（精密仪器及机械专业论文）离网型智能化风力发电系统控制器的研制.pdf

离网型智能化风力发电系统控制器的研制 学科：精密仪器及机械 凳喜麦篙嘉紊唿1 锄 指导教师签字。：。，一了叫钾 摘要 离网型风力发电系统控制器对于风力发电站的构建和良好运行至关重要。原有的控 制器大多为单机控制模式，扩容困难，可靠性差，不能满足多样的风力资源环境。 本文采用主控板和功率模块的两级控制架构，进行风力发电系统控制器的设计。功率 模块独立控制一路风力机工作；主控板对所有功率模块进行管理，通过控制功率模块来控 制风机的投切，同时主控板还负责整个电站工作参数的采集，蓄电池的充放电管理，温度 补偿，报警信号的输入输出以及与上级监控主机的通讯等。实现了多台小功率风机通过组 合构成各种不同规模的风电站。论文主要包括以下几个内容： 1 ) 通过研究铅酸蓄电池的充电原理，分析蓄电池的充电特性曲线，改进了分段式充电方 法，设计了一种适用于多台风机同时给蓄电池组充电的逐级投切式的充电算法。 2 ) 研究了c a n 现场总线的通信原理，分析了其特点、性能及优势，确定了c a n 总线作 为控制器系统的内部通信总线。 3 ) 完成硬件设计，采用了a t 9 0 c a n 3 2 芯片作为主控板和功率模块的主控芯片，实现了 单片机最小系统电路、信号采集及调理电路、i o 控制电路、c a n 总线节点通信电路、 基于双恒流源的3 线铂电阻测温电路、串口通信电路、m o s f e t 开关驱动电路等模块 的设计并进行了详细地论述。 4 ) 实现软件设计，通过使能主控芯片的片上资源和外围电路，以及充放电参数的采集、 判断与c a n 总线的传输，实现主控板控制放电回路，同时通过功率模块控制充电回 路的功能。根据逐级投切的充电算法，设计了充电程序流程图，对主控板进行嵌入式 编程，使主控板按照设计算法控制整个系统进行充电。 5 ) 最终完成了功率模块和主控板的硬件电路和软件设计并制版调试。进行了原型样机的 功能性实验验证，实现了方便地增加或裁剪发电系统的容量，提高了系统的可靠性。 关键词：风力发电：控制器；a v r 单片机；c a n 总线；a t 9 0 c a n 3 2 ；充电策略 r e s e a r c ha n dd e s i g no fc o n t r o l l e rf o ro f f - g r i dw i n dp o w e r s y s t e m d i s c i p l i n e ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n ta n dm a c h i n e r y s t u d e n t s i g n a t u r e ：乃 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： “吭了7 “ a b s t r a c t t h ec o n t r o l l e ri sv e r yi m p o r t a n tt ot h ec o n s t r u c t i o na n dw e l lr u n n i n go ft h eo f f - g r i dw i n d p o w e rs t a t i o n g e n e r a l l y , t h ef o r m e rc o n t r o l l e r sa l m o s tw o r k e di nt h es t a n d - a l o n em o d e t h e y w e r ea b l et oc o n t r o ln om o r et h a no n ew i n dg e n e r a t o r i nt h i sm o d e ，t h ei n s t a l l e dc a p a c i 够o f w i n dp o w e rs t a t i o ni sd i f f i c u l tt ob ec h a n g e da n d s a t i s f yw i t ht h ev a r i o u sw i n de n v i r o n m e n t t h et w o s t a g ec o n t r o lc o n s t r u c t i o nw h i c hc o n c l u d e dt h em a i nc o n t r o lb o a r da n dt h ep o w e r m o d u l e sw a sd e s i g n e d b a s i n go nt h ec o n s t r u c t i o n , t h ec o n t r o l l e rs y s t e mw a sd e v e l o p e d e v e r y p o w e rm o d u l ec o n t r o lo n ew i n dg e n e r a t o rt ow o r k t h em a i nc o n t r o lb o a r dm a n a g ea l lo fp o w e r m o d u l e sa n di n d i r e c t l yc o n t r o lt h ew i n dg e n e r a t o r s m e a n w h i l e ，t h em a i nc o n t r o lb o a r di s c h a r g e dw i t hc o l l e c t i n gt h ep a r a m e t e ro fp o w e rs t a t i o n , o p e r a t i n gt h ec h a r g eo fl e a d - a c i d b a t t e r i e s ，c o m p e n s a t i n gt h ev o l t a g ec h a n g ec a u s e db yt e m p e r a t u r ec h a n g e ，t h ei n p u ta n do u t p u t o fa l a r ma n dc o m m u n i c a t i n gw i t hp c t h r o u g hc o m p o s i n gd i f f e r e n tn u m b e ro fl o w - p o w e r w i n dg e n e r a t o r s , t h et a r g e to f b u i l d i n gw i n dp o w e rs t a t i o no f d i f f e r e n tc a p a c i t yi sr e a l i z e d t h e c o n t e n to ft h i st h e s i sc o n c l u d e s ： 1 ) t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h ec h a r g ep r i n c i p l eo fl e a d - a c i db a t t e r ya n da n a l y s i s i n gt h ec h a r g e c u r v eo fb a t t e r y , t h ed i v i d a b l ec h a r g ep r o g r a mw a si m p r o v e da n dt h es t e p - b y - s t e pc h a r g e a l g o r i t h mw h i c hi ss u i t a b l et oag o o dn u m b e ro fw i n dg e n e r a t o r ss y s t e mw a sd e s i g n e d 2 ) t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h ep r i n c i p l ea n da n a l y s i s i n gt h ef e a t u r e s ，f u n c t i o n sa n da d v a n t a g e so f c a nf i e l d b u s ，t h ef i e l d b u si sd e c i d e dt ob et h ei n s i d eb u so f t h ec o n t r o l l e rs y s t e m 3 ) t h ed e s i g no fh a r d w a r ew a sc o m p l e t e d t h ea t 9 0 c a n 3 2w a sc b o o s e da st h ec o n t r o l c h i p t h ec i r c u i t so fs i n g l e c h i pm i n i m u ms y s t e m ，s i g n a lc o l l e c t i o na n dc o n d i t i o n i n g , c o n t r o l l i n g i n p u ta n do u t p u t ，c a nn o d ec o m m n i c a t i o n , t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tw i t ht h r e e 。w i r ep l a t i n u m r e s i s t o r , s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n , m o s f e ts w i t c hw e r ed e s i g n e da n d d e s c r i b e di nd e t a i l 4 ) t h ed e s i g no fs o f t w a r ew a sr e a l i z e d t h r o u g he n a b l i n gt h eo n - c h i pr e s o u r c e sa n dp e r i p h e r a l c i r c u i t s ，c o l l e c t i n ga n dj u d g i n gt h ep a r a m e t e r so fc h a r g eo rd i s c h a r g e ，t h em a i nc o n t r o lb o a r d w a sa b l et od i r e c t l yc o n t r o ld i s c h a r g ec i r c u i ta n di n d i r e c t l yc o n t r o lt h ew i n dg e n e r a t o r st h r o u g h p o w e rm o d u l e s a c c o r d i n gt ot h ea l g o r i t h mo fs t e p - b y s t e pc h a r g e ，t h ef l o w c h a r to fc h a r g e p r o g r a mw a sd e s i g n e d t h em a i nb o a r dw a se m b e d d e dp r o g r a m m e d f i n a l l y , t h em a i nc o n t r o l b o a r dc o n t r o lt h ec h a r g ep r o c e s sa c c o r d i n gt ot h ea l g o r i t h mi sr e a l i z e d 5 ) f i n a l l y , t h e h a r d w a r eo ft h ed e s i g nw a sr e a l i z e da n ds o l , r a r ew a s d e b u g g e dt o r u n s u c c e s s f u l l y t h ep r o t o t y p et e s tp r o v e dt h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n i ti sc o n v e n i e n tt o i n c r e a s i n ga n dr e d u c i n gt h es y s t e mc a p a c i t y t h er e l i a l i t yo ft h eo f f - g r i dw i l l dp o w e rs t a t i o nw a s i m p r o v e d k e yw o r d s ：w i n dp o w e r ；c o n t r o l l e r ；a v rm i c r o c o n t r o l l e r ；c a nb u s ；a t 9 0 c a n 3 2 ；c h a r g e s t r a t e g y 目录 1 绪论1 1 1 本文研究的背景1 1 1 1 风力发电控制系统简要介绍2 1 1 2 离网型风力发电控制器的类型2 1 1 3 离网型风力发电控制器的发展现状3 1 2 本文研究的意义4 1 3 本文研究的内容5 2 相关知识概述6 2 1 风能的特征6 2 2 风能的优势和弊端6 2 2 1 风能的优势6 2 2 2 风能的弊端7 2 3 风力发电机工作原理7 2 3 1 风力发电机的类型7 2 3 2 离网型风力发电机的选择9 2 3 3 风力发电机的功率曲线。1 0 2 4 现场总线技术1 0 2 4 1 现场总线技术的特点1 1 2 4 2 常见的现场总线标准1 1 2 4 3c a n 现场总线的独特优势1 2 3 离网型风力发电系统控制器结构和控制策略1 3 3 1 离网型风力发电系统的基本结构和装机容量1 3 3 1 1 离网型风力发电系统的基本结构1 3 3 1 2 离网型风力发电系统的装机容量1 3 3 2 本系统控制器的结构1 4 3 2 1 对控制器的基本要求1 4 3 2 2 控制器结构方案1 4 3 3 蓄电池常用的充电策略1 6 3 3 1 蓄电池的工作原理与选择1 6 3 - 3 2 影响铅酸蓄电池寿命的因素1 7 3 3 3 阀控式铅酸蓄电池的使用原则1 8 3 3 4 铅酸蓄电池的充电方法1 8 3 4 本系统控制策略19 4 控制器硬件设计2 1 4 1 总体设计的技术指标2 l 4 2 主控板硬件设计2 2 4 2 1 主控芯片a t 9 0 c a n 3 2 功能简介2 2 4 2 2 单片机硬件最小系统的设计2 3 4 2 3c a n 总线节点通信电路2 5 4 2 4a d c 采集电路2 7 4 2 5 基于双恒流源的3 线铂电阻( p t l 0 0 ) 测温电路2 9 4 2 6r s 2 3 2 串口通信电路31 4 2 7 液晶显示模块3 1 4 2 8 矩阵键盘3 2 4 3 功率模块的设计和整流模块的选择3 4 4 3 1 功率模块的设计3 4 4 3 2 整流模块的选择3 4 4 4m o s f e t 开关板的设计3 5 5 控制器软件设计3 7 5 1 选用的开发环境3 7 5 2 基于前后台式的嵌入式软件系统及模块化的软件开发过程3 7 5 3 充电算法实现程序3 7 5 4 模数转换采集程序3 9 5 4 1 模数转换程序流程3 9 5 4 2 定时器2 的使用4 0 5 4 3a d c 的使用。4 0 5 4 4a d 采集后的均值滤波处理4 1 5 5c a n 总线通信模块程序设计4 2 5 5 1c a n 控制器初始化4 2 5 5 2c a n 总线波特率的设置4 2 5 5 3c a n 控制器的i d 码设置4 2 5 5 4c a n 控制器发送程序4 3 5 5 5c a n 控制器接收中断服务程序4 4 5 6 矩阵键盘输入程序4 5 5 7 液晶显示程序设计4 6 6 实验4 8 6 。l 硬件电路高低温工作实验。4 8 6 2 基本功能验证实验4 8 6 2 1 实验平台搭建4 8 6 2 2 实验步骤4 9 6 2 3 实验数据4 9 6 3 实验结论4 9 7 结论5 0 参考文献5l 攻读硕士学位期间发表的论文5 3 致谢。5 4 学位论文知识产权说明5 5 学位论文独创性说明5 6 1 绪论 1 1 本文研究的背景 1 绪论 人类利用风能的历史是非常悠久的，比较常见的风能利用形式有风帆、风车等等。利 用风力发电的设想始于1 8 9 0 年的丹麦，到1 9 1 8 年，丹麦已拥有1 2 0 台风力发电机。1 9 3 1 年前苏联采用螺旋桨式的叶片制造了一台大型风力发电机。随后，各国相继采用螺旋桨的 形式制造了一大批风力发电机。 但是，近代火力、水力发电的广泛应用和2 0 世纪5 0 年代中东油田的发展，使风力发 电的发展缓慢下来。2 0 世纪7 0 年代以后，由于石油危机造成的能源短缺和工业高度发展 造成的环境污染，使得人类生存的环境进一步恶化。环境和能源问题成为人类世界面临的 两大挑战。因此寻求无污染、可再生的能源成为科技界的一大目标。风能这一古老而丰富 的自然资源，以其易于获得并转换，无污染又能够不断再生的特点，而被重新认识，开发 和利用。 由于上世纪7 0 年代发生石油危机时我国的工业化程度不高，能源还能够自给自足， 因此在当时并未受到大的冲击。但随着改革开放以来中国经济的突飞猛进，到上世纪九十 年代初，我国已经从一个能源纯出口国变为一个能源纯进口国。2 0 0 8 年初以来，国际油 价一路飙升，极大地增加了我国企业的能源成本，造成巨大的外汇损失，给我国工业发展 带来切肤之痛。 一个明智的民族总会为自己的未来买一份保险。我国对可再生能源的发展一直持长期 扶植培养的态度。早在2 0 0 6 年，就颁布并施了可再生能源法，随后可再生能源中长 期发展规划、可再生能源发展“十一五”规划等相关配套政策法规陆续出台，规划中提 出“到2 0 1 0 年使可再生能源消费量达到能源消费总量的1 0 ，到2 0 2 0 年达到1 5 ”。2 0 0 7 年中国在可再生能源项目投资了1 2 0 亿美元，投资总额已经名列世界第二，排名仅次于德 国。 可再生能源中风能、太阳能、生物质能发展速度最快。其中，风力发电在可再生能源 中成本最接近常规能源，发展速度最快，年增长率达到2 7 。2 0 0 2 年欧洲风能协会( e w e a ) 与绿色和平组织发表了一份标题为“风力1 2 ”的报告。报告勾画了风电在2 0 2 0 年达到世界 电量1 2 的蓝图；并声明：这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的 增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长率、核电和水电等其他电源技术发展历 程的比较以及减排c 0 2 等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量1 2 的可能性。报 告还指出：中国2 0 2 0 年风电装机有可能达到1 7 亿千瓦。据中国风力发电网的最新调查 统计，2 0 0 9 年中国风力发电装机总容量已经超过2 6 0 0 万千瓦，超越德国和西班牙，在总 装机容量上成为仅次于美国的全球第二大风力发电国家。而且据专家预测，在2 0 1 0 年， 西安工业大学硕士学位论文 中国风力发电装机总容量仍将保持高增长，可能追平甚至赶超美国i l j 。 从长远看我国常规能源资源人均拥有量相对较少，随着国民经济的发展，常规能源资 源不断减少。为保持我国经济和社会可持续发展，必须采取措施解决能源供应。我国风能 资源丰富，如果能够充分开发，按目前估计的技术可开发储量计算，风电年电量可达2 5 3 亿千瓦时，相当于2 0 0 4 年全国社会用电量，这样的潜力不可忽视。 1 1 1 风力发电控制系统简要介绍 在利用风能进行发电的过程中，并网型风力发电系统，也就是我们通常所讲的大风电 是主流的利用方式，它将风能转化的电能送入国家电网，由电力部门统一调配。离网型风 力发电系统是风力发电必要的组成部分，与并网型相比，最大的区别是系统具有独立的储 能设备。这两者相辅相成，在各自的适用领域发挥着重要作用。 并网型风力发电控制系统的控制对象主要是大型风机，它的主要任务是使大型风机能 够安全高效地给电网输送电能。在这方面的研究文献有很多，随着大风电的快速发展和对 其的深入研究，在控制目标方面，基本上达成了共识：根据风速大小对风电系统进行分段 控制，低风速下，采用最大风能捕获控制以提高系统效率；中风速下，考虑风机机械强度 和发电机额定转速的限制，控制风机恒速运行；高风速下，考虑发电机和变频装置额定功 率的限制，控制发电机恒功率输出【2 】。为了达到控制目标，广泛采用结构和控制复杂度相 对较高的变速恒频发电方式【3 】，而且往往需要精确的独立测风装置。 对于离网型风力发电控制系统来说，大部分采用的都是结构简单的小型风机，基本都 是定桨距结构，可控部件很少。没有类似大型风机常用的那种叶片桨距控制结构来调节风 机吸收的风能和发电机输出的电能【4 1 【5 1 。在控制对象方面，离网型风力发电控制器也更侧 重于对储能装置尤其是对蓄电池的控制，通过对储能装置的功率管理使离网型风力发电系 统匹配负载的需求是控制器的最核心的任务。因此，在对离网型风力发电系统控制器的研 制过程中，切入点和并网型的控制系统有所不同。 1 1 2 离网型风力发电控制器的类型 离网型风力发电系统又称独立型风力发电系统，它是一种自给自足型的发电系统，将 多余的能量储存在蓄电池等储能设备中，并不把电能送向电网。 离网型风力发电系统的主要优点有系统初投资较低，发电成本低，扩容灵活，无需燃 料。其缺点是维护检修较复杂 6 1 。为此，需要为系统设计一种控制装置，该装置根据风力 大小以及负载变化，不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节，使其在均充电、放电或浮 充电等多种工作状态下交替运行，从而保证风力发电系统供电的连续性和稳定性。具有上 述功能，在系统中对发电风力机、储能蓄电池组和负载，实施有效保护、管理和控制的装 置称为离网型风力发电系统控制器。控制器是离网型风力发电系统的大脑，主要功能是对 蓄电池进行充电控制和过放电保护，进行电压显示和电流显示，同时对系统输入输出电量 起到调节与分配的作用，并完成系统需要的一些监控功能和提供必要的通信接口。 2 1 绪论 按照控制器不同的特性，对离网型风力发电系统控制器有多种不同的分类方式，比较 常见的有按照控制器的功能特征、控制器整流装置的安装位置、控制器对蓄电池充电调节 原理的不同，做出如下分类： 1 ) 按照控制器功能特征分类 a 、简易型控制器：具有对蓄电池过充电和正常运行进行指示的功能，并能将配套 机组发出的电能输送给储能装置和直流用电器。 b 、自动保护型控制器：具有对蓄电池过充电、过放电和正常运行进行自动保护和 指示的功能，并能将配套机组发出的电能输送给储能设备和直流用电器。 c 、程序控制型控制器：对蓄电池在不同的荷电状态下具有不同充电的阶段充电模 式，并对各阶段充电具有自动控制功能；对蓄电池过放电具有自动保护功能； 采用带c p u 的单片机对风力发电机的运行参数进行高速实时采集，并按照一 定的控制规律由软件程序发出指令控制系统工作状态。并能将配套机组发出的 电能输送给储能装置和直流用电器的产品，同时又可以实现系统运行实时控制 参数采集和远程数据传输的功能。 2 ) 按照控制器电流输入类型分类 a 、直流输入型控制器：使用直流发电机组或把整流装置安装在控制器外部的产品。 b 、交流输入型控制器：整流装置直接安装在控制器内的产品。 3 ) 按照控制器对蓄电池充电调节原理的不同分类 a 、串联控制器：早期的串联控制器其开关元件使用继电器，目前多使用固体继电器 或工作在开关状态的功率晶体管。开关串接在风力发电机和蓄电池之间，所有风力发 电机组发出的电都被整流并传输到直流接线端，这样就为直流负载提供了电能并把多 余的能量储存在蓄电池里。 b 、并联控制器：当蓄电池充满时，利用电子器件将风力发电机的输出分流到并联的 电阻器上去。 c 、多阶控制器：其核心部件是一个受充电电压控制的“多阶充电信号发生器 。多阶 充电信号发生器根据充电电压的不同，产生多阶梯充电电压信号，控制开关元件顺序 接通，实现了对蓄电池组充电电压和电流的调节。 d 、脉冲控制器：脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段 时间后再充，如此循环充电，使蓄电池充满电量。其核心部件是一个受充电电压调制 的“充电脉冲发生器”。 e 、脉宽调$ o ( p w m ) 控制器：它以p w m 方式开关风力发电机的输入。当蓄电池趋向 充满时，脉冲的宽带变窄，充电电流减小；而当蓄电池电压回落时，脉冲宽带变宽， 以符合蓄电池的充电要求。 1 1 3 离网型风力发电控制器的发展现状 目前国内外运行的离网型发电系统大部分为单台风力机独立发电的系统。在充放电环 3 西安工业大学硕七学位论文 节，控制器只需要对单台风力机进行控制充电，这方面的技术已经比较成熟，很多控制器 的类型也是在单机模式这个前提下发展起来的。但对于多台风力发电机在一个系统中对一 组蓄电池进行充电的离网型风力发电系统的研究，国内外的研究并不深入，其控制器系统 也不是很成熟，有很大的改进空间。通过参考单机模式下的控制器系统的设计，结合多台 风力发电机共同发电的特点，国内外也研制出了一批比较有特点的控制器系统。这些多台 风力发电机控制器系统的构成基本有两种思路。一种是简单地并联：利用成熟的单机控制 器独立控制各自的风力机产生直流电，然后将这些直流电汇聚到一个直流配电中心进行管 理再对蓄电池进行充电。这种方式可以利用比较成熟的技术，系统构建简单，维护较方便， 在工程上得到广泛应用。另一种是有机地整合：有一个控制中心实时地管理所有风力发电 机，在这个控制中心的管理下，所有风力发电机按照一定的充电算法给一组蓄电池进行充 电，这种方式提高了风能的利用效率，是一种发展趋势。 1 2 本文研究的意义 近年来，虽然我国对电网建设的投资力度越来越大，电网建设的发展很快，基本满足 了经济和社会发展的需要，但我国幅员辽阔，经济社会发展不平衡，由于受历史和自然条 件的制约，在我国偏远山区、牧区和岛屿等地，截止目前仍有一千多万人没有解决用电问 题，严重制约着这些地区经济社会发展和人民生活水平提高。缺乏电力供应是制约偏远农 村经济发展的主要原因之一，因此为偏远地区的人们送去光明成为当务之急。 在通信日益发达的今天，随着通信覆盖面的扩展，很多通信站常远离常规电网，新建 通信站往往要延伸电网，电网延伸的代价很高，有时甚至是不可实现的。通信站的通信设 备的容量越来越大，且要求非常稳定可靠的电力供应。以前在电网不能覆盖地区的移动通 信基站大都采用柴油发电。近年来，国际油价节节攀升，另外，对很多基站，柴油的运输 非常困难，有的地方甚至要动用直升机来运输，而且还受到天气的制约。再者，在负载小 的情况下，柴油发电的效率很低，柴油发电机还需要频繁的维护保养。这些通信基站也迫 切需要可再生能源离网发电。 另外，随着信息时代的到来，人们需要更多更快地获取信息，以实现对资源的有效保 护和利用。目前最基本的方法是在森林、海洋、铁路、高速公路沿线建立监测网，并实现 实时的信息传递。然而，诸如海洋、森林等所在地区多数远离常规电网，因为没有电力供 应，无法使用监控设备，人们无法在第一时间获得准确有效的信息，就需要寻求新的供电 途径。可再生能源离网发电系统是解决这一问题的行之有效的方法。 离网型可再生能源发电系统具有自给自足的特点，非常适用于无电地区的居民供电、 通信基站的通信供电和监测领域的设备供电。在这些领域，离网型可再生能源发电系统有 不可替代的作用。但是受到目前生产技术的局限，可再生能源发电系统的初期投入还是比 较高的。据估算，离网型风力发电系统的每千瓦( k m 装机容量的初期建设费用约为2 - - 4 万元，而太阳能独立发电系统的每千瓦m 装机容量的初期建设费用约为8 1 0 万元。 4 1 绪论 自然地，出于降低成本考虑，我们希望使风力发电的装机容量多一些，太阳能发电的装机 容量少一些。在条件允许的情况下，甚至全部采用风力发电。 离网型风力发电系统最大的特点是一定有储能设备，将多余的电能储存起来，在无风 时供负载使用。由于离网型风力发电系统规模通常较小，这一瓶颈限制了它在经济社会建 设中发挥更大的作用。随着人民生活水平的普遍提高和大量通信基站的建设，用电量的规 模越来越大，所以对较大规模拥有数十台风力机的离网型风力发电系统的需求非常迫切。 控制器是整个发电系统中的核心，随着电力电子技术和嵌入式技术的发展，研究一款可控 制数十台风力机的离网型风力发电系统控制器具有很大的经济和技术意义。 1 3 本文研究的内容 1 ) 研究了风力发电原理，分析离网型风力发电系统的结构，阐述了风能的特征。 2 ) 对铅酸蓄电池的工作原理进行分析，提出了蓄电池的选择依据。分析了蓄电池的 充电特性曲线，并在此基础上设计了逐级投切的充电算法。 3 ) 结合多台风机同时接入系统的特点，设计了采用n 个功率模块和1 个主控板组成 的n + i 型的两级控制结构。采用分散控制，集中管理的工作模式。 4 ) 研究了c a n 现场总线的通信原理，分析了c a n 现场总线的特点、性能、优势， 对c a n 总线的技术细节，比如适用场合、报文结构、中断机制、仲裁机制等等进行了深 入剖析，最终确定了c a n 总线作为控制器系统的内部通信总线。 5 ) 实现了以内嵌c a n 控制器的单片机为核心的数字控制电路和以功率开关管为核心 的模拟电路的混合设计，在防止温度影响，抵抗电磁干扰等方面进行了反复的实验，最终 利用p r o t e l 电路设计软件完成p c b 板的制作，并实现了功能性和稳定性的统一。 6 ) 在g c c 编译环境下，用c 语言对主控芯片a t 9 0 c a n 3 2 进行嵌入式编程，实现了 设计要求。 7 ) 进行了功能性实验以及工业条件下高低温保持和湿度实验，取得了一定的数据， 找到了改进的方向。 两安工业大学硕十学位论文 2 相关知识概述 2 1 风能的特征 风能是太阳能的一种表现形式，太阳的辐射造成地球表面的受热不均，引起大气层压 力分布不均，空气运动形成了风，所以风能是空气水平运动的结果。 如果不考虑风力机的风能利用系数，扫掠过风力机的风能计算公式如下： e = 互1s p y 3 ( 2 1 ) s = 斌2 ( 2 2 ) 式中：e 为每秒钟扫掠过叶轮的风能( w ) ，p 为空气密度( k g m 3 ) ，v 为风速( m s ) ，s 为叶轮的面积( m 2 ) ，r 为叶轮半径。 所以，易得风能的密度p 为： p = 三3 ( 2 3 ) 由此可知风速对风力机可能接收到的风能影响最大，同时叶轮半径越大能够接收到的风能 越大，但叶轮半径对风能密度没有影响。 2 2 风能的优势和弊端 2 2 1 风能的优势 1 ) 取之不尽，用之不竭。风能是太阳能的一种转化形式。太阳内部由于氢核的聚变 热核反应，从而释放出巨大的光和热，这就是太阳能的来源。科学家测算，太阳可以稳定 燃烧的时间在6 0 亿年以上，这就是说太阳可以被近于无限期地被利用。而根据有关专家 测算，在全球边界层内，风能的总量为1 3 x 1 0 1 5 w ，一年中约有1 1 4 x 1 0 1 6 k w h 的能量， 这相当于目前全世界每年所燃烧能量的3 0 0 0 倍左右。 2 ) 就地可取，无需运输。由于矿物能源煤炭和石油资源地理分布的不均衡，给交通 运输带来压力。电力的传送虽然方便，但为了向人烟稀少的偏远地区送电而架设费用高昂 的高压输电线路，在经济上是不合理的。因此，就地取材开发风能是解决能源供应的重要 途径。同时，风能本身是免费的，而且不受任何人的控制和垄断。 3 ) 分布广泛，分散使用。如果将1 0 m 高处密度大于1 5 0 - - , 2 0 0 w m 2 的风能作为有利 用价值的风能，则全世界约有2 3 的地区具有这样有价值的风能。虽然风能的分布也有一 定的局限性，但是与化石能源、水能和地热能等相比，仍然称得上是分布较广的种能源。 风力发电系统可大可小，因此便于分散使用。 4 ) 不污染环境，不破坏生态。化石燃料在使用过程中会释放出大量的有害物质，使 6 2 相关知识概述 人类赖以生存的环境受到破坏和污染。风能在开发利用的过程中不会给空气带来污染，也 不破坏生态，是一种清洁安全的能源。 2 2 2 风能的弊端 1 ) 能量密度低。空气的密度仅是水的1 7 7 3 ，因此在风速为3 m s 的时候，其能量密 度仅为o 0 2 k w m 2 ，而水流速3 m s 时，能量密度为2 0k w m 2 。在相同流速下，要获得与 水能同样大的功率，风轮直径要相当于水轮的2 7 8 倍。由此看来，风能是一种能量密度 及其稀疏的能源，单位面积上只能获得极少的能量。 2 ) 能量不稳定。风能对天气和气候非常敏感，因此它是一种随机能源。虽然各地区 的风能特性在一个较长时间内大致有一定的规律可循，但是其强度每时每刻都在不断的变 化当中，不仅有年度间的变化，而且在很短的时间内还有无规律的脉动变化，风能的这种 不稳定性给使用带来了一定的难度。 2 3 风力发电机工作原理 利用风能来驱动发电机旋转从而进行发电的发电方式叫做风力发电。风力发电的过程 存在着两次能量转换，即首先完成风能向机械能的转换，然后再将机械能转换成电能1 7 。 具体来说，风的动能经过风机风轮转化成发电机轴的旋转机械能，再带动发电机的转子旋 转，从而实现了导体切割磁力线而发电。 2 3 1 风力发电机的类型 风力发电机的种类和式样很多，不同厂家生产的产品又都具有各自的特点，按不同的 分类方式可以将风力发电机分成若干种类： 1 ) 根据发电机定子与转子的相互位置分类 a 、内转子风力发电机：内转子风力发电机与传统的发电机类似，结构技术较成熟。 b 、外转子风力发电机：外转子风力发电机的发电机外壳就是安装叶片的轮毅，结构 较简单。 2 ) 根据空气动力学原理分类 a 、 拖曳型风力发电机：拖曳型机械靠风力推动叶片或风轮转动，叶片永远不会比风 轮运动得快。拖曳型机械在单位旋转面积中要用到很多的材料。典型的拖曳型机械是风力 磨面机和提水机。利用拖曳型机械的风力发电设备目前还没有实现商业化。 b 、托举型风力发电机：托举型装置在叶片上按空气动力学原理设计成一定的翼型， 叶片可以运动的比风速快。一个典型的性能参数是尖速比。尖速比是叶片尖端的运动速度 对风速的比值。托举装置的尖速比一般为4 8 ，它的单位叶片材料的功率输出比拖曳型 高1 0 0 倍以上。托举型风力发电机可以进一步分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机 两类。垂直轴的风力机的主要缺点是转矩脉动大，在遇到强风时不易调速，在8 0 年代后 期各国已经停止了对这种风力风力机的研制和开发，现在的风力机主要是水平轴螺旋桨推 7 西安工业大学硕十学位论文 进器型的。 3 ) 根据发电机磁场的产生方式分类 a 、永磁式风力发电机：永磁式风力发电机采用磁钢产生所需的磁场，磁钢有铁氧体 材料的或钕铁硼材料的。 b 、电流励磁式风力发电机：电流励磁式风力发电机采用线圈通电的方式来产生磁场。 小型风力发电机大多采用磁钢来产生磁场，为永磁式发电。现在大型风力发电机也有 采用永磁发电的。 4 ) 根据发电机定子电相数 a 、单相风力发电机 b 、三相风力发电机 5 ) 根据发电机输出电流的形式 a 、直流风力发电机：风力发电机输出直流电的叫做直流风力发电机。 b 、交流风力发电机：风力发电机输出交流电的叫做交流风力发电机。 小型风力发电机大多数为交流发电机。小型风力发电机发出的交流电电压和频率都是 随风况的变化而变化的，不是标准的交流电。因此，小型风力发电机发出的交流电不能直 接接到标准的交流用电设备上作为电源，必须经过转换。 6 1 根据磁场转速与转子转速的关系分类 a 、同步风力发电机：同步风力发电机和其他类型的旋转发电机一样，由固定的定子 和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步发电机和转枢式同步发电机。 转场式同步发电机的定子铁芯的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律 排列的三相对称交流绕组。这种同步发电机的定子又称为电枢，定子铁芯和绕组 又称为电枢铁芯和电枢绕组。转子铁芯上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上 饶有励磁绕组，通以直流电流时，将会在发电机的气隙中形成极性相间的分布磁 场，称为励磁磁场。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对 电机内部磁场的分布和同步发电机的性能有重大影响。除了转场式同步发电机外， 还有转枢式同步发电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽 内，这种同步发电机的转子充当了电枢。 b 、异步风力发电机：异步风力发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。 定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由 转子铁芯绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。由轴承及端盖将 发电机的定子、转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运 动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。小型 风力发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直 流电。 刀根据发电机的散热形式分类 8 2 相关知识概述 a 、主动散热式风力发电机 b 、被动散热式风力发电机 2 3 2 离网型风力发电机的选择 离网型风力发电系统的装机容量较小，一般都是选择小型风力发电机作为发电机组。 按照空气动力学原理分类的话，最常见的是托举型水平轴风力发电机。这种风力发电机主 要由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置等部件组成。风轮的作用是将风能转化为机械 能，它由气动性能优异的叶片装在轮毅上组成。低速转动的风轮经过