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机械毕业设计论文
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机械毕业设计914基于风力发电UPS系统,机械毕业设计论文
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目 录 1 前言 . 1 1.1 风力发电的国内外发展现状 . 1 1.2 UPS 的基本知识 . 2 1.3 风力发电基本知识 . 2 1.3 风力发电与 UPS 的互联 . 3 2 总体设计方案 . 4 2.1 设计要求 . 4 2.2 设计方案论证 . 4 3 硬件电路设计 . 5 3.1 电路构架及基本工作原理 . 5 3.2 主动 PFC 电路 . 6 3.3 UPS 主功率变换电路 . 8 3.3.1 DC/DC 主功率变换 . 8 3.3.2 SPWM 调制 . 10 3.4 主控电路 . 11 3.5 风力发电控制及市电充电部分 . 12 3.5.1 风力发电控制 . 12 3.5.2 市电充电部分 . 12 3.6 UPS 的蓄电池部分 . 13 4 软件系统设计 . 14 4.1 主程序设计分析 . 14 4.1 中断处理程序分析 . 15 5 测试结果 . 16 5.1 无负载情况下测试 . 16 5.2 有负载情况下测试 . 16 6 应用前景 . 17 7 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 . 22 nts 1 1 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； 1.52.5MW、 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nts 2 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nts 3 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 ”。 32/1 V 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nts 4 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nts 5 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nts 6 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“ 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。 主控制部分 风能 滤波器 静态开关 APFC 市电 主 DC/DC DC/AC AC输出 蓄电池 辅 DC/DC nts 7 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 UI F 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nts 8 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 nts 9 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； E VT1 变 压器初级 VT4 E。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 E VT3 变压器初级 VT2 E 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nts 10 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。 nts 11 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nts 12 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，nts 13 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： c o sPIE 最 大 临 界 式中： P 是 UPS 电源的标称输出功率； cos 是用户负载的功率因数 是逆变器效率。一般取为 0.9， E临 界 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 nts 14 名称 消耗功率（伏安） 手提式 386 电脑 75 Compaq 386/35eW/VGA 250 Compaq 386/33W/VGA 300 Compaq 486-66W/VGA 500 IBM PC Server 500 700 SUN SPARC Server 1000 2000 IBM AS/400 2200 6 Compaq System Pro Server 3000 IMB PS/2 95 Server W/XGA 375 8 IBM PS/2 55 SXW/VGA 1600 DEC Station 5000 600 IBM RS/6000 320W/19mon 450 IBM RS 6000 mode 980B 1600 Divetti SNX 140/160R 600 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 C 电 池 组 的 实 际 放 电 电 流电 池 组 的 标 称 容 量 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 nts 15 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。 Y Y N Y N N Y N 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 nts 16 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 nts 17 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nts 18 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。
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