應(yīng)用于小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池充放電裝置的設(shè)計

目錄中文摘要及關(guān)鍵詞1英文摘要及關(guān)鍵詞2第一章緒論31.1能源狀況31.2風(fēng)、光發(fā)電的開展?fàn)顩r31.2.1風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的特點31.2.2風(fēng)光互補發(fā)電的提出41.3選題意義和國內(nèi)外研究狀況51.4小結(jié)6第二章蓄電池72.1蓄電池的類型72.2鉛酸蓄電池充放電原理82.3蓄電池的充放電特性82.4蓄電池充放電方式92.5風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成及原理102.6小結(jié)11第三章光伏單元充電電路設(shè)計123.1充電電路拓撲結(jié)構(gòu)及方案選擇123.2主電路的設(shè)計133.3控制電路原理與設(shè)計153.3.1控制電路方案比擬及選擇153.3.2SG3525各引腳具體功能163.3.3SG3525芯片特點如下163.4驅(qū)動電路設(shè)計173.4.1驅(qū)動電路方案比擬與選擇183.4.2驅(qū)動電路工作原理183.5小結(jié)19第四章風(fēng)力單元充電電路設(shè)計204.1系統(tǒng)組成204.2主電路結(jié)構(gòu)204.3控制電路214.3.1系統(tǒng)組成214.3.2直流電壓檢測214.3.3單片機214.3.4PWM波的產(chǎn)生214.4.5驅(qū)動電路214.4小結(jié)22第五章逆變器設(shè)計235.1逆變器的系統(tǒng)構(gòu)成235.2主電路設(shè)計235.3控制電路設(shè)計245.3.1單片機245.3.2檢測電路255.3.3驅(qū)動電路265.4小結(jié)27總結(jié)與展望28參考文獻29致謝30附錄Ⅰ31附錄Ⅱ33中文摘要及關(guān)鍵詞摘要；本文在分析國內(nèi)外對風(fēng)光互補系統(tǒng)研究的根底上，對風(fēng)光互補系統(tǒng)有了初步的認識，并對蓄電池的充放電過程及裝置進行了深入的研究。在光伏單元的充電設(shè)計中，主電路采用降壓斬波電路，控制電路采用了SG3525芯片；在風(fēng)力單元充電設(shè)計中，主電路采用三相不可控整流電路，控制電路運用了SG3525芯片，驅(qū)動電路運用了ZXB841；對于蓄電池放電裝置，采用了AT89C51芯片，設(shè)計了逆變器的主電路及其控制電路。關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補；光伏充電；風(fēng)力充電；逆變器英文摘要及關(guān)鍵詞Abstract：Onthebasisoftheanalysisoftheresearchaboutwindandsolarenergycomplementarysystemathomeandabroad,thisthesishasapreliminaryunderstandingofwindandsolarenergycomplementarysystemandmakesdeepresearchesonthecharginganddischargingprocessofthebatteryanditsdevice.Inthedesignofcharginginphotovoltaiccell,themaincircuitadoptsthebuck-choppingcircuit,thecontrolcircuitadoptsSG3525chip;inthedesignofcharginginwindturbineunit,themaincircuitadoptsthree-phaseuncontrolledrectifyingcircuit,thecontrolcircuitusesSG3525chip,thedrivecircuitusesEXB841;meanwhilebatterydischargedeviceadoptsAT89C51chipanddesignsthemaincircuitandcontrolcircuitoftheinverter.Keywords：Windandsolarcomplementary；Photovoltaiccharging；Windcharging；Inverter第一章緒論1.1能源狀況能源是人類賴以生存的五大元素之一，是國民經(jīng)濟和社會開展的重要戰(zhàn)略物質(zhì)，是經(jīng)濟開展的“火車頭〞，能源已成為制約國民經(jīng)濟開展的重要因素。當(dāng)前在生產(chǎn)和生活中起重要作用的能源主要有五大類：煤炭、石油，天然氣．水和核裂變能。這些能源被稱為常規(guī)能源，目前世界上能源的消耗幾乎全靠這五大能源來供給。隨著世界經(jīng)濟的深入開展和國際工業(yè)化的進程，世界各國對能源的需求越來越大。雖然，人類的技術(shù)進步旨在提高能源的利用效率、減少能源的消耗，但現(xiàn)今的能源生產(chǎn)量依然滿足不了人類開展的需求，全球范圍內(nèi)的能源危機也日益突出。經(jīng)過第一次世界范圍內(nèi)“石油危機〞的沖擊，人類認識到地球蘊藏的礦物資源是有限的，總有一天會被耗盡，現(xiàn)實也告誡人們，要生存就必須尋求開發(fā)新能源。人類日益增長的環(huán)境保護意識和提高生活質(zhì)量的需求，要求減少常規(guī)能源對環(huán)境的污染，優(yōu)先開展清潔能源。目前煤炭，石油，天然氣等能源開采利用中大量排放出的CO2、SO2煙塵及汽車尾氣是造成世界環(huán)境污染的主要原因之一。許多國家通過立法，強制性地增加高效、清潔的新能源及可再生能源比例，限定CO2、SO2和煙塵排放量，增收排污費等措施有利地促進了新能源和可再生能源的開展。1997年12月，在日本京都召開的全球氣候變化締約方會議上達成了對興旺國家減排的協(xié)議，協(xié)議要求在2023-2023年期間將排放量限制在比1990年低6％-8％的水平上。我國人們在生活水平到達小康之后，開始更加注重生活質(zhì)量和環(huán)境保護，治理污染、開展清潔能源已是人們的普遍要求。和常規(guī)能源相比，可再生資源不污染環(huán)境，更不會破壞生態(tài)，取之不盡，用之不竭。為了緩解能源危機，隨著環(huán)境保護的呼聲不斷高漲，世界各國政府都在從社會經(jīng)濟開展的戰(zhàn)略角度對能源結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。紛紛制定自己的能源政策，除了充分利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)能源外，都在大力研究開發(fā)新能源，給新能源開發(fā)以特殊優(yōu)惠政策和政府稅收補貼，從而使風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮艿鹊拈_發(fā)利用得以迅速開展。在眾多的可再生能源中，光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電是最有開展前景的兩種能源技術(shù)。這是基于太陽能和風(fēng)能的五個優(yōu)點：(1)取之不盡，用之不竭；(2)就地取材，不需運輸：(3)分布廣泛，分散使用；(4)不污染環(huán)境，不破壞生態(tài)：(5)周而復(fù)始，可以再生。太剛能是地球上一切能源的來源，太陽照射著地球的每一片土地。風(fēng)能是太陽能在地球外表的另外一種表現(xiàn)形式，由于地球外表的不同形態(tài)(如沙土地面、植被地面和水面)對太陽光照的吸熱系數(shù)不同，在地球外表形成溫差，地表空氣的溫度不同形成空氣對流而產(chǎn)生風(fēng)能[1]。1.2風(fēng)、光發(fā)電的開展?fàn)顩r風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的特點光電系統(tǒng)是利用光電板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負荷供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)可靠性高，運行維護本錢低，缺點是系統(tǒng)造價高。風(fēng)電系統(tǒng)是利用風(fēng)力發(fā)電機，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，然而通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負荷供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)日發(fā)電量大，造價低，運行維護本錢低。但是風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)都存在一個共同的缺陷，就是資源的不確定性導(dǎo)致發(fā)電與用電負荷的不平衡，風(fēng)電和光電系統(tǒng)都必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電，但每天的發(fā)電量受天氣的影響很大，會導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄電池組長期處于虧電狀態(tài)，這也是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因[2]。風(fēng)光互補發(fā)電的提出上述分析了風(fēng)能、太陽能的特點，作為可利用的自然可再生能源，二者在轉(zhuǎn)換過程中都受季節(jié)、地理和天氣氣候等多種因素的制約。但是，二者的變化趨勢根本相反，揚其兩者各自之長，補其各自之短，相互配合利用，因地制宜，能發(fā)揮出各自最大的作用。在以電能為主要的能源消耗方式的當(dāng)今社會，人們對電的依賴越來越強。特別是在遠離電網(wǎng)的地區(qū)，獨立供電系統(tǒng)成為人們最需要的動力源。結(jié)合風(fēng)能、太陽能的特點，綜合利用風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)而建立的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)無疑是解決這一重大問題的最正確方案。對于偏遠地區(qū)生活和工作的人們而言，一般情況下用電負荷不大，所以采用電網(wǎng)輸送電力就不合理，應(yīng)中選擇在當(dāng)?shù)刂苯影l(fā)電，現(xiàn)在常用的供電方案就是采用柴油發(fā)電機，但是柴油的儲運相對于偏遠地區(qū)來講本錢太高，而且難以保障持續(xù)供電。所以柴油發(fā)電機只能作為一種短時的應(yīng)急電源，要解決長期穩(wěn)定可靠的供電問題，只能依靠當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源。太陽能和風(fēng)能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源，而且兩者在時間變化分布上有很強的互補性。白天太陽光最強時，風(fēng)很小，到了晚上，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風(fēng)能有所加強；在夏季，太陽光強度大而風(fēng)小，冬季，太陽光強度弱而風(fēng)大。太陽能和風(fēng)能在時間上的互補性使得風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源分布上具有很好的匹配性[3]。圖1-1風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)能、太陽能單獨用于發(fā)電的系統(tǒng)中，由于風(fēng)能、太剛能的穩(wěn)定性較差，為了能夠提供連續(xù)穩(wěn)定的能量輸出，無論是光伏發(fā)電系統(tǒng)還是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都要引入能量儲存環(huán)節(jié)用以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能量供求平衡。能量儲存的方式有很多種，如機械儲能、化學(xué)儲能和熱儲能等，其中，最適合的，也是應(yīng)用最為廣泛的是利用蓄電池的化學(xué)儲能方式。雖然，目前風(fēng)電和光電系統(tǒng)通過引入蓄電池儲能設(shè)備后能夠穩(wěn)定供電，但是系統(tǒng)每天的發(fā)電量受天氣的影響很大，會引起系統(tǒng)的供電和用電負荷的不平衡，從而導(dǎo)致蓄電池處于虧電狀態(tài)或過充電狀態(tài)，長期運行會降低蓄電池的使用壽命，增加系統(tǒng)的維護投資?？紤]到風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組的管理和能量控制環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風(fēng)光互補電源系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)本錢趨于合理。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統(tǒng)容量的合理配置，即可保證系統(tǒng)供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價。無論是怎樣的環(huán)境和怎樣的用電要求，風(fēng)光互補電源系統(tǒng)都可做出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計方案來滿足用戶的要求。應(yīng)該說，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是合理的獨立發(fā)電系統(tǒng)[4]。1.3選題意義和國內(nèi)外研究狀況在我國的某些偏遠山區(qū)，由于經(jīng)濟的落后和交通的制約，至今都還沒有實現(xiàn)通電，這里的人們對電的渴望極其迫切。因此解決他們的用電問題對穩(wěn)固地方經(jīng)濟建設(shè)、增進國家穩(wěn)定等具有重要的意義。如在已經(jīng)實現(xiàn)通電的很多山區(qū)大多采用電網(wǎng)送電和當(dāng)?shù)夭裼突蚱蜋C組發(fā)電。然而由于地理位置原因，架線送電路程遙遠、用戶用電量小、線路電能損耗大，而且山區(qū)電網(wǎng)的線路維護費用也很高，使得線路運行本錢很高。如果靠當(dāng)?shù)夭裼突蚱蜋C組發(fā)電的話，由于目前能源緊張，燃料費用較高，再加上地處偏遠，燃料運輸費用高，難以保障持續(xù)供電。因此，柴油或汽油機組發(fā)電只能作為緊急的電源使用。因此，利用有限的自然資源，研究小功率、低本錢的風(fēng)光互補電源對解決偏遠山區(qū)的家庭用戶和其他獨立電源工作站的用電問題都具有非常重要的現(xiàn)實意義[5]。圖1-2風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)再生活中的應(yīng)用國外有關(guān)復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的研究始于上個世紀(jì)八十年代末期，有關(guān)風(fēng)光復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的研究始于上個世紀(jì)九十年代中期，我國有關(guān)光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究始于上個世紀(jì)八十年代初，主要針對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)仿真及控制方案的研究。國外進行這方面研究的大學(xué)有ColoradoStateUniversity，UniversityofMassachusetts等。其中ColoradoStateUniversity和NationalRenewableEnergyLaboratory(美國可再生能源研究室)合作開發(fā)了混合發(fā)電系統(tǒng)模擬應(yīng)用軟件。該軟件功能強大，能對一個風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)進行精確的模擬運行，根據(jù)輸入的發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、負載特性以及安裝地點風(fēng)力、日照強度數(shù)據(jù)獲得5760小時的運行結(jié)果。而在國內(nèi)，香港理工大學(xué)同中科院廣州能源所及中科院半導(dǎo)體研究所合作提出了了一整套利用CAD進行風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的方法。中科院電工所、西安交通大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)能源研究所都進行了風(fēng)光復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)方面的研究并進行計算機仿真計算。另外，華南理工大學(xué)設(shè)計了新型無刷雙饋發(fā)電機，并通過權(quán)值調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)太陽能逆變器最優(yōu)功率傳輸。所有的這些研究都主要針對風(fēng)、光資源相對較豐富的地區(qū)，且主要集中在蓄電池充放電參數(shù)設(shè)置、控制程序、風(fēng)光優(yōu)化匹配的研究上，且在太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓低于蓄電池充電電壓的情況下，系統(tǒng)不工作，因此相應(yīng)的控制復(fù)雜，且資源利用率不高，本錢高。1.4小結(jié)本章對當(dāng)今能源的狀況進行了闡述，主要介紹了風(fēng)光發(fā)電在我國的使用及開展，從中看出風(fēng)光發(fā)電在未來的能源利用方面將會有很大的開展，本課題對風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池充放電裝置進行了較為深入的研究。第二章蓄電池蓄電池是一種儲能元件，用于儲存電能，對外放電后以對內(nèi)部電能進行補充(充電)，而且充電過程可以反復(fù)屢次進行。蓄電池的種類很多，目前性能比擬好的有鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池(NiMH)和鋰離子蓄電池。其中鉛酸蓄電池因其性能價格比擬高，容量大，放電性能好，無記憶效應(yīng)，原材料來源豐富，可循環(huán)使用等優(yōu)點，而得到了廣泛的應(yīng)用。2.1蓄電池的類型〔1〕蓄電池的分類蓄電池根據(jù)極板材料及電解液的不同可分為堿性蓄電池、鉛酸蓄電池、鋰蓄電池和鋰離子蓄電池。a.堿性蓄電池：堿性蓄電池采用堿性溶液作為電解液，根據(jù)極板材料的不同分為：鎳隔、鐵鎳、鎳氫、鋅銀等系列，有高、中、低放電率等品種。b.鉛酸蓄電池：鉛酸蓄電池采用鉛鈣合金作為極板，用酸性溶液作電解液。按用途分有：啟動型、固定型、牽引型和便攜型等。c.鋰蓄電池和鋰離子蓄電池：鋰電池是把性能優(yōu)良的金屬鋰作為負極材料，正極材料可以從各種正電性較高的化合物中選。鋰離子電池的正極材料采用含鋰的層間化合物材料，負極材料采用碳或石墨。電解液可用無機鹽——有機溶劑體系或是固體、膠態(tài)電解質(zhì)。一些電池由于環(huán)保原因如鐵鎳(NiFe)、鎳鎘(NiCd)己被淘汰，一些電池由于工業(yè)化問題還不能應(yīng)用，所以，目前閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)、鎳氫蓄電池(NiMH)和鋰離子蓄電池是三元爭秀[6]。(2〕不同蓄電池的優(yōu)缺點比擬a.鎳氫蓄電池優(yōu)缺點：優(yōu)點：能量／功率平衡，功率高，充電接受性能好，循環(huán)壽命長。缺點：擱置壽命短，溫度性能差：低溫時容量損失，高溫時充電、充電接受能力差，本錢高。b.鋰離子電池優(yōu)缺點：鋰離子電池優(yōu)點：能量／功率平衡與鎳氫相似，質(zhì)量／體積值高于鎳氫蓄電池和閥控式密封鉛酸蓄電池，放電功率高，充電接受能力極好，循環(huán)壽命長，本錢較低。鋰離子電池的弱點：擱置壽命短，溫度性能差：低溫時容量損失，高溫時充電、充電接受能力差。c.密封鉛酸蓄電池電池優(yōu)缺點：密封鉛酸蓄電池(VRLA)通常被稱為免維護蓄電池。其特點：密封，平安，環(huán)保，對充電工藝要求嚴格。假設(shè)蓄電池充放電適當(dāng)，可以工作5～10年的時間。其“免維護〞是指使用過程中不需要加水，調(diào)節(jié)電解液的比重。密封鉛酸蓄電池的優(yōu)點：容量大，能量／功率平衡性好，運行溫度范圍廣：在低溫和高溫時，在鎳氫蓄電池、鋰離子蓄電池、VRLA三種化學(xué)體系中VRLA有最廣泛的正常工作溫度范圍；擱置壽命好，放電功率和電壓穩(wěn)定性好，材料可再生，本錢低。密封鉛酸蓄電池的弱點：總能量輸出缺乏、循環(huán)壽命較短。通過對以上三種蓄電池的比擬，可以看出它們各有優(yōu)缺點以及各自不同的適用領(lǐng)域，其中密封鉛酸蓄電池總體性能好：具有較好的能量、功率和壽命特性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。而鎳氫蓄電池、鋰離子蓄電池，雖然能夠克服鉛酸電池諸多缺乏，但由于本錢高、價格貴、建設(shè)投入大，目前還無法大面積推廣。電力系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)一般配備的是密封鉛酸蓄電池。2.2鉛酸蓄電池充放電原理〔1〕構(gòu)成鉛酸蓄電池的主要局部正極板(過氧化鉛.)>活性物質(zhì)負極板(海綿狀鉛.)>活性物質(zhì)電解液(稀硫酸)>硫酸+水(約37%)電池外殼、隔離板、其它(液口栓.蓋子等)圖2-1鉛酸蓄電池的構(gòu)成〔2〕原理與動作鉛蓄電池內(nèi)的陽極(PbO2及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中，兩極間會產(chǎn)生2V的電力，這是根據(jù)鉛蓄電池原理，經(jīng)由充放電，那么陰陽極及電解液即會發(fā)生如下的變化：(陽極)(電解液)(陰極)+2++2+(放電反響)(過氧化鉛)(硫酸)(海綿狀鉛)(陽極)(電解液)(陰極)+2++2+(充電反響)(硫酸鉛)(水)(硫酸鉛)2.3蓄電池的充放電特性〔1〕充電特性充電過程中，初始階段，蓄電池端電壓上升較快〔圖2-2中曲線oa段〕；充電中期，端電壓上升緩慢〔曲線ab段〕；充電后期，由于蓄電池內(nèi)阻增加等原因，端電壓繼續(xù)上升〔曲線bd段〕；當(dāng)蓄電池端電壓到達c點以后，如果繼續(xù)充電，那么蓄電池將會由于過充電而損壞，影響蓄電池的使用壽命。特性曲線如圖2-2所示：圖2-2充電過程中端電壓的變化曲線〔2〕放電特性放電過程中，放電初期，蓄電池端電壓會迅速下降〔圖2-3中曲線oa段〕；隨著放電的繼續(xù)進行，進入放電中期，端電壓呈緩慢下降趨勢〔曲線ab段〕；到放電末期，由于電極板上的活性物質(zhì)已大局部變?yōu)榱蛩徙U，致使內(nèi)阻增加，蓄電池端電壓下降很快〔曲線bd段〕；放電至c點時，蓄電池的放電便已結(jié)束，如果繼續(xù)放電，蓄電池端電壓急劇下降，蓄電池將由于過放電而被損壞。特性曲線如圖2-3所示：圖2-3放電過程中端電壓變化曲線2.4蓄電池充放電方式〔1〕蓄電池的充電方式a．恒流充電法恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強度不變的充電方法?？刂品椒ê唵?，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過甚。b．恒壓充電法充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最正確充電曲線。由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大，隨著充電的進行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統(tǒng)。這種充電方法電解水很少，防止了蓄電池過充。但在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報廢。鑒于這種缺點，恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時采用。例如，汽車運行過程中，蓄電池就是以恒壓充電法充電的。c．階段充電法此方法包括二階段充電法和三階段充電法。1〕二階段法采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方法。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。2〕三階段充電法在充電開始和結(jié)束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。d．脈沖式充電法這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這也是蓄電池充電理論的新開展。脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環(huán)。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反響產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反響時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。綜上所述，采用恒壓充電法，操作簡單，便捷，可對蓄電池進行快速充電，所以采用恒壓充電法?！?〕蓄電池的放電方式一個直流電源有兩種工作狀態(tài)，一種是恒壓狀態(tài)，按照恒壓電源的特征在工作，一種是恒流狀態(tài)，按照恒流電源的特征在工作。這種電源內(nèi)部有兩個控制單元，一個是穩(wěn)壓控制單元，在負載發(fā)生變化的情況下，努力使輸出電壓保持穩(wěn)定，前提是輸出電流必須小于預(yù)先設(shè)定的恒流值。實際上在恒壓狀態(tài)時，恒流控制單元處于休止?fàn)顟B(tài)，它不干擾輸出電壓和輸出電流。當(dāng)由于負載電阻逐步減小，使得負載電流增加到預(yù)先設(shè)定的恒流值時，恒流控制單元開始工作，它的任務(wù)是在負載電阻繼續(xù)減小的情況下，努力使輸出電流按預(yù)定的恒流值保持不變，為此需要使輸出電壓隨著負載電阻的減小而隨之降低，在極端情況下，負載電阻阻值降為零〔短路狀態(tài)〕，輸出電壓也隨之降到零，以保持輸出電流的恒定[7]。2.5風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成及原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示,本系統(tǒng)由風(fēng)力單元、光伏單元、逆變單元以及蓄電池、直流母線、交流母線和交流負載構(gòu)成，該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，其各局部原理如下：〔1〕風(fēng)力單元是利用風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，通過風(fēng)力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經(jīng)過逆變器對負載供電；〔2〕光伏單元利用太陽能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對負載進行供電；圖2-4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖〔3〕逆變單元由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的220v交流電，保證交流電負載設(shè)備的正常使用。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量；〔4〕蓄電池局部由多塊蓄電池組成，在系統(tǒng)中同時起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。它將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，以備供電缺乏時使用。2.6小結(jié)本章首先對蓄電池的類型進行了闡述，蓄電池根據(jù)極板材料及電解液的不同可分為堿性蓄電池、鉛酸蓄電池、鋰蓄電池和鋰離子蓄電池。經(jīng)過對蓄電池優(yōu)缺點的比擬，可以看出它們各有優(yōu)缺點以及各自不同的適用領(lǐng)域，其中密封鉛酸蓄電池總體性能好。然后對鉛酸蓄電池的充放電原理進行了說明，最后畫出了風(fēng)光互補系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并進行了說明。為后續(xù)章節(jié)的研究奠定根底。第三章光伏單元充電電路設(shè)計3.1充電電路拓撲結(jié)構(gòu)及方案選擇光伏單元充電電路一般采用直流斬波電路，直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。常用的斬波電路[8]：〔1〕Buck電路：降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相同。圖3-1降壓斬波電路圖〔2〕Boost電路：升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相同。圖3-2升壓斬波電路圖〔3〕Buck-Boost電路：降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相反，電感傳輸。圖3-3Buck-Boost電路圖〔4〕Cuk電路：降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相反，電容傳輸。圖3-4Cuk電路圖在本論文中采用降壓斬波電路對光伏單元進行設(shè)計。降壓斬波電路工作原理〔分為兩個階段〕：t=0時V導(dǎo)通，E向負載供電，uo=E，io按指數(shù)曲線上升t=t1時V關(guān)斷，io經(jīng)VD續(xù)流，uo近似為零，io呈指數(shù)曲線下降，為使io連續(xù)且脈動小，通常使L值較大。電流連續(xù)時，負載電壓平均值式中α——導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū萓o最大為E，減小，Uo隨之減小——降壓斬波電路。也稱為Buck變換器〔BuckConverter〕。負載電流平均值3.2主電路的設(shè)計在電力系統(tǒng)中，直接承當(dāng)電能的變換或控制任務(wù)的電路稱為主電路。IGBT降壓斬波電路的主電路圖如下列圖3-5所示。它是一種降壓型變換器，其輸出電壓平均值U，總是小于輸入電壓Ud。該電路使用一個全控型器件VT，為IGBT。在VT關(guān)斷時，為了給負載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD[9]。主電路工作原理如下：基于直流降壓斬波主電路使用一個全控電壓驅(qū)動器件IGBT。用控制電路和驅(qū)動電路來控制IGBT的導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng)t=0時，VT管被鼓勵趨于導(dǎo)通，VD管要承受反壓。在VT管接通的t1時間內(nèi)，開關(guān)管VT流過的電流就是電感電流，電感L中電流直線上升，能量存儲于電感中。其電路工作時波形圖如下列圖3-6所示：當(dāng)時刻VT管關(guān)斷，由于電感儲能作用，電感電流必須要按某一路徑流通，能量要釋放。其中二極管VD勢必導(dǎo)通，電感電流可通過蓄電池，VD形成通電回路。電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，電路中電壓uo近似為零，電路中電流指數(shù)曲線下降。為了使電路中電流連續(xù)且脈動小，故應(yīng)串聯(lián)較大的電感L。至一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動IGBT導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電力工作于穩(wěn)態(tài)時負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為Uo=KE,ton為IGBT處于通態(tài)的時間；圖3-5主電路圖圖3-6電路工作時的電流波形圖toff為處于斷態(tài)的時間；T為開關(guān)周期；K為導(dǎo)通占空比。通過調(diào)節(jié)占空比K使輸出到負載的電壓平均值Uo最大為E，假設(shè)減小占空比α，那么Uo隨之減小。根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，可分為三種工作方式：〔1〕保持開關(guān)導(dǎo)通時間ton不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制工作方式；〔2〕保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間ton，稱為脈沖寬調(diào)制工作方〔3〕開關(guān)導(dǎo)通時間ton和開關(guān)周期T都可調(diào)，稱為混合型。但是普遍采用的是脈沖寬調(diào)制工作方式。因為采用頻率調(diào)制工作方式，容易產(chǎn)生諧波干擾，而且濾波器設(shè)計也比擬困難。此電路就是采用脈沖寬調(diào)制控制IGBT的通斷。3.3控制電路原理與設(shè)計3.3.1控制電路方案比擬及選擇控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對占空比的調(diào)節(jié)到達控制輸出電壓大小。IGBT控制電路的功能有：給逆變器的電子開關(guān)提供控制信號；以及對保護信號作出反響，關(guān)閉控制信號。脈寬調(diào)節(jié)器的根本工作原理是用一個電壓比擬器，在正輸入端輸入一個三角波，在負輸入端輸入一直流電平，比擬后輸出一方波信號，改變負輸入端直流電平的大小，即可改變方波信號的脈寬[10]。對于控制電路的設(shè)計其實可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運算芯片如單片機、CPLD等等來輸出PWM波，也可以通過特定的PWM發(fā)生芯片來控制。因為斬波電路有三種控制方式，又因為PWM控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。PWM控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù)。這種電路把直流電壓“斬〞成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調(diào)制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制。對于PWM發(fā)生芯片，我選用了SG3525芯片，它是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比擬器、分頻器和保護電路等。SG3525是定頻PWM電路，采用16引腳標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝。其各引腳功能如圖3-7所示，內(nèi)部框圖如圖3-8所示。圖3-7SG3525的引腳圖3-8內(nèi)部框圖3.3.2SG3525各引腳具體功能〔1〕引腳1：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反響信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端〔引腳9〕相連，可構(gòu)成跟隨器。〔2〕引腳2：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端之間接入信號不同的反響網(wǎng)絡(luò)。〔3〕引腳3：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)與外電路同步。〔4〕引腳4：振蕩器輸出端?！?〕引腳5：振蕩器定時電容接入端?！?〕引腳6：振蕩器定時電阻接入端。〔7〕引腳7：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，形成放電回路?！?〕引腳8：軟啟動電容接入端?！?〕引腳9：PWM信號輸入端?！?0〕引腳10：外部關(guān)斷信號輸入端。〔11〕引腳11：輸出端A?！?2〕引腳12：信號地?！?3〕引腳13：輸出級偏置電壓接入端。〔14〕引腳14：輸出端B?！?5〕引腳15：偏置電源接入端。〔16〕引腳16：基準(zhǔn)電源輸出端。3.3.3SG3525芯片特點如下〔1〕工作電壓范圍：8～35v?！?〕5.1V微調(diào)基準(zhǔn)電源〔3〕振蕩器頻率工作范圍：100Hz～500kHz。〔4〕具有振蕩器外部同步功能〔5〕死區(qū)時間可調(diào)?！?〕內(nèi)置軟啟動電路?！?〕具有輸入欠電壓鎖定功能?！?〕具有PWM鎖存功能，禁止多脈沖?！?〕逐個脈沖關(guān)斷?！?0〕雙路輸出〔灌電流/拉電流〕：Ma(峰值)其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補、占空比可調(diào)的PWM信號。腳6、腳7內(nèi)有一個雙門限比擬器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1及腳2分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆错懷a償網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出[11]。3.4驅(qū)動電路設(shè)計由于SG3525的振蕩頻率可表示為：式中Ct、Rt分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；Rd是與腳7相連的放電端電阻值。SG3525有保護的功能，可以通過改變10腳電壓的上下來控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號來進行過流保護。當(dāng)驅(qū)動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而13腳輸出低電平，而當(dāng)其沒有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波[12]。由此可以得出控制電路的電路圖如圖3-9所示：圖3-9控制電路圖其中第十腳過流過壓還有欠電壓保護輸入端。3.4.1驅(qū)動電路方案比擬與選擇該驅(qū)動局部是連接控制局部和主電路的橋梁，該局部主要完成以下幾個功能：(1)提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷海笽GBT可靠的開通和關(guān)斷；(2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流，使IGBT能迅速建立柵控電場而導(dǎo)通；(3)盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；(4)足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣；(5)具有靈敏的過流保護能力。針對以上幾個要求，對驅(qū)動電路進行以下設(shè)計。針對驅(qū)動電路的隔離方式：(1)采用磁耦隔離，最常用的是用時變壓器隔離，即通過一次側(cè)和二次側(cè)的磁耦聯(lián)系將電路隔開，從而取到電氣隔離的作用。這種方法的優(yōu)點是簡單，不需要外接電源對器件進行驅(qū)動，且傳遞的效率很高。但同時缺點也很明顯，首先磁耦隔離只能用于交流電路，直流電路無效，其次變壓器的體積較大，不利于集成。(2)采用光電耦合式驅(qū)動電路，該電路雙側(cè)都有源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。另外它使用比擬方便，穩(wěn)定性比擬好。但是它需要較多的工作電源，其對脈沖信號有1μs的時間滯后，不適應(yīng)于某些要求比擬高的場合。由于這次設(shè)計的需要，所以選擇光耦隔離。3.4.2驅(qū)動電路工作原理驅(qū)動電路的電路圖如圖3-10所示：由圖知，IGBT降壓斬波電路的驅(qū)動電路提供電氣隔離環(huán)節(jié)。光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內(nèi)。本電路中采用的隔離方法是，先加一級光耦隔離，再加一級推挽電路進行放大。采用推挽電路進行放大的原因是因為驅(qū)動IGBT的電壓叫高，約為12V左右，而SG3525芯片提供的電壓只有5V左右，直接連入無法驅(qū)動IGBT。并且推挽式電路簡單實用，故用推挽式進行電壓放大。圖3-10驅(qū)動電路原理圖IGBT是電壓控制型器件，在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾伏的直流電壓，只有μA級的漏電流流過，根本上不消耗功率。但IGBT的柵極-發(fā)射極間存在著較大的寄生電容〔幾千至上萬pF〕，在驅(qū)動脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù)安的充放電電流，才能滿足開通和關(guān)斷的動態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動電路也必須輸出一定的峰值電流。3.5小結(jié)本章首先提出了降壓斬波電路，分析了降壓斬波電路的原理，其次運用降壓斬波電路對光伏單元充電電路進行了設(shè)計，分析控制電路的原理，并進行了設(shè)計。最后對驅(qū)動電路的工作進行了分析，其中介紹了SG3525芯片的引腳和特點，對驅(qū)動電路的方案進行了選擇。第四章風(fēng)力單元充電電路設(shè)計4.1系統(tǒng)組成圖4-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如上所示，由四局部組成，AC-AC變換裝置、AC-DC變換裝置，單片機SG3525、和蓄電池組成。交流電先經(jīng)過AC-AC變換裝置，在經(jīng)過AC-DC裝置進行整流，同時基于單片機SG3525的電路對輸入的交流電進行控制，最后給蓄電池充電。4.2主電路結(jié)構(gòu)圖4-2主電路圖主電路如圖4-2所示，其中VD1～VD7為二級管，C1～C4為整流濾波電容，R1～R4為均壓電阻，L為濾波電感，R5為卸荷電阻，R6是限流電阻，VD7為續(xù)流二極管，VT1和VT2為IGBT,C5是帶極性的電容。交流電經(jīng)過保險，輸入三相不可控整流電路，通過電阻R1～R4和電容C1～C4組成的濾波電路，在經(jīng)過卸荷電路，IGBT、續(xù)流二極管、濾波電感L和限流電阻R5，給蓄電池充電。本電路中輸入的是三相工頻交流380±15％V的電壓[13]。4.3控制電路系統(tǒng)組成圖4-3控制電路框圖由于本設(shè)計采用的是蓄電池恒壓充電發(fā)，故只研究直流電壓檢測電路，不進行蓄電池電流檢測電路的研究。直流電壓檢測電壓測量電路采用差動放大電路，差動放大電路是將2個輸入端上所加信號的差值進行放大，再作為輸出的電路[14]。根本差動放大電路由1個運算放大器和4個電阻構(gòu)成，第一級為差動放大電路，第二級為電壓跟隨器，輸出前為了防止涌浪電壓損壞單片機的A/D口，設(shè)計了限幅電路。運算放大器選擇常用的LM358，根據(jù)電路可得到輸入和輸出的關(guān)系表達式為：Vo=(R1/R2)Vin。由單片機A/D對于采集電壓的要求，選擇適宜的電阻即可實現(xiàn)，原理圖如圖4-4所示。圖4-4電壓檢測電路原理圖單片機單片機SG23525在上一章的和3.3.3中已做了詳細介紹。PWM波的產(chǎn)生PWM波產(chǎn)生電路如圖4-5所示,該PWM波產(chǎn)生電路以SG3525芯片為主,外圍搭配適當(dāng)?shù)碾娮?、電容等組成。由于SG3525單路輸出的占空比最大只能到達50%,所以這里將芯片的11引腳和14引腳輸出的兩路相位互差1800的PWM波信號經(jīng)或非門74LS02、非門74LS00以后輸出PWM波給IGBT驅(qū)動電路EXB841,這樣即可滿足占空比的要求[15]。驅(qū)動電路IGBT的驅(qū)動方法常用有:直接驅(qū)動法、隔離驅(qū)動法和集成模塊驅(qū)動電路。本驅(qū)動電路采用的是EXB系列集成模塊EXB841來驅(qū)動IPM模塊中的IGBT。集成模塊驅(qū)動電路與分立元件的驅(qū)動電路相比,有體積小、效率高、可靠性高的優(yōu)點。EXB841適用于開關(guān)頻率為40kHz以下的開關(guān)操作,可以用來驅(qū)動400A,600V或300A,1200V以下的功率IGBT。EXB841[16]驅(qū)動IGBT的電路如圖4-6。圖4-5PWM波的產(chǎn)生電路圖4-6EXB841驅(qū)動IGBT電路4.4小結(jié)本章首先畫出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，根據(jù)系統(tǒng)框圖畫出了主電路圖，主電路運用了三相不可控整流電路，然后采用了SG3525芯片和EXB841芯片主要對控制電路和驅(qū)動電路進行了設(shè)計。第五章逆變器設(shè)計5.1逆變器的系統(tǒng)構(gòu)成圖5-1逆變電路結(jié)構(gòu)框圖逆變電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-1所示，PWM發(fā)生器在單片機的控制下，通過驅(qū)動電路對輸出脈沖進行調(diào)制就可改變輸出電壓和頻率，再經(jīng)輸出變壓器隔離后供給負載。主電路中根據(jù)磁路集成原理，將變壓器和濾波電感集成為一個磁性元件，再在變壓器的次級并以適當(dāng)?shù)碾娙?，組成濾波網(wǎng)絡(luò)以獲得正弦波形輸出。整個系統(tǒng)分為四大局部：全橋逆變電路、驅(qū)動電路以及以單片機為核心的控制電路和保護電路。另外在輸入和輸出端還有輸入濾波和輸出濾波電路[16]。5.2主電路設(shè)計逆變器是整個系統(tǒng)的核心，本方案采用電壓型全橋電路[17]，如圖5-2所示：圖5-2主電路功率開關(guān)器件是逆變器的核心之一，逆變器的開展和應(yīng)用依賴于功率電子器件的開展．功率電子器件的大功率化、高的可靠性和控制性能是逆變電源得以應(yīng)用的重要條件．現(xiàn)階段常用的功率開關(guān)器件有功率晶體管、功率場效應(yīng)管和IGBT。IGBT是一種復(fù)合型半導(dǎo)體器件，具備功率晶體管和功率場效應(yīng)管兩者的優(yōu)點．它的特點是速度快、輸人阻抗高、容易控制、通態(tài)電壓低、耐壓性好和電流容量大。5.3控制電路設(shè)計〔1〕控制電路主要實現(xiàn)以下功能[18]：a．控制逆變器的SPWM驅(qū)動信號。b．過流、過壓、過熱、短路保護本電路采用集成電路芯片TLP250與單片機AT89C51相結(jié)合的方式生成三相可控的SPWM波形。〔2〕控制系統(tǒng)組成圖5-3逆變控制框圖5.3.1單片機AT89C51[19]是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。其主要特性如下：〔1〕8031CPU與MCS-51兼容〔2〕4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán))〔3〕全靜態(tài)工作：0Hz～24KHz〔4〕三級程序存儲器保密鎖定〔5〕128×8位內(nèi)部RAM〔6〕32條可編程I/O線〔7〕兩個16位定時器/計數(shù)器〔8〕6個中斷源〔9〕可編程串行通道〔10〕低功耗的閑置和掉電模式〔11〕片內(nèi)振蕩器和時鐘電路其引腳圖如下列圖：圖5-4AT89C51引腳圖檢測電路〔1〕直流電壓檢測直流電壓檢測電路在第四章的中已概述?！?〕交流電壓檢測[20]圖5-5簡單電流檢測電路這種簡單電路的工作過程是,在交流電壓的每一周期中,可分為電容充電和放電兩個過程。在交流電壓的作用下,在正半周的峰值附近一段時間內(nèi),通過二極管對電容C充電，而在其它時段電容C上的電壓將對電阻R放電。當(dāng)然，當(dāng)外界交流電壓剛接上時，需要經(jīng)歷多個周期,屢次充電,才能使輸出電壓接近峰值。但是,困難在于二極管是非線性元(器)件,它的特性曲線如實圖5-6所示。當(dāng)交流電壓較小時，檢測得的直流電壓往往偏離其峰值較多。圖5-6二極管特性曲線這里的泄放電阻R,是指與C并聯(lián)的電阻、下一級的輸入電阻、二極管的反向漏電阻、以及電容及電路板的漏電等效電阻。不難想到,放電是不能完全防止的。同時,適當(dāng)?shù)姆烹娨彩潜匾?。特別是當(dāng)輸入電壓變小時,通過放電才能使輸出電壓再次對應(yīng)于輸入電壓的峰值。實際上,檢測器的輸出電壓大小與峰值電壓的差異與泄放電流有關(guān)。僅當(dāng)泄放電流可不計時,輸出電壓才可認為是輸入電壓的峰值。用于檢測儀器中的峰值檢測器要求有較高的精度。檢測儀器通常R值很大，且允許當(dāng)輸入交流電壓取去后可有較長的時間檢波輸出才恢復(fù)到零?？梢杂幂^小的電容，從而使峰值電壓建立的時間較短。〔3〕頻率給定要調(diào)節(jié)電路的輸出頻率，必須首先向電路提供改變頻率的信號，這個信號，稱為頻率給定信號，也有稱為頻率指令信號或頻率參考信號的。從外接輸入端子輸入頻率給定信號，來調(diào)節(jié)電路輸出頻率的大小，稱為外部給定。在本系統(tǒng)中給定的頻率為50Hz。〔4〕電壓給定以電壓大小作為給定信號，本系統(tǒng)中給單片機給定的電壓為220V。驅(qū)動電路圖5-7TLP250驅(qū)動電路IGBT一般用集成電路芯片來驅(qū)動，常用電路有富士公司的EXB840、841、850、851系列；三菱公司的M5796系列，以上各電路在很多書籍中都有介紹，不再贅述。這里介紹一種東芝公司的產(chǎn)品TLP250，電路相對簡單。TLP250采用8腳的DIP封裝，引腳如圖5-7。輸入端光耦的隔離電壓到達3000V，輸入電流為5～10mA，可以驅(qū)動100A/600V的IGBT。它采用單電源供電，使用時須外接一個電阻和一個10V的穩(wěn)壓管，把25V的隔離電源變?yōu)?15V的導(dǎo)通電壓和－10V的關(guān)斷電壓[21]。5.4小結(jié)本章設(shè)計中控制電路使用AT89C51和TLP250芯片，具有結(jié)構(gòu)簡單，外圍器件數(shù)量少，調(diào)試方便的優(yōu)點。并采用了2MBI100N-060單片機模塊，分別對控制電路的單片機、檢測電路、驅(qū)動電路進行了介紹，最后采用TPL250對IGBT的驅(qū)動電路進行設(shè)計。總結(jié)與展望本文介紹了能源的狀況及風(fēng)、光發(fā)電的開展情況，從中看出風(fēng)光發(fā)電在未來的能源利用方面將會有很大的開展，也成為本課題的選題依據(jù)，對國內(nèi)外的研究狀況進行了簡要說明。在對蓄電池的研究中，對蓄電池的類型進行了介紹，分別對各種蓄電池的優(yōu)缺點進行了比擬，主要對鉛酸蓄電池進行了研究，總結(jié)出了在風(fēng)光互補系統(tǒng)中蓄電池的充放電裝置的系統(tǒng)構(gòu)成及其原理，然后分別對光伏單元、風(fēng)力單元的充電和逆變單元進行了設(shè)計。在光伏單元中，主電路采用降壓斬波電路，運用了SG3525芯片，進行了設(shè)計；風(fēng)力充電的設(shè)計中，主電路采用三相不可控整流電路，并采用SG3525芯片和EXB841芯片，對控制電路進行了設(shè)計；而在逆變電路設(shè)計的時候，畫出主電路圖，主要對其控制電路的各個組成局部進行了研究。通過本論文的寫作，使我對風(fēng)光互補系統(tǒng)有了進一步的認識，也深刻體會到風(fēng)能、電能在我們今后的開展中起到了重要的作用，對相關(guān)的知識也進行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和掌握。在本論文的完成過程中，由于時間和自己學(xué)識的關(guān)系，好多問題還沒有弄清楚和設(shè)計到，比方AC-AC變換裝置的設(shè)計、蓄電充放電過程中電壓的穩(wěn)定性及其控制、充放電的效率問題、蓄電池的節(jié)能以及智能控制等。本文中沒有涉及到的內(nèi)容將會在以后做進一步的研究和設(shè)計。參考文獻[1]王徽,邱大雄,顧樹華.我國開發(fā)太陽能資源綜述,中國管理科學(xué),1997.[2]瑞兆,薛桁.我國太陽能風(fēng)能資源及其利用[M],山東氣象出版社,1988.[3]冬雷,廖曉鐘,劉廣忱,等.分布式風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)及其多目標(biāo)優(yōu)化控制策略研究[J].儀器儀表學(xué)報,2005.[4]鄭軍,光伏系統(tǒng)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用與研究[c],第十五屆全國電源技術(shù)年會論文集.[5]艾斌,李健,劉玉琴等.小型戶用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)匹配的計算機輔助設(shè)計陰,內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報,2000.[6]王志良.電力電子新器件及其應(yīng)用技術(shù).北京：科學(xué)出版社,1992.[7]趙鍵.基于智能控制技術(shù)的鉛酸蓄電池充電設(shè)備的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2023.[8]黃俊,王兆安.電力電子變流技術(shù)(第3版).北京:機械工業(yè)出版社,1994.[9]葉斌.《電力電子應(yīng)用技術(shù)及裝置》北京:鐵道出版社.1999.[10]謝福,張禮.《電力交流器電路》北京:機械工業(yè)出版社,2023.[11]丁道宏,《電力電子技術(shù)》北京:航空工業(yè)出版社,1992.[12]黃家善.《電力電子技術(shù)》北京:機械工業(yè)出版社.[13]王水平.《MOSFET/IGBT驅(qū)動集成電路及應(yīng)用》郵電出版社,2023.[14]王維平.現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用,南京:東南大學(xué)出版社,1999.[15]石玉等.《電力電子應(yīng)用技術(shù)題例與電路設(shè)計指導(dǎo)》北京:機械工業(yè)出版社.[16]趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)根底.北京：清華大學(xué)出版社,1997.[17]范立南,謝子殿.單片機原理及應(yīng)用教程[M].北京:北京大學(xué)出版社,2006.[18]黃國華,施玉川,楊宏.光伏電站免維護蓄電池的維護分析[J].太陽能學(xué)報,2004.[19]周克寧.《電力電子技術(shù)》北京:機械工業(yè)出版社,2004.[20]馮玉生.單片機控制三相PWM產(chǎn)生器的逆變電源設(shè)計[J].電力電子技術(shù),2005.[21]李宏,《電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南》(1~4)冊北京:機械工業(yè)出版社,2001.致謝本論文是在導(dǎo)師李春鋒老師和趙玲霞老師的悉心指導(dǎo)下完成的。老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。不僅使我樹立了遠大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了根本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。本論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，謹向老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！本論文的順利完成，離不開各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心和幫助。在四年的學(xué)習(xí)期間，也得到了許多老師和同學(xué)的關(guān)心和幫助，在此表示深深的感謝。沒有他們的幫助和支持是沒有方法完成我的學(xué)位論文的，同窗之間的友誼永遠長存。附錄Ⅰ光伏單元充電的主電路圖光伏單元充電的控制電路圖風(fēng)力充電的主電路圖風(fēng)力充電的控制電路圖逆變器設(shè)計的主電路附錄Ⅱ英文資料及翻譯：SolarandWindHybridGenerationSystems〔原文〕Thedependencemoreandmoreisnowstrongintheworldpeopletotheelectricity.Itisbeingfarawaytheelectricalnetworkthearea,theindependentpowersupplysystembecomesthepowersourcewhichthepeoplemostneed,needsthelowcost,theredundantreliableindependentpowersupplysystem.Itisreasonableinthiskindofenvironmentleewardlightsupplementarypowersupplysystem,becausethemodernenergyservicestillcouldnotachievetheplaceoftenwasthetroughhidestherichwindtobeablewiththesolarenergyresourcesplace.Moreoverthewind,thelightmakeupsomenaturewhichsystemitselfisinsolepossessionofalsoexactlywiththeselocalnaturalconditiontotall.ThereforeregardingsatisfiestheremotedistrictsenergytoneedwiththeChinesemostpoorareasustainabledevelopment,thescenerysupplementaryelectricitygenerationisanessentialenergyconstructiontechnologymethod.Thescenerysupplementarypowersupplysystemisbythesolarcellandthewind-drivengeneratorelectricitygeneration,aftertheaccumulatorcellstoredenergy,totheloadpowersupplyonekindofnewpowersource,widelyappliesatpresentintheemblemwavecorrespondence,thebasedepot,thebroadcastingstation,theopencountryactivity,thehighway,theradiomountainousarea,thevillageandtheisland.Remotedistrictsuseelectricitytheloadnottobeallbiggenerally,thereforeisuneconomicalwiththeelectricalnetworkpowertransmission,directlygenerateselectricitycommonlyusedinthelocalityusesthedieselelectricengine.Butthedieseloilstorageandtransporttooishightotheremotedistrictscost,thereforethedieselelectricengineonlycantakeonekindofshort-timeemergencypowersupply.Mustsolvethelong-termstabilityreliablepowersupplyproblem,onlycanrelyonlocalthenaturalenergysource.Thesolarenergygentlebreezecanbemostuniversalnaturalresource,alsoistheinexhaustiblerenewableenergy.ThesolarenergyisontheEarthsourceoftheallenergy,thesunisshiningEarth'seachland.Thewindcanbethesolarenergyintheearth'ssurfaceotheronekindofmanifestation,asaresultoftheearth'ssurfacedifferentshapelikesandysoilground,thevegetationgroundandthewatersurfaceisdifferenttothesolarilluminationheatabsorptioncoefficient,formsthetemperaturedifferenceintheearth'ssurface,thesurfaceairtemperatureformstheairconvectiontoproducedifferentlycreatesanincidentenergy.Ourcountrythewesternareaisintheworldmostgreatlyalsoisintheworldoneofrichestsolarenergyresourcesareas,theTibetarea,thethinair,thetransparencyhighyearsunshinetimelongreaches3400hinparticular,abovedailysunshine6htheannualmeannumberofdaysbetween275~330days,theradiationintensityisbigeast,yearlyaverageradiationtotalquantity7000MJ/m,thecityassumesincreasesprogressivelythedistributiontothewest,theannualvariationassumesthepeak,theresourcessuperiorityisadvantageous,theapplicationprospectisextremelybroad.Mynationalcustomscanresourcesrichreserves3200GW,potentialinstallingequipmentaccommodateapproximately253GW,occupiestheworldfirstplaceandpotentialwaterandelectricityinstalledcapacity380GWisthesamelevel.In2005Inationalcustomselectricityinstallingequipmentallowtosurpass1GW,In2023thewindelectricityscaleestimatedreaches30GW.Futurethewindelectricityverypossiblywillbecomewiththesolarenergyside-by-sidenewenergyprofession.Mynationalcustomscandeveloptheusethepotentialtobeverybig,belongtothewindtobeabletheresourcestobepossibletousethearea.Speciallythesolarenergyandthewindcanallhavetheverystrongcomplementinthetimeandintheplacecity.Whenthesunlightisdaytimestrongest,thewindisverysmall,aftereveningthesunfallsthemountain,theilluminationisveryweak,butthewindcanstrengthengreatlyasaresultofthesurfacetemperaturedifferencechange.Butinthesummersunlightintensitythewindsmallwinter,thesolarlightintensityweakthewindisgreatlybig.Thesolarenergygentlebreezecanenablethescenerysupplementarygeneratingsysteminthetimecomplementtohavethebestmatchontheresources,thescenerysupplementarygeneratingsystemisabestindependentpowersupplysystem.Lightandelectricitysystemistransformsusingthelightandelectricityboardthesolarenergytheelectricalenergy,throughcontrollertobatterycharging,againthroughinverttocurrentcollectorpowersupplysetofsystems.Thissystemmeritisthepowersupplyreliabilityishigh,themovementmaintenancecostislow,butthesystemconstructioncostishigh.Thewindelectricitysystemistheusesmallwind-drivengenerator,cantransformthewindtheelectricalenergy,throughcontrollertobatterycharging,againthroughinverttocurrentcollectorpowersupplysetofsystems.Thissystemmeritistheelectricitygenerationisbig,thesystemconstructioncostislow,themovementmaintenancecostislow.Theshortcomingisthesmallwind-drivengeneratorreliabilityislow.Thewindelectricityandthelightandelectricitysystemallexistbecausetheresourcesuncertaintycausestheelectricitygenerationwithtouseelectricitytheloadnotbalancedquestion,thewindelectricityandthelightandelectricitysystemallmustbeabletosupplypowerstablythroughtheaccumulatorcellstoredenergy,butthedailyelectricitygenerationcausestheweatherinfluencecongressthesystemthebatteryunittobeatforalongtimeverymuchowestheelectricitycondition,thisalsocausesthebatteryunitlossoflifeprimarycause.Asaresultofthesolarenergyandthewindcancomplement,Thescenerysupplementarygeneratingsystemhasmadeupthewindelectricityandthelightandelectricityindependentsystemonresourcesflawontheresources.Atthesametime,thewindelectricityandthelightandelectricitysystemaremayuseincommoninthebatteryunitandthelink,thereforethescenerysupplementarygeneratingsystemconstructioncostmayreduce,thesystemcosttendstoreasonably.Thesolarcellmaytransformtheenergyoflighttheelectricalenergy.Itcoordinatesthesolarcellmoduleandthewind-drivengeneratortocomposeorganicallyasystem,butdisplaysrespectivecharacteristicandthesuperiorityfully,themaximumlimituseverybignaturekicksthewindwhichgivestobeablewiththesolarenergy.RegardingusestheTVUniversity,touseelectricityrequestshigh,butthewindcantheresourcesandthesolarenergyresourcesricharea,thescenerysupplementarypowersupplybeonekindofbestchoicewithoutdoubt.Inthescenerysupplementarygeneratingsystemmayuseelectricitytheloadsituationaccordingtotheuserandthecapitalsendstheconditiontocarryonthesystemtoallowtomatchreasonably,thenguaranteesthesystempowersupplythereliability,alsomayreducethegeneratingsystemtheconstructioncost.Regardlessofishowenvironmentandhowuseselectricitytherequest,thescenerysupplementarygeneratingsystemallmaymaketherequestwhichoptimizedthesystemdesignplansatisfiesuseselectricity.Shouldsaythat,thescenerysupplementarygeneratingsystemisReasonableindependentpowersupplysystem.Atpresent,thepromotedscenerysupplementarygeneratingsystembiggestbarrieristhesmallwind-drivengeneratorforseveraldozensyears,thesmallwind-drivengeneratortechnologyhadtheverybigdevelopment,theindustrialdevelopmenthasalsoobtainedcertainachievement,butfundamentallysaid,thereliablequestionhasnotalwaysbeensolved.Sincelongago,stemmingfromthecostconsideration,theadvancedhydrauliccontroltechnologyhasnotusedinthesmallwind-drivengeneratorregulatingprotection,onlyisusesthesimplemachinerycontrolmodetocarryontheregulatingprotection.Themechanicalregulatingstructurecharacteristicisthesmallairblowernoseorsomepartoccupiesunderthenaturalcondition,becausewindspeedgentlebreezetothechangetooiscomplex,moreoverthenaturalenvironmentisbad,inevitablecancausevibratesandmovesthepartthedamage,thuscausestheunittodamage.Wantsthethoroughsettlementsmallwind-drivengeneratorthereliablequestiontohavetohavethebestsolutionintheregulatingway.Thescenerysupplementarygeneratingsystem