风光互补测量系统论文.docx

本科毕业设计论文本科毕业设计论文题 目 风光互补发电测量系统设计 专业名称 热能与动力工程 设计论文毕业 任务书一、题目风光互补发电测量系统设计二、研究主要内容通过学习有关风光互补发电系统的结构、功能等相关知识，针对风光互补发电系统，设计数字测量系统，实时测量风光互补发电系统的发电电压和发电电流。同时，设计数据采集系统，对风光互补发电系统的发电电压和发电电流经行采集输入计算机，为之后分析处理做准备。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。3、 主要技术指标输入电压输入电流测量系统DC 0-60VDC 0-20A数据采集系统DC 0-60VDC 0-20A4、 进度和要求第1-2周英文翻译；第3周查阅参考资料并完成毕业设计任务书；第4-5周了解风光互补发电系统的基本结构和工作原理；第6-7周设计数字测量系统电路图；第8-9周购买相关元器件，搭建设计好的数字测量系统的实验电路；第10周查找与数据采集相关的知识；第11-12周设计数据采集系统电路图；第13-15周购买相关元器件，搭建设计的数据采集系统的实验电路；第16周撰写论文；第17周制作PPT，准备答辩；5、 主要参考书及参考资料1 黄毅城，大力发展风电J，电网与清洁能源，2008,24（）：1-2.2 王治新、刘力群、张华强，风光互补技术及应用新进展J，电网与清洁能源，2008，24（）。3 孟克其劳，贾大江，王利平。风光互补控制器的智能化设计J.太阳能学报,2005,26(2):192-195。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。4 杨超.城市道路照明的节能措施J，大众用电,2006(3)：21-22.5 钟勇.风光互补发电系统中蓄电池充放电控制器的研究D，合肥：合肥工业大学,2006。6 普子恒、倪浩、黄杨珏，浅析风光互补发电系统及其应用前景，科研探索与知识创新.7 古天祥、王厚军、习友宝.电子测量原理M.机械工业出版社，2006.8 /p-18727304.html 9LM7805中文资料10LM2576中文资料11 张永良，李波.线性光隔离技术及其在程控电压源中应用J.2005(6)，118-119 12 /news.asp?id=913LM7812中文资料学生 指导教师 系主任 47摘要风能和太阳能作为一种清洁的可再生能源，是新能源开发和利用的主要对象，风光互补发电系统就是综合利用风能太阳能的设备。为了检测风光互补发电系统的工作效率，设计了测量设备和数据采集设备。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。本文的目的就是针对风光互补发电系统，设计测量系统和数据采集系统，通过测量并且采集风光互补发电系统的发电电流和发电电压，实现测量风光互补发电系统的发电量目的。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。主要有如下工作AC 220V转DC5V，DC12V：用LM78XX系列单端稳压器设计输入电压为AC 220V，输出电压为DC 12V和DC 15V稳压电路，为电流表、电压表和电压变送器、电流变送器供电。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。DC 60V转DC5V，DC12V：用LM2576开关型降压稳压器设计输入电压 DC 60V，输出电压为DC 12V和DC 15V电路，为电流表、电压表和电压变送器、电流变送器供电。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。可切换供电方式的测量系统：利用数字电压表和数字电流表设计测量系统，实现可切换的双电源为数字电压表和数字电流表供电。一种模式为AC 220V供电，另一种模式为被测风光互补系统（直流输出）供电。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。可切换供电方式的数据采集系统：通过直流电压器和直流电流变送器将风光互补发电系统的发电电压和发电电流转换为0-5V电信号输入数据采集卡，进行采集数据。同时实现可切换的双电源为直流电压变送器和直流电流变送器供电。一种模式为AC 220V供电，另一种模式为被测风光互补系统（直流输出）供电。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。关键词：风光互补，测量，数据采集，发电量AbstractAs clean and renewable resources, wind energy and solar energy is the main object in the new resource developing and exploiting field. A kind of measuring equipment and data-collecting equipment are needed so as to detect working efficiency of wind and solar complementary systems.鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。The aim of this essay is to design measuring systems and data-collecting systems based on the wind and solar systems as well as realize the goal of wind and solar systems power generation by means of measuring and collecting the current and voltage of wind and solar systems.籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。The main work as follows: turning AC 220 into 5V, 12VDevising input voltage into AC 220V, output voltage into DC 12V and DC 15V voltage-stabilizing circuit by using LM78XX 3-Terminal 1A Positive Voltage Regulator, providing power for ampere meter, voltmeter, voltage transducer and current transducer.預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。 Turning DC 60V into 5V, 12VDevising input voltage into DC 60V, output voltage into DC 12V and DC 15V circuit by using LM2576 simple switcher 3A step-down voltage regulator, providing power for ampere meter, voltmeter, voltage transducer and current transducer.渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 Measuring system that can switch power supplying pattern铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。By using digital voltmeter and digital ammeter measuring system to realize a switchable dual power that could supply power for digital voltmeter and digital ammeter. One mode supplies power for AC 220V, another supplies power for Scene complementary system (direct-current output).擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 data-collecting system that can switch power supplying pattern贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。Turning the voltage and current of wind and solar complementary system into electric signal of 0-5V by voltage transducer and current transducer and inputting them into data acquisition board to collect data. Realizing switchable dual power source to supply power for voltage transducer and current transducer. One mode supplies power for AC 220V, another supplies power for wind and solar complementary system (direct-current output).坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。Keywords: wind and solar system, measuring, data collecting, power generation蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。目 录第1章 绪论1買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。1.1研究背景1綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。1.2 风光互补发电系统介绍1驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。1.2.1风光互补系统组成1猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。1.2.2风光互补发电系统的优点2锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。1.2.3风光互补发电系统的缺点2構氽頑黉碩饨荠龈话骛。1.3本文研究的内容3輒峄陽檉簖疖網儂號泶。第2章 数字系统测量原理5尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。2.1电子测量的定义及特点5识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。2.2数字系统的组成5凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。2.3电压测量的数字化方法6恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。2.3.1概述6鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。2.3.2逐次比较型DVM7硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。2.3.3“V/T”积分型DVM8阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。2.3.4“V/F”积分型DVM9氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。2.3.4脉宽调制式DVM10釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。第3章 风光互补系统的数据测量系统设计12怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3.1测量部分设计12谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.1.1数字电压表原理12嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。3.1.2数字电压表的选择12熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。3.1.3电流表原理13鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。3.1.4电流表及分流器的选择13纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。3.2供电部分设计14颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。3.2.1 LM7805三端稳压器14濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。3.2.2 AC 220V转换为DC 5V作为供电电源15銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。3.2.3 LM2576开关型降压稳压器17挤貼綬电麥结鈺贖哓类。3.2.4风光互补发电系统作为供电电源18赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。3.3数据测量系统整体设计21塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。第4章 数据采集系统设计23裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。4.1数据采集部分设计23仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。4.1.1电压变送器23绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。4.1.2电流变送器25骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。4.1.3数据采集卡26瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。4.2供电部分设计33鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。4.2.1 LM7812三端稳压器34栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。4.2.2 AC 220V转换DC 12V作为供电电源35辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。4.2.3风光互补发电系统作为供电电源36峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。4.3数据测量系统整体设计36詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。第5章 总结与展望39则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。5.1结论39胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。5.2展望40鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。参考文献41稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。致谢42陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。毕业设计小结43沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。第1章 绪论1.1研究背景近几年，我国的风能、太阳能应用有了很大的发展，但在能源结构中的比例仍然比较低。我国的风能资源丰富，据统计，在10m高度风能储量为3.2TW,可利用的风能超过1.0TW1。根据不同的风速全国被分成了5个区域，其中可利用的区域超过了整个国土面积的75%，一年当中风速超过3m/s的时间超过2000h。风能最丰富的地区位于三北（西北、华北和东北）和东南沿海地区，占国土面积的8%；较丰富地区和可利用地区分别占18%和50%；较为匮乏的地区包括四川、贵州和云南省，占国土面积的24%左右。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。我国大部分地区日照比日本和欧洲要好，其中，西藏、青藏高原地区日照强度最大，可以和撒哈拉沙漠想媲美。在我国，太阳能资源较丰富地区达到了国土面积的67%，可利用年平均日照小时达2000h以上，年日照强度达到，相当于标准煤。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。在过去的30年，太阳能已经被用于许多领域，如光伏建筑、光伏水泵、太阳能热水器、太阳能空调等。光伏生产从无到有，从弱变强。在第五届国际太阳能产业及光伏工程论坛上，国家科技部国际合作司副司长陈霖豪在致辞中表示，2010年中国光伏电池产量达到八千兆瓦（8000MW），约占全球总产量一半，居世界首位2-5。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。作为能源消费大国，在未来很长一段时间内，以风能、太阳能为主的新能源的开发和利用将是我国解决能源危机和减少污染物排放的有效手段。这也响应了党中央在“十二五”规划中所提出的大力发展新兴能源产业，加快核电建设，大力发展风能、太阳能和生物质能，发展煤炭的清洁利用产业的要求。因此，以风能、太阳能为能源的风光互补发电系统不仅会有很广阔的发展前景，而且会取得重大的成果。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。1.2 风光互补发电系统介绍1.2.1风光互补系统组成风光互补发电站系统主要有风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，将电力并网送入常规电网中。夜间和阴雨天无太阳时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风机和太阳能更经济、科学、使用。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。图1-1 风光互补发电系统示意图1.2.2风光互补发电系统的优点 风电和光电系统在蓄电池组合逆变环节是可以通用的，使成本大大降低，同时可以设计逆变系统具有自动稳压功能，改善供电质量。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。 风光互补系统关键的控制部分要根据日照强度、风力大小及负载的变化不断对蓄电池组的工作状态切换和调节，在发电量充足时把一部分电能供给负载，另一部分电能则存入蓄电池组中；当发电量不足时，由蓄电池组提供部分负载所需电能，从而保证系统的稳定性与可靠性。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。 由于风光互补系统的供电稳定性和保证率高，可以设计较低的光电真容量和蓄电池容量，是整个系统的成本下降。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。1.2.3风光互补发电系统的缺点 光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。 风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低。缺点是小型风力发电机可靠性低。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。 风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。而蓄电池的投资又很大，如此便会大大提高运行成本。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。 风光互补发电系统比单独的光伏或风力发电系统复杂多，需要解决其管理和控制问题。 风光互补系统的最大障碍是小型风力发电机的可靠性、效率问题。虽然我国的小型风力发电机技术标准做了调整和修改，根据2009版国标（GB/T 139812009），一个最显著的特点就是要求风机的额定风速在610m/s，这是不合理的。因为小型风力发电机受技术手段的限制，采用定桨距叶片，当风速大于额定风速时，风机的限速机构必须开始动作，否则就可能会烧毁发电机。风机限速后，输出功率急速下降，从而大大缩小了风机的有效工作风速范围6。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。 图1-2a 风光互补路灯 图1-2b 风光互补发电1.3本文研究的内容基于前面对风光互补系统的初步介绍，可以知道虽然有风光互补系统诸多优点，但是发电量不稳定的是其最大的缺陷，严重影响了风光互补系统的应用普及。因此，实时测量和采集风光互补发电系统工作时的发电电压和发电电流成为一项不可或缺的工作。在设计风光互补发电系统的测量和采集系统中，主要有如下工作：夹覡闾辁駁档驀迁锬減。直流电流表和电压表的额定工作电压为5V，用LM7805三段稳压器和 AC 220V转9V的变压器设计了一个将AC 220V转换为DC 5V输出供电的电路。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。由于风光互补的发电电流为0-20A，超出了电流表的测量范围，所以将电压表与相应的分流器（20A/75mV）并联组成量程为0-20A的电流表。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。电流变送器和电压变送器的额定工作电压为DC 12V，用LM7812三段稳压器和AC 220V转15V的变压器设计了一个将AC 220V转换为DC 12V输出供电的电路。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。风光互补发电系统作为电源为测量系统中的电流表、电压表、电流变送器和电压变送器供电。风光互补发电系统电压为DC 0-60V，用LM2576开关型降压稳压器设计了将0-60V的电压转换为DC 5V和DC 12V输出供电的电路。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。在数据采集系统中，数据采集卡的输入范围为0-5V，而风光互补发电系统的发电电压为0-60V，发电电流为0-20A，不是可直接采集的信号。因此，用电压变送器将0-60V发电电压线性转换为0-5V的输入信号，输入数据采集卡的一个DA通道；用电流变送器将0-20A的发电电流线性转换为0-5V的输入信号，输入数据采集卡的另一个DA通道。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。将AC 220V转5V的电路和DC 60V转5V的电路用双刀双掷开关连接，实现可切换的双电源为测量系统中的电流表和电压表供电。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。将AC 220V转12V的电路和DC 60V转12V的电路用双刀双掷开关连接，实现可切换的双电源为数据采集系统中的电流变送器和电压变送器供电。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。第2章 数字系统测量原理2.1电子测量的定义及特点从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段而进行的测量，即以电子科技理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量所进行的测量7。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。电子测量技术具有以下特点：（1）测量频率范围宽；（2）量程范围宽；（3）测量准确度高；（4）测量速度快；（5）易于实现遥控测量； （6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化。2.2数字系统的组成在电子技术领域里，用来对数字信号进行采集、加工、传送、运算和处理的装置成为数字系统。一个完整的数字系统往往包括输入电流、输出电路、控制电路、时基电路和若干子系统等五部分，各部分具有相对的独立性，在控制电路的细条和指挥下完成橙子的功能，如下图所示。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。图2-1 数字系统构成图输入电路输入电路的任务是将各种外部信号变成数字电路能够接受和处理的数字信号。外部信号通常可分为模拟信号和开关信号两大累，如声、光、电、温度、压力及位移等物理量属于模拟信号，而开关的闭合打开、管子的导通与截止等属于开关量。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。这些信号都必须通过输入电路变换成数字电路能够接受的二进制逻辑电平。输出电路 输出电路是将经过数字电路运算和处理之后的数字信号变换成模拟信号或开关信号去推动执行机构。子系统子系统是对二进制信号进行算术运算或逻辑运算以及信号传输等功能的电路每个子系统完成一项相对独立的任务，即某种局部工作。子系统又称为单元电路。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。控制电路控制电路将外部输入信号以及各子系统送来的信号进行综合、分析，发出控制命令去管理输入输出电路及各子系统，是整个系统同步协调、有条不紊地工作。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。时基电路产生系统时钟，是整个系统在时钟信号的作用下一步一步地顺序完成各种工作。2.3电压测量的数字化方法2.3.1概述数字电压表（DVM）是随着数字技术发展起来的精确、灵活多用的电子仪器。其优点：准确度高（8位显示误差可达0.0001%）、分辨率高（可达1V）、数字显示不存在视觉误差、测量速度高（无指针的机械惯性）、输入阻抗高（可达1010）、易实现自动化等。根据A/D（“模-数”）工作原理的不同，有不同特性的DVM8。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。分类（根据A/D工作原理）：比较型A/D转换器直接转换式，它将输入模拟电压与标准电压进行比较来转换。主要有：反馈比较式和无反馈比较式。积分型A/D转换器间接转换式，先将模拟电压通过积分器变成时间（T）或频率（F），再把中间来那个转换成数字量，主要有：“V/T”式，有双斜积分式，三斜积分式、脉宽调制式等；“V/F”式，有脉冲反馈式和电压反馈式；复合型，二者结合。图2-2原理框图2.3.2逐次比较型DVM基本原理：将基准电压分成若干基准码，把被测电压与可变基准码进行比较，直至达到平衡，则其基准码显示出被测电压值。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。图2-3原理框图基准源：做砝码电压Us的机内参考，D/A：将寄存器送到二进制码在基准作用下产生步进砝码电压Us（1、2、4、8步进，即8421码）。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。工作原理：程控下，先将最高位码电压Us与Ux进行比较，若U=Ux-Us0，则寄存器中的“1”保留；若U0，则寄存器的“1”舍弃（变为“0”），同时此位码电压Us也取消；再将次高位码电压加上最高位码电压与Ux比较，同样浹繢腻叢着駕骠構砀湊。U0时寄存器中该位“1”保留，否则该位“1”舍去变为“0”；如此往复，知道最低位码为止。比较结果，在程控下降寄存器中的数码送去译码显示。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。2.3.3“V/T”积分型DVM基本原理：在一个测量周期内用同一个积分器积分两次，将被测电压转换成与其成正比的时间间隔，用此间隔内填充的标准脉冲数来反映被测电压，故叫“V/T”变换型。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。图2-4a“V/T”积分型原理图图2-4b “V/T”积分型原理图工作原理：备阶段（t0t1）：逻辑控制电路使电子开关的S4闭合，积分器输出为零。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。采样阶段（t1t2）：逻辑控制电路使电子开关S4断、S1合，积分器正向积分（U010），比较器输出打开主门，则时钟脉冲通过主门进入计数器计数。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。U01=-1RCt1t2(-UX)dt (2-1)薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。当t=t2，计数器计数满预先给定值N1（即定时积分T1=N1T0（T0为时钟周期），控制电路是开关S1断开，第一次积分（正向积分结束）有：齡践砚语蜗铸转絹攤濼。U0m=UXRCt2-t1=UXRCT1 (2-2)绅薮疮颧訝标販繯轅赛。比较阶段（t2t3）：在t2时刻，逻辑控制电路使K1断开的同时接通K2，还是计数器清零。积分器开始反向积分，主门开启，计数器重新对脉冲计数。饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。U02=U0m+-1RCt2t3+Usdt (2-3)烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。当t=t3时，反向积分输出电压为零，器计数结果存入寄存器中。U02=0=U0m-UsRCt3-t2 (2-4)鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。U0m=UsRCT2 (2-5)撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。将正向积分结束的U0m代入（2-4）得：UX=T2T1Us=N2T0N1T0Us=N2N1Us (2-6)踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。2.3.4“V/F”积分型DVM基本原理：“V/F”转换也是不断积分，将被测电压转换为振荡频率f，然后以数字频率测量电路测频率值来表示被测电压大小。婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。图2-5“V/F”原理图由积分器、比较器、复位电路三部分组成，而复位电路由单稳态电路、恒流源IR和模拟开关K组成。工作原理：当积分器输出电压Uint下降到EK时，比较器A2的输出U0负跳变，使单稳定是电路输出一个宽度为t0的正脉冲，使K导通t0时间，将恒流源IR与积分器电流相加；在t0期间积分器反向充电（因设计保证Iimax=（Uimax/R）0时，电子开关接+Ur；当U0Uxmax+Ur,以保证节拍方波对调宽周期的控制，兵士系统稳定性和比较器不灵敏区影响减小。骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。根据积分电容充放电电量相等得：当R1=R2时，有Ux=T2-T1TUR (2-10)癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。式中节拍周期T=T1+T2为常数（其中T1为+Ur计入时间，T2为-Ur计入时间）。第3章 风光互补系统的数据测量系统设计数据测量系统是采用数字式的电压表和电流表测量风光互补发电系统的发电电压和发电电流。数字式的表头相比于指针式的表头，可以更加方便的读出被测数据，在工程实践中比较实用，而精度相对差一些，但足以满足测量系统的误差要求，所以采用数字式电压表电流表。因此数据测量系统分为两个部分：测量部分和供电部分。测量部分主要功能就是测量风光互补发电系统的发电电流和发电电压，是数据测量系统的核心部分；供电部分的主要功能是给数字式电压表和电流表提供电源，是整个测量系统正常工作的基础。鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。3.1测量部分设计3.1.1数字电压表原理首先，被测电压信号进入A/D转换器，FPGA中控制信号模块发出控制信号，启动A/D转换器进行转换，其采样得到的数字信号数据在相应的码制转换模块中转换为显示代码。最后译码驱动模块发出显示控制与驱动信号，驱动外部的LCD模块显示相应的数据。通过外部的键盘，可以手动对系统进行复位控制和档位选择，不同的档位决定不同的电压输入范围，在程序中实现自动转换。基本工作原理框图如下图所示。榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。图3-1 电压表系统工作原理图3.1.2数字电压表的选择试验中，我们所建立的光伏发电系统的发电电压为0-60V，发电电流为0-20A，根据要求，所选取的电压表信息如下：逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。表3-1 电压表生产厂家型号电源规格苏菲尔仪器SF5135-DVDC 5VDC 200V图3-2数字电压表3.1.3电流表原理电流实际测量的是物理量也是电压。所以不能直接将电流表串接到光伏板的发电电路中，因为发电电流过大，远远超过电流表允许通过电流的范围，所以需要一个分流器，将电流表并联在分流器两端，测量分流器电压，分流器两端电压与电流表的读数线性变化，从而实现测量回路中的电流。基本电路图如下图所示：幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。图3-3 电流表原理图3.1.4电流表及分流器的选择试验中，我们所建立的光伏发电系统的发电电压为0-60V，发电电流为0-20A，根据要求，所选取的电流表信息如下：誦终决懷区馱倆侧澩赜。表3-2 电流表生产厂家型号电源规格苏菲尔仪器SF5135-V5VDC 20A/75mV图3-4 数字电流表选择与电流表表头相对应的分流器，其规格为 DC 20A/75mV。当分流器两端的电压为0V时，电流表读数为0A；当分流器两端的电压为75mV时，电流表读数为20A，呈线性变化。医涤侣綃噲睞齒办銩凛。3.2供电部分设计测量部分中所采用的电流表和电压表的额定工作电压均是DC 5V，所以供电部分就要为其提供DC 5V的电源。通常可以把AC 220V转换为DC 5V，为电压表和电流表供电。但考虑到风光互补发电系统工作的场所，有的地方缺少市电的、人烟稀少的地方，所以把AC 220V转换为DC 5V就行不通了。因此，可以把风光互补发电系统作为供电电源，即风光互补发电系统不仅是测量系统测量发电电流和发电电压的对象，也为测量系统提供DC 5V电源。此时，测量系统也会消耗风光互补发电系统的一部分电能，但它所消耗的功率很小，与其他负载所消耗的电功率相比，可忽略不计，不影响风光互补发电系统的发电量。最后为了系统能够更加稳定工作，将上述两种供电模式相结合为测量系统供电，两种供电模式可自由切换。舻当为遙头韪鳍哕晕糞。3.2.1 LM7805三端稳压器LM7805 系列3端正稳压电路,一般使用的是TO-220 封装，能提供DC 5V固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流9。鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。图3-5a LM7805外形及引脚排列 图3-5b LM7805功能框图3.2.2 AC 220V转换为DC 5V作为供电电源工作原理如下图：图3-6 AC 220V转换为DC 5V作为供电电源工作原理图从图3-7的电路图看，220V的交流电通过一个220V转9V的变压器，转变为9V的交流电。在变压器后面，由全桥整流模块，将9V的交流电整流为直流电。整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，所以在这里接一个330uF/25V的电解电容。电容C1后面并联了1k的电阻R1和一个发光二极管，电阻R1的作用是防止发光二极管被烧坏，发光二极管的作用是显示电路的工作状态，二极管亮时电路正常工作。筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波，在电容C1两端大约会有11V多一点的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使C1两端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三端稳压器的元件。因为需要输出5V的电压，所以选用LM7805稳压芯片。7805前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏。韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。三端稳压器后面即一个105电容（1F），这个电容具有滤波和阻尼的作用。滤波可以滤除交流噪声使输出电流更平稳，阻尼可以减小电源内部高频内阻。最后在C2两端接一个输出电源的插针，就可以用于与负载相连，提供5V直流电。涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟。 图3-7 AC 220V转DC 5V电路图 图3-8a 试验AC 220V转DC 5V（不工作） 图3-8b 试验AC 220V转DC 5V（工作）钿蘇饌華檻杩鐵样说泻。说明：发光二极管亮时，电路正常工作输出电压为5 V；发发光二极管不亮时，输出电压为0 V。3.2.3 LM2576开关型降压稳压器LM2576系列的稳压器是是单片集成电路，能提供降压开关稳压器（buck）的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力。这些器件的固定输出有3.3V，5V，12V，15V，还有可调整输出的型号。这些稳压器内部含有一个频率补偿器和将外部元件的数目减到最少，使用简便。在指定输入电压和输出负载条件下保证输出电压的4%误差，以及振荡器频率的10%误差，还包括外部的断开电路，特征有50A待机电流10。戧礱風熗浇鄖适泞嚀贗。特点： 3.3V，5V，12V，15V，和可调节输出的型号； 可调节输出型号输出电压范围在线性和负载条下1.23-37V（HV型号57V）最大4%；購櫛頁詩燦戶踐澜襯鳳。 保证3.0A的输出电流； 输入电压范围广，40V至HV型号的60V（LM2576最大电源电压为45V，LM2576HV最大电源电压为63V）；嗫奐闃頜瑷踯谫瓒兽粪。 需要4个外部器件支持； 52kHz固定频率内部震荡器。图3-9a LM2576外形及引脚排列图3-9b LM2756内部电路图3.2.4风光互补发电系统作为供电电源工作原理如下图：图3-10风光互补发电系统作为供电电源工作原理图从图3-11的电路看，光伏板可以提供最大为60V的电压，所以需要将60V的直流电降压为5V输出。在光伏板后面，先要并联一个电解电容Cin作为输入电容。这个电容是一个加在输入端和地之间的低等效电阻（Low ESR）的铝或钽旁路电容，它可以防止在输入端出现过大的瞬态电压，同时为LM2576 在每次开关时提供瞬态电流。对输入电容而言，最重要的参数是耐压和均方根电流（纹波电流）。在最大环境温度为40时，一般要选择一个最大均方根纹波电流为直流负载电流的0.5倍的电容，而电容的耐压值至少要高于最大输入电压的1.25倍。根据以上要求同时参考LM2576说明书中给出的典型应用的例子可调节输出电压电路，选择100F、耐压75V的铝电解电容作为输入电容。虚龉鐮宠確嵝誄祷舻鋸。在输入电容后经LM2576HV-ADJ芯片，实现降压。 LM2576HV-ADJ芯片的输入电压为0-60V，最大输入电压为63V。输出电压范围在线性和负载条件下为1.23V-57V（LM2576-ADJ芯片的输入电压为0-40V，最大输入电压为45V。输出电压范围在线性和负载条件下为1.23V-37V。在试验中，输入电压为11V，考虑到节约试验成本，用LM2576-ADJ代替LM2576HV-ADJ进行试验）。输出电压由以下公式确定：與顶鍔笋类謾蝾纪黾廢。VOUT=VREF(1+R2R1) (3-1)結释鏈跄絞塒繭绽綹蕴。R2=R1(VOUTVREF-1) (3-2)餑诎鉈鲻缥评缯肃鮮驃。其中，VREF=1.23V，R1在1.0k到5.0k之间为定值电阻，R2为可调电阻。可以通过调节R2来调节输出电压的大小。例如，当R1=2.0k，R2=6.12k时，输出电压VOUT=5V。LM2576HV-ADJ芯片有5个引脚：1 脚Vin输入电压端，2脚OUTPUT稳压输出端，3脚GND接地端，4脚 FEEDBACK反馈端，5脚ON/OFF控制端。5脚输入电平可用于控制LM2576的工作状态。5脚输入电平与TTL电平兼容。当输入为低电平时，LM2576正常工作；当输入为高电平时，LM2576停止输出并进入低功耗状态。爷缆鉅摯騰厕綁荩笺潑。在LM2596的应用中，需要一个吸纳二极管来为电感电流（当开关闭合时）提供通路，这必须是一个快速二极管且要靠近LM2596，管脚要短、相连接的导线也要短。吸纳二极管的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的1.3倍，吸纳二极管的反向耐压至少要为最大输入电压的1.25倍。由于肖特基二极管开关速度快、正向压降小，所以，使用中其性能很好，特别是在输出电压低的应用中（5V）。所以选择肖特基二极管D1 MBR360。锞炽邐繒萨蝦窦补飙赝。LM2576-ADJ芯片后的电感L1为储能电感。在多数情况下，LM2576-ADJ芯片为连续工作模式，它能够提供更大的输出功率，同时，峰值开关电流、电感电流、二极管电流和输出纹波电压很小。但是，这就需要更大的电感以维持流过电感中的电流的连续性，尤其是在输出负载电流小或输入电压高的情况下。参考LM2576说明书中给出的典型应用的例子可调节输出电压电路，选择100H的电感。曠戗輔鑽襉倆瘋诌琿凤。输出电容COUT是用来对输出滤波以及提供调整器环路的稳定性的。必须使用小阻抗或低等效电阻（LOW ESR）的电解电容或固态钽电容。如果电容的ESR太小，就有可能使反馈环路不稳定，导致输出端振荡。若电容值太大，反而会在某些情况（负载开路、输入端断开）对器件造成损害。参考LM2576说明书中给出的典型应用的例子可调节输出电压电路，选择1000F、耐压25V的铝电解电容作为输出电容。最后在C2两端接一个输出电源的插针，就可以用于与负载相连，按公式（3-1）和（3-2）调节R2的大小，就能提供5V直流电。轉厍蹺佥诎脚濒谘閥糞。图3-11 风光互补发电系统作为供电电源电路图图3-12 DC 60V电降压DC 5V电路图 说明：试验中，用5W的电位器作为电路图中的可调电阻R23.3数据测量系统整体设计图3-13 数据测量系统整体布局将AC 220V转DC 5V电路和60V电降压DC 5V电路用双刀双掷开关相连接，为电压表和电流表提供5V电源。通过双刀双掷开关可实现两种不同供电方式间的切换。当指示灯亮时，表明供电系统正常工作。数据测量系统内，在双刀双开关和LM2576HV-ADJ芯片前，加了熔断保险丝。保险丝1是为了防止风光互补发电系统的发电电流过大，导致流过LM2576HV-ADJ芯片的电流过大，将芯片烧坏。保险丝2是为了防止当电压表或电流表烧坏发生短路时，数据测量系统内的电流过大，将LM2576HV-ADJ芯片烧坏。嬷鯀賊沣謁麩溝赉涞锯。将风光互补发电系统的输出端接到数据测量系统的输入端，将蓄电池接到数据测量系统的输出端，切换双刀双掷开关，选择相应的供电方式，便可测量风光发电系统的发电电流和发电电压，从而求得风光互补发电系统的发电功率。讯鎬謾蝈贺綜枢辄锁廪。图3-14 两种供电电路用双刀双掷开关相连实现可切换供电模式如图3-14所示，在试验中，用220V转9V的变压器经全桥整流后输出的11V左右的电压模拟作为DC 60V转DC 5V输入电压，当双刀双掷开关打到不同的位置，给电流表和电压表的供电方式不同兒躉讀闶軒鲧擬钇標藪。第4章 数据采集系统设计数据采集系统通过电压变送器和电流变送器将风光互补发电系统的发电电压和发电电流转换为数据采集卡可以采集的0-5V的电信号，再由数据采集卡将模拟电信号转换为数字信号输入如计算机并做记录。这样就可以测得风光互发电系统实际的发电功率并与理论值相比较，可以对理论计算公式加以修正，更好的预测风光互不发电系统的发电功率。电压变送器和电流变送器需要外加DC 12V的电源供电。因此数据测量系统由两部分组成：数据采集部分和供电部分。数据采集部分的功能就是将风光互补发电系统的发电电压和发电电流采集输入计算机，是数据采集系统的核心部分。供电部分的功能是给电压变送器和电流变送器提供电源，是整个数据采采集系统正常工作的基础。繅藺詞嗇适篮异铜鑑骠。4.1数据采集部分设计4.1.1电压变送器电压变送器是将被测直流电压转换成按线性比例输出的直流电压并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。我们所用的直流电压变送器采用线性光隔离技术，具有精度高稳定性好等特点。鮒簡觸癘鈄餒嬋锵户泼。工作原理：图4-1 线性光隔离电路原理框图图4-1中，偏置输入（1）用来调节光电耦合器（1）的输出电流，使其工作在线性区；光电耦合器（2）和偏置输