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基本信息

項(xiàng)目名稱：
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電源功率逆變裝置
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
我們?cè)O(shè)計(jì)的“風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電源功率逆變裝置”，是通過(guò)逆變將發(fā)電機(jī)送來(lái)的頻率和電壓都在變化的交流電變成50周波，220伏（單相）或380伏（三相）交流市電。首先由整流電路將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電，給超級(jí)電容充電；由單片機(jī)判斷投入的并聯(lián)電容的組數(shù)，以達(dá)到儲(chǔ)能、電能保存的目的。電容儲(chǔ)能后產(chǎn)生的直流電經(jīng)逆變電路逆變?yōu)榕c50HZ交流電功率譜相同的矩形波。
詳細(xì)介紹：
（一）硬件部分 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述：首先由整流電路將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電，給超級(jí)電容充電；同時(shí)由電壓檢測(cè)元件檢測(cè)電容兩端電壓，并將電壓轉(zhuǎn)換信號(hào)送給單片機(jī)；由單片機(jī)判斷投入的并聯(lián)電容的組數(shù)，以達(dá)到儲(chǔ)能、電能保存的目的。電容儲(chǔ)能后產(chǎn)生的直流電經(jīng)逆變電路逆變?yōu)榕c50HZ交流電功率譜相同的矩形波。在電能輸出的同時(shí)由電流檢測(cè)器件監(jiān)測(cè)電流，防止系統(tǒng)過(guò)流，燒壞功率器件。 1、整流電路與逆變電路的選擇與參數(shù)配置: （1）電路的選擇： 在系統(tǒng)中，本設(shè)計(jì)采用的是三相繞組發(fā)電機(jī)，因此，橋式整流電路須選用三相全橋整流；逆變輸出考慮工業(yè)應(yīng)用，應(yīng)配置為三相逆變橋?？紤]如采用分立元件焊接，可靠性差，且加工裝配技術(shù)要求高，為此選擇了目前應(yīng)用最多的PIM集成電路。 電路中PIM本身除具有三相全橋整流外，同時(shí)具有三相逆變橋完全滿足系統(tǒng)需要；模塊除具有以上功能外還兼有放電控制回路Gb-B，模塊溫度檢測(cè)電阻輸出端M1-M2。由此可見(jiàn)只用PIM模塊即可直接實(shí)現(xiàn)三相全橋整流和三相逆變的功能，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的全面保護(hù)。 （2）參數(shù)配置： PIM模塊的選擇應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的指標(biāo)來(lái)決定。根據(jù)最初的設(shè)計(jì)想法，系統(tǒng)輸出最大功率為5個(gè)千瓦，控制輸入電壓為220伏交流。則有輸入峰值電壓為311伏；額定輸出相電流7.6安。因此根據(jù)電工設(shè)計(jì)基本原則，取最高工作電壓為峰值電壓2倍，即622伏；工作電流取額定電流1.5倍，即11.4安培。 從廠家手冊(cè)中查找，與其最為相近指標(biāo)參數(shù)為耐壓800伏，電流15安培，故選擇該指標(biāo)產(chǎn)品。 2、電容 通過(guò)查找手冊(cè)和廠家咨詢，市場(chǎng)上目前可以采購(gòu)大的最大電容容量為10000UF，電容耐壓值為45伏。 3、選擇單片機(jī) 從需求來(lái)看，系統(tǒng)需要的基本功能有： （1）有模擬信號(hào)輸入以檢測(cè)系統(tǒng)電壓，電流作為保護(hù)系統(tǒng)和調(diào)整系統(tǒng)投入的電容量；監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)與輸出波形的正弦信號(hào)的誤差以調(diào)整輸出的開關(guān)時(shí)間； （2）具有PWM信號(hào)輸出功能，并方便調(diào)控； （3）足夠的位控制輸出口。 （4）較為豐富的終端功能。 （5）處理速度適當(dāng)。 綜合上述要求我們選擇了美國(guó)ATMEL公司的MEGA128單片機(jī)，該款芯片的主要指標(biāo)如下 ? 采用RISC結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成; ? 最高晶振頻率可達(dá)16MHz;6路可編程2-16位的PWM； ? 8路10位AD轉(zhuǎn)換器； ? 53個(gè)可編程I/O接口； ?系統(tǒng)有35個(gè)中斷向量入口。 其主要指標(biāo)可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。 （二）電路設(shè)計(jì) 1、檢測(cè)部分： （1）電壓：采用光電耦合器檢測(cè)，利用其線性段檢測(cè)范圍在標(biāo)準(zhǔn)值的±10%作為判斷過(guò)壓和欠壓的標(biāo)準(zhǔn)。 （2）電流：采用霍爾檢測(cè)器件。 2、輸出波形檢測(cè)和控制： （1）標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)發(fā)生器電路：利用正弦信號(hào)發(fā)生電路XR220構(gòu)成。 （2）輸出波形檢測(cè)：輸出波形檢測(cè)由信號(hào)檢測(cè)變壓器和精密整流器組成，信號(hào)變壓器件外部220伏高電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成低壓交流信號(hào)，由精密整流器轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流信號(hào)，供計(jì)算機(jī)，檢測(cè)信號(hào)的相位零點(diǎn)和波形歧變，供處理器調(diào)整輸出開關(guān)時(shí)間，以保證輸出電壓為嚴(yán)格的正弦波形。 3、驅(qū)動(dòng)部分 PIM工作在220伏的高電壓下，單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)它，加之PIM內(nèi)部的IGBT部件在驅(qū)動(dòng)時(shí)，要求提供強(qiáng)力的灌電流和抽電流能力，因此必須采用電源隔離和專用的驅(qū)動(dòng)電路。 4、主控制器部分 主控制器部分由MEGA128，顯示，鍵盤，通訊接口及下載接口等組成。 二、軟件設(shè)計(jì)部分 在電源變換中計(jì)算機(jī)對(duì)電能的轉(zhuǎn)換是通過(guò)對(duì)六支功率IGBT管的開關(guān)控制，將直流電斬波后，使經(jīng)過(guò)斬波后的功率譜與正弦波下的功率譜相同，從爾實(shí)現(xiàn)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換的。要想實(shí)現(xiàn)這一目的，須分為兩步。第一步，采用數(shù)學(xué)方法，計(jì)算出開關(guān)時(shí)間；第二步，根據(jù)所使用的處理器及處理方法，將計(jì)算出的開關(guān)時(shí)間轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)表，控制中處理器通過(guò)查表控制IGBT管開關(guān)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。 （一）開關(guān)時(shí)間計(jì)算 現(xiàn)用一個(gè)幅值是正弦波1.1倍，頻率是正弦波10倍的三角波與正弦波相切。其控制原則為：在三角波穿入正弦波時(shí)開關(guān)管打開，在三角波穿出正弦波時(shí)關(guān)斷開關(guān)管，開關(guān)管打開時(shí)用高電平表示，得到如圖b所示的矩形波。在這種控制方式下。既可以做到正弦波和矩形波的功率譜相同，因此，我們就可以用矩形波代替正弦波。 為實(shí)現(xiàn)以上計(jì)算內(nèi)容我們使用c語(yǔ)言編寫了如下程序： //計(jì)算開關(guān)點(diǎn)時(shí)間的序源代碼 #include<stdio.h> #include<math.h> void main() { int i; int n=90; /* n為半個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)*/ int m=180; /* m為一個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)*/ double pei=3.1415926; double time[360]; int kaigd[360]; /* time[m]為脈沖開關(guān)時(shí)間(單位:s),kaigd[m]為需要保存的開關(guān)點(diǎn)數(shù)表*/ for (i=0;i<n;i=i++) { time[i*2]=1/(100*pei)*(acos(0.5*(cos(i*pei/n)+cos((i+1)*pei/n)))-(220/600)*(cos(i*pei/n)-cos((i+1)*pei/n))); time[i*2+1]=1/(100*pei)*(acos(0.5*(cos(i*pei/n)+cos((i+1)*pei/n)))+(220/600)*(cos(i*pei/n)-cos((i+1)*pei/n))); } for (i=0;i<m;i++) { time[m+i]=time[i]+0.01; } for (i=1;i<=m;i++) { printf("第%d個(gè)脈沖打開的時(shí)間：%lf\n",i,time[i*2-2]); printf("第%d個(gè)脈沖關(guān)閉的時(shí)間：%lf\n",i,time[i*2-1]); } for (i=1;i<(2*m+1);i++) { if(i=1) kaigd[i]=int(time[i]/(1/16000000))%65536; else kaigd[i]=int((time[i]- time[i-1])/(1/16000000))%65536; } for (i=1;i<=m;i++) { printf("第%d個(gè)脈沖打開的時(shí)間：%d\n",i,kaigd[i*2-2]); printf("第%d個(gè)脈沖關(guān)閉的時(shí)間：%d\n",i,kaigd[i*2-1]); } FILE *fp; char douhao[]=","; fp=fopen("tab1.txt","w"); for (i=0;i<(2*m-1);i++) { fprintf(fp,"%d%s",kaigd[i],douhao); if((i+1)%10==0) { fprintf(fp,"\n"); } } fprintf(fp,"%d",kaigd[2*m-1]); fclose(fp); } 通過(guò)以上程序計(jì)算，我們得到了關(guān)關(guān)時(shí)間計(jì)算表。 （二）對(duì)稱PWM控制方式與開關(guān)時(shí)間的轉(zhuǎn)換： 我們選用的MEGA128單片機(jī)，既有一種特殊的PWM波輸出方式。其工作原理如下。 相位修正PWM 模式(WGM21:0 = 1) 為用戶提供了一個(gè)獲得高精度相位修正PWM 波形的方法。此模式基于雙斜坡操作。計(jì)時(shí)器重復(fù)地從BOTTOM 計(jì)到MAX，然后又從MAX倒退回到BOTTOM。在一般的比較輸出模式下，當(dāng)計(jì)時(shí)器往MAX計(jì)數(shù)時(shí)若發(fā)生了TCNT2于OCR2的匹配，OC2將清零為低電平；而在計(jì)時(shí)器往BOTTOM計(jì)數(shù)時(shí)若發(fā)生了TCNT2于OCR2 的匹配， OC2 將置位為高電平。工作于反向輸出比較時(shí)則正好相反。與單斜坡操作相比，雙斜坡操作可獲得的最大頻率要小。但由于其對(duì)稱的特性，十分適合于電機(jī)控制。 相位修正PWM 模式的PWM 精度固定為8 比特。計(jì)時(shí)器不斷地累加直到MAX，然后開始減計(jì)數(shù)。在一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期里TCNT2 的值等于MAX。時(shí)序圖可參見(jiàn)Figure 67。圖中TCNT2 的數(shù)值用柱狀圖表示，以說(shuō)明雙斜坡操作。本圖同時(shí)說(shuō)明了普通PWM 的輸出和反向PWM 的輸出。TCNT2 斜坡上的小橫條表示OCR2 和TCNT2 的比較匹配。 當(dāng)計(jì)時(shí)器達(dá)到BOTTOM 時(shí)T/C 溢出標(biāo)志位TOV2 置位。此標(biāo)志位可用來(lái)產(chǎn)生中斷。工作于相位修正PWM 模式時(shí)，比較單元可以在OC2 引腳產(chǎn)生PWM 波形：將COM21:0設(shè)置為2產(chǎn)生普通相位的PWM，設(shè)置COM21:0為3產(chǎn)生反向PWM信號(hào) (參見(jiàn)P 143Table67 )。要想在引腳上得到輸出信號(hào)還必須將OC2的數(shù)據(jù)方向設(shè)置為輸出。OCR2和 TCNT2比較匹配發(fā)生時(shí)OC2 寄存器將產(chǎn)生相應(yīng)的清零或置位操作，從而產(chǎn)生PWM 波形。工作于相位修正模式時(shí)PWM 頻率可由下式公式獲得：fOCnPCPWM = fclk_i/o/(N*510)變量N 表示預(yù)分頻因子 (1、 8、 64、256 或1024)。 OCR2寄存器處于極值代表了相位修正PWM模式的一些特殊情況。在普通PWM模式下，若OCR2 等于BOTTOM，輸出一直保持為低電平；若OCR2 等于MAX，則輸出保持為高電平。反向PWM 模式則正好相反。 因此，我們只要將上述計(jì)算結(jié)果，根據(jù)我們所選用的晶振頻率（通常介于8M和16M之間），再根據(jù)計(jì)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度（通常為微秒），既可以十分方便的得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。其結(jié)果在此不再贅述。

作品圖片

  • 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電源功率逆變裝置
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的：通過(guò)逆變將發(fā)電機(jī)送來(lái)的頻率和電壓都在變化的交流電變成50周波，220伏（單相）或380伏（三相）交流市電，這樣可以把風(fēng)能直接用于居民或小型工廠的生活和生產(chǎn)，也可以將電能直接送入低壓電網(wǎng)。 我們的創(chuàng)新點(diǎn)是采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，該電容耐壓可達(dá)450伏，容量單只可達(dá)1萬(wàn)UF，如果采用直接并聯(lián)則可以做到容量近乎無(wú)窮。 基本思路：首先由整流電路將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電，給超級(jí)電容充電；同時(shí)由電壓檢測(cè)元件檢測(cè)電容兩端電壓，并將電壓轉(zhuǎn)換信號(hào)送給單片機(jī)；由單片機(jī)判斷投入的并聯(lián)電容的組數(shù)，以達(dá)到儲(chǔ)能、電能保存的目的。電容儲(chǔ)能后產(chǎn)生的直流電經(jīng)逆變電路逆變?yōu)榕c50HZ交流電功率譜相同的矩形波。在電能輸出的同時(shí)由電流檢測(cè)器件監(jiān)測(cè)電流，防止系統(tǒng)過(guò)流，燒壞功率器件。 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： 在系統(tǒng)中，本設(shè)計(jì)采用的是三相繞組發(fā)電機(jī)，為此選擇了目前應(yīng)用最多的PIM集成電路。PIM模塊的選擇應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的指標(biāo)來(lái)決定。根據(jù)最初的設(shè)計(jì)想法，系統(tǒng)輸入峰值電壓為311伏；額定輸出相電流7.6安。因此根據(jù)電工設(shè)計(jì)基本原則，取最高工作電壓為峰值電壓2倍，即622伏；工作電流取額定電流1.5倍，即11.4安培。從廠家手冊(cè)中查找，與其最為相近指標(biāo)參數(shù)為耐壓800伏，電流15安培，故選擇該指標(biāo)產(chǎn)品。 2、選擇單片機(jī) 從需求來(lái)看，我們選擇了美國(guó)ATMEL公司的MEGA128單片機(jī)

科學(xué)性、先進(jìn)性

1、降低輸出電壓：與大型風(fēng)力發(fā)電廠相比，我們所研發(fā)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電源功率逆變?cè)O(shè)備，可以直接采用220伏的交流發(fā)電機(jī)組供電，通過(guò)整流--直接逆變?yōu)?20伏或380伏交流電，免去升降壓環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)向用戶直接送電。 2、提高整體轉(zhuǎn)換效率：采用超級(jí)電容后，省去了原有系統(tǒng)中的變壓環(huán)節(jié)，消除了銅損及鐵損，提高整體效率，據(jù)有關(guān)資料介紹采取這種轉(zhuǎn)換方式效率可達(dá)95%。 3、充分利用風(fēng)能：在上述發(fā)電設(shè)備中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用機(jī)械裝置調(diào)整槳葉角度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻，當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí)則采用機(jī)械脫扣裝置停止發(fā)電；在小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中則只有脫扣裝置，由此可以看出兩種機(jī)構(gòu)都不能充分利用風(fēng)能。采用超級(jí)電容后則可以通過(guò)切換電容的組數(shù)，改變充電電流，調(diào)整槳葉阻尼，達(dá)到既利用風(fēng)能又使得系統(tǒng)不致轉(zhuǎn)速過(guò)高。 4、減小體積：利用超級(jí)電容后可以適當(dāng)減小體積。 5、提高系統(tǒng)使用年限：在小型設(shè)備中，通常采用充電電池，因此使用壽命一般只有兩三年，使用超級(jí)電容則可以延長(zhǎng)到5至6年，隨著技術(shù)進(jìn)步，極板材料的更新，未來(lái)超級(jí)電容對(duì)壽命還可延長(zhǎng)。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

無(wú)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段。

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

產(chǎn)品轉(zhuǎn)讓

作品可展示的形式

模型，圖紙，圖片

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

我們?cè)O(shè)計(jì)的“風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電源功率逆變裝置，是建之在低壓發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)之上的，發(fā)電電壓為220伏（或380伏）功率在3至5個(gè)千瓦之間，通過(guò)逆變將發(fā)電機(jī)送來(lái)的頻率和電壓都在變化的交流電變成50周波，220伏（單相）或380伏（三相）交流市電，這樣可以把風(fēng)能直接用于居民或小型工廠的生活和生產(chǎn)，也可以將電能直接送入低壓電網(wǎng)。

同類課題研究水平概述

目前通常采用的風(fēng)力發(fā)電裝置有兩種： 一種為大功率水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電過(guò)程為：發(fā)電機(jī)組—整流—逆變—變壓—高壓輸出，該設(shè)備通常以高電壓（6000伏）輸出，發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力通常為兆瓦級(jí)，發(fā)電基座通常要在幾十米高，因此設(shè)備投資大，需要較大安裝場(chǎng)地，且機(jī)械維修十分困難；另一種同樣采用水平軸發(fā)電機(jī)機(jī)，發(fā)電機(jī)為低壓輸出（通常為48伏），發(fā)電過(guò)程為：發(fā)電機(jī)組發(fā)電—整流—電瓶?jī)?chǔ)能—逆變—變壓—220伏市電輸出。 在以上兩種方案中，都有變壓環(huán)節(jié)，受鐵磁材料本身和機(jī)構(gòu)的限制，形成鐵損和銅損，都要消耗掉一部分能源，一般效率為80%。影響了總體效率，另外，在第二種方案中采用的通常為鉛酸蓄電池，通常壽命只有幾千次。
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