（微电子学与固体电子学专业论文）风力发电储能系统控制器设计.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈变的硕士学位论文。j 乩力发电系统储能控制器设计 足本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包古任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名 窖，硐 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位沧文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名生年三月二二r 铆珥 摘要 随着风力发电系统的广泛应用其能量储存和蓄电池寿命韵问题日益严重。所以必 须对风力发电能量进行有效管理，以提高其整体利用率。 本文基于p s o c 的基础设计了风力发电能量控制器和模拟风系统。首先采用p s o c 在固定间隔时日j 内使交流电频率产生无规则变化，来控制电机的转速从而实现了 对电机的输出功率控制，完成自然风的模拟：另外通过断开首电池外接电压的方式来 对其电压进行采样，能量控制系统根据其采得电压来对蓄电池的充放电进行控制以阻 止蓄电池的过充和过放从而大大的提高了电池充电效率和使用寿命。 经过反复的对风力发电控制嚣系统进行测试以及大量的数据显示其系统的对蓄电 的使用效率和寿命有明显的提高。且性能稳定可靠。从而达到了能量有效管理的目的 使风力发电机使用效率有很大的提升：也降低了其经济成本。 关键词：风力发电模拟风系统p s o c 能量储存控制器 a b s t r a c t t h el i f eo ft h es t o r a g eb a t t e r yi st h ek e yf a c t o rf o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f t h ew i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e mi t i sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h ee f t 3 c i e n e ya n dt h ee f f e a t i v e m a n a g e m e n to f t h es y s t e m p r o g r a m m a b l es y s t e mo nc h i p ( p s o c ) ，w i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , h i g hi n t e g r a t i o n ， f a s tr e s p o n s e 锄de q u i p p e dw i t han u m b e ro fp r o g r a m m a b l ed i g i t a lb l o c k sa n da n a o g b l o c k s i su s e dt oa n a l o gt h e “n de n e r g ys y s t e ma n dt od e s i g nan e wt y p eo fe n e r g y c o n t r o l l e r p s o cc o n t r o l st h eu n i tt h r o u g ht h et i m e ra taf i x e di n t e r v a lt oa n a l o gt h en a t u r a l w i n db yc h a n g i n gt h ef r e q u e n c yi r r e g u l a r l yo f t h em o t o rp o w e rs u p p l yt h a td e t e r m i n e st h e r o t a t i o nr a t aa n dt h ep o w e ro u t p u to ft h em o t o r t h ep s o cs a m p l e st h ev o l t a g es i g n a l sb y c o n t r o l l i n gt h ee x t a m a lv o l t a g es w i t c ho f t h es t o r a g eb a t t e r y , t h ev o l t a g es i g n a l si t r eu s e dt o c o n t r o lt h ed i s c h a r g ep r o c e s so ft h es t o r a g eb a t t e r y , t op r e v e n tt h eo v e rd i s c h a r g eo ro v e r c h a r g e w h i c hc o u l dg r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dl i 岛t i m eo f t h eb a t t e r y w i t ht h er e p e t i t i v et e s t i n gf o rt h ec o n t r o l l e rs y s t e mo f t h ew i n dg e n e r a t i o ns y n e m t h e d a t as h o wt h a lt h es y s t e mh a v eo b v i o u s l yl n c r e a s e dt h ee f f i c i e n c ya n dt h el i f o t i m eo ft h e s t o r a g eb a t t e r yt h es t a b i l i t yo f t h es y s t e mm a k e si tp o s s i b l et op r a c t i c a la p p l i c a t i o nb yt h e i n c r e a s eo f t h ee f f i c i e n c ya n dl o w e rc o s to f t h es y s t e m k e yw o r d s ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n a n a l o gw i n ds y s t e m p s o c e n e r g y s t o r a g ec o n t r o l l e r 目录 1 1 引言1 1 2 风能能量管理的发展现状，1 1 3 论文研究的主要内容 3 第二章风力发电系统的工作原理以及自然风的模拟5 21 小型风力发电系统发电原理 5 2 2 自然风的模拟原理及数据6 第三章风力发电能量管理关键技术分析 3 1 储能方法及电池的分析 3 2 铅酸蓄电池的原理及其控制 ， 第四章总体设计方案及储能控制系统的设计 4 1 系统总体设计方案， 4 2 外围电路设计及介绍 43 控制器的主要芯片的介绍 4 4 程序设计及烧制 第五章系统测试以及实验数据的分析 5 1 风力模组发电实验及分析 52 储能控制系统实验及分析 53 对比测试实验 结论 参考文献 致谢 皓要凹录绪 卧 章 钉 一摘旭日第 j糟均姻嚣嚣驺北蚰拈 第一章绪论 1 1 引言 当今社会随着各国工业的飞速发展。能源问题是个世界性的问题。伴随工业迅速 发展而来的是不可再生能源( 如石油，煤炭等) 的不断减少。而且由于都市不断喷出 热浪和尾气的空调、汽车以及人们不断增加的高碳生活使得温室气体的排除不断增加。 这也使得我们的生存环境受到严重的威胁! 比如即将消失的图瓦卢如果任由全球变 暖、海平面上升五十年后，圈瓦卢人难在故土找到一块立足之地。“我觉得地球上 6 0 亿人都应该向我们说抱歉。”当圈瓦卢居民m i t i a n a t 化v o r 在斐济苏瓦接受本报记者 采访时突然说出这句话时，记者和翻译一时无语，反应过来后几乎同时向她说“s o w ”。 与圈瓦卢面临同样危机的国家还有马尔代夫、恒河三角洲、上海、珠江三角洲、荷兰。 为了不使图瓦卢这样的悲剧在此发生许多国家都表示要减少温室气体的排放。这就 使得新型可再生能源的研究与利用成为了迫切需求。风能作为一种新型可再生能源， 首当萁冲的成为人们研究的热点。其资源取之不尽用之不竭且环像无污染的特点备受 人们青晾。 在我国的一些偏远山区依然存在用不上电或用不起电的现象。其原困是用户少且 与电不经济也不环保，而且原材料( 柴油) 的引进和存放都是很不好解决的问题井且 有报大的安全隐患。为了使偏远山区的用户能用上电且无后顾之忧就需要发展新型 发电产业。而风力发电正是我们所迫切需要发展的新型能源。大型风的力发电机其主 要是转化的风能是3 0 到1 0 0 米高空，而对于l o 米左右高度的风能则是小型风力发 电机的强项。大型风力发电是以井网发电为主，其发电量大，但对于无电地区而言 就只能依靠小型风力发电机来提供用电。 丽小型风力发电机又面临多种多样的问题限制其发展其中很主要的一点就是能量 的储存。在风能系统的蓄电池与其它系统中得蔷电池其工作条件较苛刻，随时都有被 充放电的可能，其充电的电流和放电电流是随扛l 速及负载的变化在不断变化。而且经 常产生过充过放。这样的工作环境所导致的直接结果就是蓄电的使用寿命明显缩短。 然而蓄电池的造价对小型风力机来说也是太的一部分支出。所以蓄电池循环次数对整 体发电成本有很大的影响r l 。因此设计出个一套有效的能量管理系统对蓄电池的使用寿 俞进行延长是风力发电实现广泛推广的关键所在。 12 风能能量管理的发展现状 为了加速绿色建设也为了使风力发电机能帮助更多用电难和用不上电的人们很多 都在不不懈的努力者风力发展技术也越来成熟发电成本也再不断下降甚至已经接证 了原始的发电技术( 火力发电) 的成本。但是关于一些小型风力发电机的研究技术研 究的却报少而蓄电池寿命及保护的研究就更加的少了。我国现在小型风力发电机的 用户有大约2 5 _ ；j = 台到，0 万台左右其中百瓦左右的用用户在7 5 以上。 早期的风力发电流程如图ii 所示其仅仅是把风力发电机所转换的电能变成适合 充人蓄电池的电压电流而己。而对蓄电池的充放电的保护根本谈不上- 而近期的改良 机型有对蓄电池的过放进行了简单的限制但对过充却没有什么保护。而且限制过放也 是简单的限制其效果不是很好。所以蓄电池在这样的工作条件下对其损害是很致命的 往往要l l 其他工作条件正常的蔷电池的寿命要短3 - 4 倍，甚至有些风力条件不好的地 方对蓄电池的损害可能达到6 - 8 倍。 一l l 1 芏l l l 为风力发电机的运作豳 根据研究发现：m 不光具有随机性还有一定的季节性，甚至在一天中的早午晚都 是不同的而由于技术和风密度的原因我们现在说能使用的风范围是3 m s 到2 5 m s 的 风。因为太小的话性价比极低，不光发电量小而且对机器本身的损耗也报会大- 以l o o w 的机型为例在小于3 m s 时扭【机基本是处在建立不起电压或剐剐能建立起得阶段电流 几乎是冲不进去的。而在风力过大的时候呢对叶轮和电机都会有损害。如果要过大的 话就会造成灾难性的损害。 在国内关于风机能量控制内蒙古水利集团的李红，查咏程荣香等人在 中埘蓄电池在风机中得保护进行过研究。但是他们所研究 的方向是电路对蓄电池的保护或者可以说足对蓄电池充电效率的研究。但对蓄电池本 身的储能管理却没有考虑，其主要原理是在风速很小( 3 5 m s ) 时其 o o w 风力发电机 的电机处于刚能建立电压的阶段，而电流基本是微乎其微的所以他们采用的是l o o w 和l o v 风力发电机电池串联1 3 1 的方法其2 种接线原理圈1 2 和i3 。 来自发电机经 整流后直靖汜8 v + 击负载 输入端+ 蹦1 2 串娃2 4 v 充l h 接线原理( 大风h 十) 上断开 k i 下闭台 来自发电机经 整流后直流2 8 v + 去负载 输入端+ 上闭台 k l 下断开 豳13 并联1 2 v 充电接线原理( 小风时) 但是他们的设计方法和研究只是提高了风力发电机的分能利用率使得蓄电池可以 充到更多的电而前文提到到过风不光油随机性还有季节性在风潦充足的季节很容易 产生对电池的过充和在风源不足的季节则搬容易产生过放而这两点爿是对蓄电池的 致命伤害。 因此本文根据蓄电池的充放电特性设计出一款基于p s o c 的智能风力发电储能控 制器，使其可以更加挟的台理的控制蓄电池何时充电何时放电从而达到保护蓄电延 迟其寿命提高其储能效率，降低其笈电成本。 1 3 论文研究的主要内容 本文设计了基于p s o c 的新型肛l 力发电智能控制器控制芯片采用了塞昔拉斯公司 生产的c y 8 c 2 9 6 6 6 型号芯片，其具有低林眠功耗、高集成度、在系统可编程、动态可 重构性、良好的开发环境配有各种可编程的数字模块及模拟模块【4 j 。优于传统的单片机 系统。主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 风速的控制及模拟 由于自然条件的限制所有本文采用的是模拟风力发电( 把电能转化成机器能来模 拟不同飙速吹动叶轮所产生的机械能) p s o c 系统在固定日j 隔时日j 内，通过让交流电额 率产生无规则的变化束控制电机的转速从而实现了对电动机的输出功率的控制。 来模拟自然条件下的风力发电机所产生的电量，形成一个风力发电模组。以此来对整 个控制系统的性能进行测试。 ( 2 ) 能量的管理 在能量管理方面主要是对蓄电池充电的过程和放电过程进行控制。由于其是风力 发电机相连接的所以蓄电池舶两端不是其真实电压，需要短暂断开其与风机的连接对 其两端电压在对其进行电压采样。这样检测可以准确的测出电池两端电压。在通过控 制器桌进行充放电控制，以舫止其过充过放。 ( 3 ) 控制嚣的外围电路的设计和控制系统的设计 控制器的外围电路设计部分主要包括：d c d c 变换电路的设计、采样电路的设计、 三极管开关的设计。 控制器程序部分的设计主要是：对p s o c 的资源进行设定、以及管脚的设定、模拟 模块以及模数字模块的配置调试和他们之侧的互联、主程序的编写和烧制。 ( 4 ) 实验及数据分析 通过实验对整个系统的性能进行检查，并通过数据的分析对比来对整个系统进行 总结。 粼 辩津 i l j 搿蒂r i i蕊 0 i峪琶 燃 第二章风力发电系统的工作原理以及自然风的模拟 在电机的输出控制上。p s o c 控制系统在固定间隔时例内，使交流电频率产生无规 则变化柬控制电机的转速，从而实现了对电机的输出功率控制，完成自然风的模拟。 厂曩曹_ _ l i 一 1 生 2 l 自然风的横拟流挫幽 21 小型风力发电系统发电原理 21 i 小型风力发电机的结构 第一部分：风轮 其主要主用是捕获风能并将其转化成机械能的形式一般是三个叶片组合成的。 第二部分：发电机和整流器 在风力发电机里常用的发电机是永磁式交流电机是利用风轮转化的机能来产生 交流电，然后在利用整流嚣转变成直流电形式储存到蓄电晕边。 第三部分：变向调速以及停止机构。 为了提高风能的利用牢增加产电量，所以应保持叶片旋转面与风向相互垂直。这 就需要一个变向机构，而风机的尾部就是为实现此功能而设计的。同时为了保护发电 机和m 轮不会因为风速过大而被破坏，就要采取调速的方式来解决此问题，现在小型 风力发电机普遍使用的方法是风轮侧偏大的方法吼而在风力过强或风向长时间不定向 变化的话会对风机造成相当大的损坏这时候就需要人工手动停止e 以保证风机不被破 坏。 第四部分：塔架 是由一根主塔架和3 4 根固定拉索组成。起到是支捧风轮到一定高度来采集风能。 第五部分：蓄电池 目前主要采用的的1 2 v - 4 8 v 的铅酸蓄电池。其作用是在无风或风无法使用( 如强 风，弱风等) 的情况下对用户提供可使用的电源。 第六部分，逆变器 逆变器是把蓄电池中直流电转变成2 2 0 v 交流电，供给用户使用。通俗的讲逆变 器是一种将直流电( d c ) 转化为交流电( a c ) 的装置。 幽22 小7 w 水平轴风力发电机的基本构造原理吲 2 12 小型风力发电机的工作原理 小型风力发电机其工作原理为：首先由风轮机捕获风能并将其转化成机械能，再 由发电机把叶轮机转化来的机械能进行电能的转变。通过整流器把所产生的电能转化 成适合储能系统充电的电压、电流，然后将电能储存进能量储存设备中( 基本利用蓄 电池来进行储能) 最后在出储能设备在用户需要时通过逆变装簧柬对用户进行供电”a 其流程图如下圈所示。 曰量困日困日困日团圆圉日团 闰2 3 小型风力发电累统摧幽 22 自然风的模拟原理及数据 221 自然风的模拟原理 模拟原理：由于风力发电_ 上要是把风轮所采集的m 能通过发电机来转化成电能- 所以其基本发电原理就是机械能转化电能。所以本实验的方案足用台三相异步电j ；l 机来充当风源。 异步电机电动机的调速方法有： 1 变极调速2 变频调速3 变滑差调速。本文所采用的方法是变频调速7 1 n = ( 1 5 ) h l = ( 1 一引6 0 。f 其原理公式为 从基频向下变频调逮( 恒转矩负载) ：保持粤不变 j l ，：鲁：譬：筹。兹t 6 06 0 、z 堕 = 警c 争南。警c 争恋 旺1 ) 当争= i s x 2 印s = = 瓦r = 彘删有 k = 警c 争2 i 南墨2 蛆2 r 。r 星f l ，2 乏 =!警(瓦12 2 常数 2 f 、2 f 厶” 式中丘。为转子静止时诵电感系数折算值x ：。= 2 f z 。蛀大转矩处的转速降落 l m = s n , = 牟 ：。6 0 p f i = 瓦r 2 了6 0 = 常数 当皂= 常数。变频调速时电动机电磁转矩用式( 2 1 ) 表示若t = 常数即 ，1 哮哮，2 鑫删 ( 23 南 则可以推导出 ，r 2 一= c ( 生) z + “： 又因为在式( 24 ) 中c = 常数。那么则有以下关系 等；c 等础： 晔= 傩；2 + c 吖5 2 c ( 2 硝l 2 ，) 2 s 2 一r ；，+ c ( r ；) 2 ；0 ( 24 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) x ；坐嘎乎础忆。， 上式结果说明：t = 常数，s 与专戍正比。卫囡为s = 詈而a n 是常数所以_ 与 成正比 1“ 二从基频向上变频调速( 恒功率负载) 保持电源u 不变 因为在恒定功率负载调速时以加大电压电压是不可以的，所以用调高频率的方式 来向上调速。在变频调速时电压大小一直保持u i 不变r 则此过程磁通中l 会随着频率 的增高而减小，这是利用减小磁通的方式来进行谰速跟他励式直流电机的弱磁调速 过程相类似【s l 。 升高频率保持u i 不变时，电动机电磁转矩为 一叫浮 卜赢碍高 由于 较高r ，比k 。e ，_ ；5 乏譬都小得多，忽略r i 故最大转矩 乙= i i 丽而m , p 覆u i 而 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 一j瓦 。 终一 瓦 所以。与去成正比 见尼 铲丽菰薪4 赢 ：l 一 2 7 t a ( ：。+ 岛。) 所以5 。与1 们成正比 因此频率越高时，越小，如也越小最大转矩处的转速降落 “= s t u n = 常数 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 所以转速川与 成正比。 变频调速的特点： ( 1 ) 从基频向下调时。为恒转矩调速方式；从基频向上调时- 为近似恒功率调速 方式。( 2 ) 调速范围大。( 3 ) 调速稳定性好。( 4 ) 无级调速。 222 外接电源频率f 与发电机转数n 关系在空转时实验数据 表2 - it u 源顿率与发电机转数n 的戈系 20 6 9 2 1 3 3 22 1 3 恐怒篙怒譬裟篙黑=黑 州m瑚m善兰瑚瑚狮懈辩鳓m咖掰啪晰 峙埔他伸加引她拈m黔拍”嚣曲如”弛 3 3 22 8 9 23 6 8 22 8 7 23 6 7 3 5 2 4 4 2 4 4 7 3 6 25 1 7 25 1 9 3 7 25 9 1 25 9 9 3 8 26 6 8 26 6 6 3 9 27 4 1 27 4 9 竺 ! 些! 墼! 圈2 , 4 空载时发电机转数与电源频率关系 经过多次反复实验根据其测得数据得出其转数n 与频率 之间的关系为频率每升高 1 h z 则电机的转数加快速度基本在6 5 7 5 之间。根据以上分析得到频率 与电机转数n 之间的关系成正比。所得结论与理论相符所以数据可信。这样就可以用p s o c 控制系统 在固定间隔时间内，使交流电频率产生无规m 忮化来控制电机的转速，从而实现了 对电机的输出功率控制完成自然矾的模拟 第三章风力发电能量管理关键技术分析 31 储能方法及鱼池的分析 31 1 风能技术的几种储能方法及分析 在世界范围内，储能技术已经在包括电力系统在内的多个领域内得到了广泛的应 用，尤其是最近几年来节能减排和智能电网的发展浪潮给各种各样的储能技术的艟 展带来了新韵机遇。采用这些技术，可以更好地实现电力系统的能量管理，尤其是在 风能、太阳能、垃圾电场等可再生能源和分布式发电领域，这种作用尤为明显。在传 统的发电和输配电网络中这些新技术同样可以得到应用。 出了我们所熟知的电池储能( 如铅酸蓄电池、锂电池、钠硫电池等) ，外还有机械能 储能的方式把电能转化成弹性势能或重力势能等，还有用超级电容储能和高能密度电 容储能等来储存电能的。吾类储能方式及其特点如表格3 j 所示。 袁3 - i 各类储能的方式及特点 物 理 储 能 电 磁 储 能 电 化 学 储 艟 抽水 储能 压缩 空气 飞轮 储齄 超导 储能 电容器 超级 电稗 钳酸 屯池 液漉 电池 1 0 0 - 2 0 0 0“i o h l o - 3 ml 一2 0 h 5 k w i51 5 s - 1 5 r a i n h r l 0 0 k 2 s 一5 r a i n l 1 0 0 k1 卜i r a i n 1 0 k w l1 4 0 s m w 5 0 机5 0ir n i n - - 3 h 5 k w 1 0i - 2 0 h 0 m w 适于大规楼技术 成熟响应慢需 要地理资游。 适于火规模。响虎 慢需要地理资 源。 比功率较太。成本 高，噪膏 响应快比功率 高成本高、维护 田难 响应快比功率 赢。比能量太低。 响戍快比功率 高。成本高、储能 最低。 技术成熟成本较 小寿命短环保 问题 寿命长。可深放 适于组合散率 高，环保性好瞎 能密度低 日负荷漏竹颠率 控制年系统备f l 调峥系统备用 调峰、撷牢控制 u p s 和电能质量 电能质鬣控制、输 配电稳定。u p s 输电系统稳定，电 能质量控制 与f a c i s 结台 b 能质量、顿率控 制、电站蔷用、黑 启动、可再生佑能 电能质璧、蕃州电 源，调峰填谷、能 量管理，可再生储 能 钠硫 k w 一1 0 0数小时比能量与比功率电能质域、备州电 电池k w较高。高温条件，谭、调峰填谷、能 远行安全问觑有鲢臂理、可再生储 特改进。 能 铿电池5 0 w - 5 0分钟一小时比艟最高。成组寿电能质量、备埘电 0 w 命、安全问题有特源、u p s 改进。 根据以上的储能特点和其容量、经跻性、普遍性等特点进行对比决定以蓄电池为 侧来进行储能控制器的实验。 3 2 铅酸蓄电池的原理及其控制 321 电池结构及其工作原理 铅蓄电池其主要组成部分有：阳极( 其活性物质为二氧化铅) 阴极( 其活性物质 是铅) 挡扳，硫酸电解溶液屯池盎t 0 1 。 其工作原理是“双板硫酸盐理论”这一理论的提出是由格菜斯顿和特里波在1 8 8 0 年在铅酸蓄电池的反应研究中提出的。其原理认为蓄电池在放电时正极和负极都生成 硫酸铅：在蓄电池放电以后。在电池的两极上都会产生一些很小的的硫酸铅。而在他 完成充电后物质又消失了。所以在蓄电池的充放电过程是个可逆过程【i 。其正负极的 反应原理公式如下： i f 极板：p 6 q + 4 h + + j 一+ 2 e 一= p b s o , + 2 e ，2 0 ( 3 1 ) 负极板：m + s o ? 一= ? b s o , + 2 e 一 ( 3 2 ) 由上式子整理合并得到正负极叛上的蓄电池总体反应方程式： m m n *e h+ u mm m q + 2 h 2 s o , 十p b = e b s o , + 2 h 2 0 + p b s q ( 3 3 ) 3 22 对蓄电池的特性以及测试 研究蓄电池的主要特性包括以下几方面：内阻容量电压能量。 1 蓄电池电压： 蓄电池的电压是我们所能攫4 得的最直观的数据也是我们分析的主要数据因此对 蓄电池的进行多次充放电柬进行研究并得到以下的数据和结论。 首先是蓄电池充电的时候，根掘多次测量得到的结果如图3 2 所示。 圈32 蔷电池充电时端电压变化曲线 通过圈32 我们不难看出蓄电池的两端电压是随充电时叫变化而升高的但有一疑问 为什么在c 点到d 点这个区问内是随充电时间的曾多而电压却减少呢。通过对实验数据 的分析以及对蓄电池特性的研究。得到以下结论： 如图32 所以从歼始到a 点位蓄电池起始阶段。蓄电池的两端电压程明显升高趋势， 而a 点到b 点这个阶段为蓄电池稳定充电阶段。其蓄电池两端电压程稳步升高。在b 点到 c 点为蓄电池正常充电的最后阶段。其电压上升速比稳定充电阶段有所提升。c 点到d 点 这个阶段为过充电阶段。其表现为电池两端电压随充电时间的增加而减小。经过多次 实验对比技现两块相同的蓄电池充放电次数相同的情况下且都无过放则过充多得那一 块其的电池容量和使用寿命明显低于证常工作的蓄电池。 接着研究的是蔷电池的放电过程其数据如图33 所示： 3 3 莆也池放电过程中端电压变化曲线 通过图33 我们可以看出在蔷电池整个放电过程基本是随时h j 变化而稳步下降的但 是在c 点到d 点这个区问会出电压小幅上升。经反复测试及蓄电池特定得到以下结论r 如图3 3 所示在开始到a 点为蕾电池的初放电阶段这阶段的蓄电池电压会较快下降。 在a 点到b 点为蓄电池稳步放电阶段这阶段的蓄电池电压会稳步下降。在b 点到c 点为 蓄电池的正常放电的最后阶，段这阶段蓄电的电压一f 降速度会略微提高。而在c 点到d 点就为蓄电池的过放阶段其电压反而会小幅上升。经过多次实验对比发现两块相同的 蓄电池充放电扶数相同的情况下且酆无过充则过放多得那一块其的电池容量和使用寿 命明显低于正常工作的蓄电池。 2 蓄电池的电池容量 蓄电池的容量就是其在充满状态下所能放出电量，其太小跟电池中得活性物的利 用率和数量有关。 3 蓄电池的能量 蓄电池的能量是指蓄电放电是对外所做得功其单位为w h 。 4 蓄电池内阻 蓄忘池 t l l 的内阻因为其电池结构的原因所以才充电和放电的过程中是不断的变化 而因为其一般都很小所以在计算几乎可以忽略不计。 3 23 影响蓄电池使用寿命的根本原因及其现教 影响蓄电池寿命的内部因素主要表现在下面这几个地方： l 铅绒短路；2 正极扳栅因腐蚀而产生的变形：3 正极的活性物质软化及脱落； 4 硫酸盐化；5 在活性物质上累积的锑i ”】。 而这一切现象的根本原因是又以下几个方面所导致的 l + 过量充电： 出于蓄f 乜池处于充状态。其难极板栅发生电化学腐蚀其产物( 二氧化铅，硫酸 铅) 使得导电能力下降并会逐渐膨胀变形。腐蚀正极扳。使得其容量和性能大幅下降 甚至严重者正极板严重腐烂失去其功能。也就是我们所能看到的“正极栅板因腐蚀而 变形”的现象而过量充电则会加速这种现象的出现【i ”如果长期处于过充的话其腐蚀 速度足正常的2 - 3 倍或更多。 2 过量放电： 由于其蔷电池处于放电状忐时在负极会产生p b s o 结晶而这种物体一旦产生 则很难在通过可逆反应把它消灭。所引起结果就是电极失效然后其充电的能力会有 所下降。这就是我们所能看到的“硫酸盐化”现象l l ”。而这一现象在长期过放的状态 下会是正常的12 1 5 倍甚至更多。 3 两者共同作用： 蓄电池在不断的循环使用时会使一些物质的其中一些变成难窖的沉淀物如在阳 极板上一些活性物质以及些纤维物质产生的脱落随循环次数的增加而这些物质的一 些没能溶解的部分就变成了沉淀沉淀在正负极上而随着循环周期的增加其最后可连 成短路点造成微短路。这就是我们能看到的“铅绒短路”现象。而在过量充放的状 态下其沉淀累积速度要比普通工作状态下高l 2 倍。 铅蓄电池的主要活性物质为a p b 0 2 而随着循环逐渐转化成p - p b 0 2 使得网络系统 受到破坏最后软化、脱落。在七十年代时建立的珊瑚状结构模型。其模型是由 n m o n a c ，a u l d e r s m 和c a n g t g 等人建立的，主要目的是为了判定i e 极物 质中存在的两种尺寸的孔在随着充放电的循环其逐渐变大的过程，当颗粒的密集达到 一定程度时就会脱落导致电极失效旧。这就是我们所能观察到的“正极的活性物质 软化及脱落”，而在长期过量充放电的工作状态下会加速其转化速率严重的甚至石以达 到3 - 5 倍。 锑蹙在蓄电池正极扳上循环的物质，伴随着蓄电池的循环次数的不断增加会有 部分锑转移到负极表面，使蓄电池的大部分电流在进行水解反应从而使得充放电过程 不能正常进行，且水解出的氧气到负极的有机膨胀剂的结构被破坏【l q 。使得电极失效。 这就是我们所看到的在活性物质上严重累积的锑，而这现象在长期过充过放的工作状 奋下是正常的15 - 2 倍。 所以不难看出能量储存技术的关键是提高蓄电池的利用率和使用寿命而想提高 两者则需要对蓄电池韵充放电进行很好的控制。这样不但能提到风力发电机的整理效 率而且还有很高的经济效力且省去的很多不必要的麻烦。 324 本文对蓄电池充电的方法 经研究发现蓄电池在不同工作条件和充电方式对其寿命带来的影响是很大的下 面表格所示为蓄电池的工作状态。 表3 - 2 儿种芹 她的蓄电池充戚i h 情况及使埘寿命对比表 以往葛电的老式充电方式： 在以前关于如何给蓄电池充电的方式有很多比如：普遍所适用的恒压充电方式和 恒流充电方式，以及许多其他方式。本文研究蔷电池的充电方法主要目的是因为在随 着风能利用技术的不断成熟其风的转换效率和发电效率都以很高的速度太成长t 且价 格也一直下降，但蔷电池技术是一个相对于成熟的技术其改进的地方和提升并不会太 大成本自然也不会有太大的浮动，但由于蓄电池小型风力发电系统中所处于的特殊 工作环境及不规律充放电使得其寿命远远小于其他正常工作状态下得蔷电池这无形中 增加了j ) c l 力发电机的成本以及降低了其对风能的利用效率”i 。而蓄电池的充放电控制 正是影响蓄电池寿命的一大因素所以为了提高能源的利用率和降低风力发电机的经济 成本就必须提高蓄电池的充放电循环的利用率和延长蓄电池的使用寿命。 l 蔷电池的恒压充电方式： 恒定电压充电法这种方法是现在普遍使用的一种充电方式t 其充电方法为保持 充电电压的值恒定不变其原则为恒定电压充电的方式在充电过程中使蓄电池中的出 气点所对应的充电电压与其对应的压值相等。一般的我们所用的蓄电池其规格是每个 单元的对应电压为2 2 5 v - 23 5 v 。以此电压恒定充电来保持其蓄电池在充电过程中出气 率最低。 2 蔷电池的恒流充电方式： 恒定电流的充电法这种充电方法就是在给蓄电池充电过程中其充电电流保持恒 定不变i i s l 。其原则为恒定电流充电法中所选择的电流其大小必须适中假如电流过过 大，就会使得充电后期蓄电池过充电，但是如果充电电流过小，所引起结果就是延长 了蓄电池的充电时倒。 3 蓄电池的恒流恒压的充电方式 在蓄电池以往的研究及文献巾告诉我们蓄电池在充电过程中只进行恒定电压充电 或恒定电流充电都会引起电池的过充电和欠充电现象。通过进行试验对比我们可以看 出恒定电压充电过程的过充电是发生在初期，而定电流的过充现象则是发生在恒定电 流充电的后期。以上测试结果提出了一套综合方案即恒流- 恒压充电方式- 其方法是在 充电初期使用恒定电流充电法以防止韧始电流过大，使得蓄电出现出气与升温现象； 当蓄电池的电压达到一定后m 0 使用恒定电压的充电方式来抑制后期充电过程出现的出 气与温升的现象1 1 9 1 。虽然恒压恒流分段式充电方法能消灭蓄电池的过充现像可是其 电池的充电速率并没提高，仍然需要很长的充电时间。 本论文设计的储能控制器，_ 睦终要求是使蓄电池的充放电效率尽可能的高t 不同 于目前大部分的三段充电方式方式。本论文设计一种多段智能控制充电技术。修复充 电恒流一恒雎一均充补充。修复充电：在开始充电的时候- 采用p s o c 控 制充电的脉冲修复充电使电池的化学反应尽量平稳。恒流充电：保持电流在恒定 数值不变的充电方法。这是一种普遍采取的充电方法。蓄电池充电的初始阶段r 在 的蔷电池的运行过程中对容量的检查方法是：牵引正运行中的蓄电池的充电和蓄电 池里边极板的化成充电。一般利用恒流对其进行充电或者分阶段用恒流对其充电。 以此办法对蓄电池进行充电的优点是：1 可以依据蓄电池的容量束对充电电流值进 行设定以此来确蔫电池有个良好的充电环境2 可以计算出充电量的大小并以此来 对完成充电所需时间进行判断。恒压部分：保持恒定的电压值柬对蓄电池避行电压 的充电。这是一种普遍采取的充电方法。电信装氍、不问断电源( u p s ) 等的蓄电 池的浮充电和涓流充电都是恒压充电。起动用蓄电池在车辆运行时也处于近似的恒 压充电的情况。其优点是随着蓄电池的荷电状态的变化自动调整充电电漉，如果 规定的电压恒定值适宜，就既能保证蓄电池的完全充电，又能尽量减少析气和失水。 均冲：利用p s o c 计数器自动计数定时，当充电时间超过我们自己设定的时间- 就 会自动导入均衡充电。可以防止充电后有些电池已经饱了，有些还没饱，放电时。有些 电池已经放完了但是有一个可能已经过放了，这样时间一长使用寿命会太大减低。我 们可以每编1 5 天自动去均衡屯池电压，让每颗屯池都冲饱。补充，我们一开始设计的时 候也用浮充但是发现会影响电池寿命。所以设计改成补充电。当电池充饱，充电器自 动关闭，但是自动每秒检测一次，如果电池自放电到一定数值，充电器自动开始充电】。 救援充电如粜过放过充或者已经冲不进了充电器会自动检测，如果发现有以上问题 或者电池电压过低自动进行救援用小脉冲电流去激活，拉高电压。当电压达到正常数 值自动提高电流进入维护保养状卷保养2 个小时以后，电流进入正常模式充电。电池 使用寿命要最长，每次应该充多少电，都不一样，有个公式。 充电电量= 放电电量1 0 5 本论文已经可以徽悔次自动检测电池状况，自动计算应该用多少电流去充，应浚 充多少电量。 3 25 本文能量检测及控制方法 本文对能量控制流程如图3 4 所示： 凹3 4 能鼍储存控制流程圈 能量控制的目的是为了提高风力发电机的的能量利用教率和风力风发电机的使用 寿命。而风力发电机所发出的电能并不是直接应用到用户身上而是储存到蓄电池内然 后在由蓄电池向外发电而蔷电池的寿命往往都比风力发电机要短根多。所以提高其 能量利用效率和寿命的方法口“。可以通过对蓄电池的控制管理来完成 本文所采用的方法是通过用p s o c 系统元在一定时间间隔采取断丌蔷电池外接电 压的方式，来对其电压进行采样。因为如果直接对蓄电池采样的话t 由于其接着风力 发电机而处于在充电状态，所以测得两端电压并不一定是真实准确的电压a 而在测定 其两端电压后，根据测量结果来判断充电的方式。如果电压充满时则断丌充电回路a 并设定警戒电压当测定电压超过警戒电压时。检测的速率提高一倍。因为通蔷电池 的充电过程图我们不难看出当电压超过警戒值的时候，其增长速度明显增快- 所以要 提高检测频率来确保其不会过充。 同理在测量放电过程也是这样当达到最低的时候就停止对用户输电，同样也设定 一个发电警戒电压，当电压低于警戒电压时。也采取加快电压的检测频率一倍- 通过 放电的数据圈能看出当达到警戒值得时候其电压下降速度会加快。这样可以更好控 制过充。通过以上的方法来控制蓄电池的充放电来确保电池不会过充过放，提高蓄 电池的使用效率和使用寿命。 第四章总体设计方案及储能控制系统的设计 41 系统总体设计方案 系统是由风力发电模拟系统、蓄电池、控制器和负载四个土要部分构成 圈41 风力发电系统总体架构幽 如图4 1 所示其风力发电机能量控制器是以p s o c 系统为主体其型号为c y 8 c 9 6 6 6 。 系统整体的工作流程是在p s o c 的控制下由风力发电模组所发出的d c d c 变换电路转 换成蓄电池充电的适用电压充入蓄电池i 圳。在通过对电池的电压采样由p s o c 根 据写好的程序通过i o 口的高低电平来控制功率丌关，从而来决定蔷电池的充放电过 程。然后接负载。 42 外围电路设计及介绍 421d c 变换电路 本文所设计的d c - d c 变换电路是可以把6 v - 2 0 v 的电压转换成1 2 v 电压充给蓄电 池。其原理如图42 所示： i = 。 ，l 广j 牡， 斟 c 。f f l l， p ：掣l 世b j 每i= ”。f l f f t hl ； 幽4 2 本文所用d c d c 的原理幽 d c d c 变换电路一般分为3 种单升压用，单降压用，和升降压，本文采用d c - d c 变换电路的目的是把风力发屯模组所产生的电压转换成适合蓄电池充电用的恒定电 压。其调节方式为p w m ( 脉冲宽度调制) 简单的来说就是在恒定的脉冲频率一定时 通过脉冲输出宽度的改变己达到输出的电压稳定的目的。 新型升降压充电器的设计及原理分析： 如能在一个开关型电源电路上同时支持升压及降压模式则可省掉一个电源控制 器及电感，降低电路成本；l m 3 1 5 0 升降压式蓄电池充电控制器即符合一个控制器支持 升压及降压模式充电降低电路设计的复杂度。 ( 一1 降压模式 在中、高输出电流且输入电压i nv 大干1 4 倍电池电压b a l t v 时l m 3 1 5 0 的 m o s f e t m 2 保持关闭状态；在此模式下l m 3 1 5 0 控制降压m o s f e t m i 关闭时b j ，初 始状态a 中d h l 使m i 关闭，电感电流以d id ，v l b a t r ；的斜率下降直到电感电流到 达预订值，之后在状态b 中d h i 使m 1 导通，电感电流以d l d tv r 三i n b a t t = ( 一) 的 斜率上升直到超过降压导通时间，状态b 结束后另一个状态 的m o s f e t 关闭时间开 始如此重复工作。 ( 二) 升压模式( 输入电压i nv d , 于09 倍电池电艇b a t t v 时) 当输入电压i n v 小于0 9 倍电池电压b a t r v 时l m 3 1 5 0 控制在状态b 及c ， m o s f e tm i 保持在导通状态，此模式下充电控制器就像一个简单的升压控制器在 此模式下l m 3 1 5 0 控制升压m o s f e t m 2 导通时间。一开始在状态c 中d b s t 使m 2 导 通电感电流以d id tvli n = 的斜率上升，直到电感电流到达预订的设定值之后 d b s t 使m 2 关闭，电感电流以d id t v v l i nb a t t ；( 一) 的斜率下降直到超过升 压关闭时间状态d 结束后另一个状态c 的m o s f e t 导通时阳j 开始，如此重复工作。 ( 三) 升，降压混合模式( 输入电压i nv 介于0 9 倍至l4 倍电池电压b a t t v 间) 当输入电压i n v 介于0 9 倍至14 倍电池电压b a t t v 间，l m 3 1 5 0 控制在状态 a 、b 及c 问切换，按照a 、b 、c 、b 、a 、b 、c 等顺序将犬部份的时间落在状 卷b ，电蒜纹波电流将越小转换效率越高【2 3 ：而升降压混合模式叉可细分为升降压 混合模式的升压模式( 输入电压i nv 小于电池电压b a t tv 但大于0 9 倍电池电压 v b t t b a 丌州b a _ 丌0 9 v v ( v ) 及升降压混合模式的降压模式( 输入电压【n v 大于电池电压b a i tv 但小于i4 倍电池电压b a ：丌1v b a t ti nb a t tv v 14 v ) 。 为了确定其性能通过“美国国家半导体公司”所提供的软件进行了仿真实验其数据如 图43 - 45 所示 e 旦 图4 3 l o u t 仿真酗 l 竺 墨 鼬4 4 v o u t 仿真凹 圈45 瞬态仿真朗 通过其仿真结果我们不难看出不难看出其输出电压十分稳定