机械毕业设计914基于风力发电UPS系统.docx
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机械毕业设计914基于风力发电UPS系统
目录
1前言1
1.1风力发电的国内外发展现状1
1.2UPS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
3.3UPS主功率变换电路8
3.3.1DC/DC主功率变换8
3.3.2SPWM调制10
3.4主控电路12
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13
3.6UPS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1PFC控制电路图20
附录2主控部分电路21
附录3程序清单22
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；1.5～2.5MW、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]。
1.2UPS的基本知识
UPS的中文意思为“不间断电源”，是英语“UninterruptiblePowerSupply”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”。
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（UninterruptiblePowerSystem）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Intel87c196MC或MotoroalMC68HC11K4,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（PF≈1），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“PowerFactorCorrection”，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。
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=SCOS0θ=UICOSθ＝UI·F
式中，P是有功功率，单位是W（瓦），F=COSθ被称为功率因数，而θ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=Ssinθ=UIsinθ。
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（powersineconductorOn/Offswitch），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。
3.3UPS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。
3.3.1DC/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
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t1~t2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。
3.3.2SPWM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π/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6N=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π/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。
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
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