关电路进行初始化，而软件YYNYNNYN计算输入电源频率检测输入?50Hz或60Hz？置于50Hz的表格置于60Hz的表格IImax或VVmax?逆变器启用？ 否？设置标志位检测输入?设置标志位禁止PWM禁止中断设置标志位开始图9 主程序流程图初始化主要是对各种软件标志位和接口进行初始化，同时将单片机的进行初始化。），软件等待的零交叉点和计算输入频率。根据计算查表，基于零交叉检测循环开始，随后检测电流电压是否大于系统的最大值，没有超过其最大值将继续进行， 检查逆变器是否启用？若没有启用，将禁止PWM和中断，并设置标志位，如果逆变器已经启用，将检测输出并设置标志位。程序清单见附录3。4.1 中断处理程序分析中断设置的目的是定期对输出波形进行调整，中断被设定在程序周期运行的过程中，在程序运行过程中有32个中断。电源接通后首先是中断初始化，在中断期间，须有足够的资源以执行二个的A / D转换（电流和电压），计算偏移量，调整输出占空比。以保证逆变输出的交流电压没有过冲现象（即输出电压出现不可控的持续升高现象）同时在恒定输出过程中中断程序还会对输出波形尽行合理的完善。中断流程图如图10所示。预置定时器采样率读取电压值读取电流值计算电压偏移量计算电流偏移量计算出新的占空比返回图10中断流程图5测试结果5.1 无负载情况下测试在无负载， 没有反馈的条件下，ups输出波形如图11所示。这输出波形是实际输出波形加强版。图11无负载无反馈条件下UPS的交流输出5.2有负载情况下测试在有负载， 没有反馈的条件下，ups输出波形如图12所示，所用负载为电阻，最大允许电流8.6A。图12有负载无反馈条件下UPS的交流输出在有负载， 有反馈的条件下，ups输出波形如图13所示，所用负载是电阻和电感，最大允许电流8.6A。图12有负载有反馈条件下UPS的交流输出6应用前景由于广大农民生活水平提高、用电量不断增加，同时迫切希望不间断用电，因此“风力发电系统”的推广应用明显加快，并向高品质UPS组合式发展，成为今后一段时间的发展方向。 随着国家可再生能源法及可再生能源产业指导目录的制定，相继还会有多种配套措施及税收优惠扶植政策出台，必将提高生产企业的生产积极性，促进产业发展。 目前我国尚有2.8万个村、700万户、2,800万人口没有用上电，且分散居住在边远山区、农牧区、常规电网很难达到，有关专家分析700万无电用户中、300万户可用微水电解决用电，而400万户可以用小型风力发电或风光互补发电，满足农牧民用电需要。作为可再生能源主要支柱之一的小型风力发电行业在2005年度得到长足的发展，其中200W、300W、500W机组共生产24,123台，占全年总产量的72.5%；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UPS系统。而随着3G通讯时代的到来，通讯基站的大量建立，大容量的UPS系统也显得尤为重要，如何维持长时间稳定的工作，称为一项重要的指标，同时也为通讯的畅通无阻提供了可靠地保障。这样看来无论在民用，商用，军队，政府机构，信息科研等领域基于风能发电的UPS系统都能找到他的用武之地。而且随着信息化社会的到来还会越发的凸显出它的重要作用。 7 致谢非常感谢张伟老师和陈艳峰老师在毕业设计及论文写作中给予我们的指导与帮助。从毕业设计和论文写作一开始，张老师就给我们制订了详尽却又环环相扣的计划，并且在每周都进行检查和指导，使我们循序渐进、有条不紊地展开论文设计。在这个实用性很强的课题中，张老师由点到面的指导让我们少走了很多弯路，也让我们学到很多书本上没有的内容。同时感谢李峰同学在毕业设计期间与我紧密的合作和支持。在设计中，虽然各有侧重，但我们几乎每天都要一起在实验室里研究相关资料与文献、讨论软硬件的结合、构思程序在电路上的实现方式。他们的踏实肯干以及连贯的专业知识让我印象深刻，非常值得我的学习。参考文献1 世界风能协会.2005年全球风能统计J.中国风能，2006（1）：17202贺德馨:2020年中国的科学和技术发展研究J.科技和产业,2004,4(1):363 李德孚:2005年小型风力发电行业现状与发展J.中国风能,2006,(2):9114 李成章.智能化U PS 供电系统原理与维修M. 北京:电子工业出版社, 19995 王翠珍，唐金元.可调直流稳压电源电路的设计J.中国测试技术，20066 李成章.现在UPS电源及电路图集M.北京:电子工业出版社,2001.7张广明, 沈卫东, 曲颖, 等UPS高可用供电系统设计与应用M.北京:北京人民邮电出版社,20048王其英, 刘秀荣.新型不停电电源(UPS)的管理使用和维护M北京:北京人民邮电出版社,20059UsersM anual fo r series A P200. 199610钱希森.小型UPS 原理及应用M北京: 科学出版社,200011候振义,王义明.UPS电路分析与维修M.实用能源技术,北京:科学出版社,200012蔡宣三.静止型UPS的发展动向J.电信技术,1992(3):8-413周俊杰,钱晓耀,陈上挺.一种基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源J. 机电工程 2008, 25(4):9910714YANG Yin2fu, L IU J ing2bo. 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