小型风力发电机控制器设计毕业设计.docx
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小型风力发电机控制器设计毕业设计
1引言
1．1本课题的意义
1.1.1风力发电的意义
随着现代工业的发展和社会的进步，人们对供电持续性和供电量的要求也越来越高。
而煤炭、石油的日趋减少，开发新能源成为当今社会最热门的话题之一。
风能作为一种自然资源，它有取之不尽、清洁无污染等优点，所以被人们称为“绿色资源”受到青睐[1]。
利用可再生能源可以节约能源和保护环境，而风力发电与其它再生能源相比，更具竞争潜力，因而发展迅速。
我国幅员辽阔，居民分布东多西少。
考虑到生活在边远地区的农、牧民以及沿海地区岛屿上的渔民、边、海防哨所、通讯塔站及微波中继站等居民的用电特点，用常规电网覆盖他们十分困难，而且也很不经济。
因此在我国的许多边远地区，电力短缺造成经济，文化与教育的严重落后。
但由于这些地区一般风力资源比较丰富，因此在这些地区大力推广小型风力发电机系统的应用也将是一种比较理想的策略[2]。
1.1.2目前户用小型风力发电存在的问题
风力发电是涉及电机、电力电子、电化学、机械、空气动力学、计算机、自动控制、气象等多种学科的综合课题，大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上，向电网馈电；小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用除能设备储存起来（一般用蓄电池），需要时再提供给负载（可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户）。
常见的独立运行小型风力发电系统框图如图1.1所示[3]。
图1.1小型风力发电系统框图
由于风能的随机性和不稳定性以及负载的随时变化使得现有小型风电系统仍然存在不少问题。
1、效率较低，现有系统一般采用发电机输出直接对蓄电池进行充电，并没有对风电转换环节进行控制，使得风能利用系数比较低，一般在0.3左右。
据贝茨理论风能利用系数的极限值为0.593，如果控制风力机总是以最佳叶尖速比运行，年发电量可以提20%～
30%。
2、蓄电池的工作状态不尽合理，使得其寿命短暂，一般两三年就得更换，增加了整机维护成本，不合理使用主要是充电方式与蓄电池可接受特性相距甚远。
电池使用寿命短，则会使得度电成本居高不下，从而使小型风力发电系统难于推广应用。
3、小型风力发电系统中，蓄电池的充电设备均有欠、过压保护装置，如果电压波动不稳，变化幅度较大，势必会造成这些装置频频动作，对这些保护装置的寿命造成直接的影响。
4、没有考虑风能变化、负载变化以及蓄电池状态相互之间的关系；
5、小型风力发电系统由于成本的原因，发电机和蓄电池的保护措施比较简单，这就导致系统的综合可靠性和效率较差，往往达不到设计使用寿命[4]。
1.1.3本课题的重点
现有的小型风力发电系统存在能量转换效率低、蓄电池使用寿命短、控制简单和缺乏完整的系统功率控制等问题。
因此提高对蓄电池的充电速度，减少充电损耗，正确地监控蓄电池状态，确保蓄电池的正确使用、延长蓄电池的使用寿命对小型风力发电有着重要意义。
本文研究的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基础上，设计简单、高效、高可靠性的风机控制器，实现风电系统可靠及优化运行。
控制器是由一些电子元器件组成，起一个“开关”的作用[5]。
当风力发电机输出的交流电经过整流后，如果蓄电池电压低于系统设定的电压时，控制器使充电电路接通，风力发电机开始向蓄电池充电；当蓄电池电压上升到保护电压的时候充电控制开关电路截止，风力发电机停止向蓄电池充电，以免蓄电池过充影响寿命。
在实际运行中，控制器应具有以下主要功能：
1、保证风机安全运行，在电气特性和机械特性允许范围内运行；
2、减少风速随机变化对输出电能的影响，使输出电压稳定，减少纹波；
3、合理调度系统电能，保证向负载提供连续电能；
4、保护蓄电池，防止过充和过放，提供足够充电能量进行快速充电[6]。
综上所述，研究可靠性更高、价格更廉的小型风力发电控制器，对于增强市场竞争能力，加速小型风力发电的普及和应用，节约能源和保护环境都具有重要意义。
1．2蓄电池的工作原理
1.2.1铅蓄电池的电化学特性
蓄电池在风力发电系统中是作为储能器件使用的。
常见的蓄电池有铅酸蓄电池和碱性蓄电池。
本文采用铅蓄电池，它是用铅和二氧化铅作为负极和正极的活性物质，以27%～37%浓度的硫酸作为电解液的电池，即通常所说的铅酸蓄电池。
依据哥来德斯东和特利浦双硫酸化理论：
铅酸电池释放化学能的过程是负极进行氧
化，正极进行还原的过程；电池补充化学能的过程则是负极进行还原，正极进行氧化的过程[7]。
铅蓄电池充电时，正极上的硫酸铅氧化成二氧化铅，负极上的硫酸铅还原成金属铅；放电后正、负两极都生成硫酸铅（PbSO4）这种硫酸盐。
放电反应和充电反应互为可逆反应。
放电反应消耗电解液中的硫酸，生成水，结果是硫酸溶液的浓度下降。
充电时极板中的硫酸铅转变成铅和二氧化铅，把硫酸根放回电解液，与水形成硫酸（H2SO4），浓度又逐渐上升，最后达到一稳定值。
因此，可以用电池中硫酸溶液的密度来衡量电池充放电的程度。
铅蓄电池放电时，它的大部分化学能转换成电能供给外电路，一小部分化学能转换成热能散失掉。
同时活性物质和电解液转变成PbSO4+2H2O+PbSO4这个物质体系。
在放电过程中，蓄电池内的电化学反应吸收热量，内阻产生的热量被电化学反应吸收，所以放电时蓄电池温升较低。
充电时，蓄电池把外界传输给它的电能转换成化学能储蓄到Pb+2H2S04+S02这个物质体系之中。
这个物质体系比PbSO4+2H20+PbSO4含有更多的化学能。
因此，刚充足电的蓄电池电压高，电解液浓，能量多。
所以要特别注意和小心避免发生短路。
在充电过程中，蓄电池内的电化学反应释放热量；此外，充电电流流过蓄电池的内阻时，也产生热量，蓄电他的温度因此升高[8]。
蓄电池充电电流越大，温升越高，就是这个缘故。
充电时还伴随着一个很难避免的副反应，就是电解水生成氢气和氧气。
特别是充电后期，电压升高了，电能主要消耗在电解水方面，而且对极板活性物质很不利。
因此在充电过程中要对蓄电池进行过充电保护。
1.2.1蓄电池充电器的发展
充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿命，充电技术近年来发展非常迅速。
充电器的发展经历了三个阶段：
1、限流限压式充电器
最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅
寿命表述就是时间，没有次数，比如10年[9]。
这种充电模式的效果较差。
2、恒流/限压式充电器是充电器发展的第二阶段，这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪。
首恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。
一般两阶段之换电压就是第二阶段的恒电压。
这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能成充电效率低，大大降低了电池的寿命。
3、自适应智能充电器
随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称
代充电器。
自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。
并且具有温度补偿功能。
充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊法不断调整充电参数，同一充电器可适应不同种类电池的充电，充电器自适应调的输出电流，无需人工选择，避免操作失误[10]。
2系统总体设计
2.1课题要求
目前，小型风力发电机都采用蓄电池贮能，电器的用电都由蓄电池提供，蓄电池放电后能及时由风力发电机给以补充。
由于风能的随机性以及风速变化范围比较大，给蓄电池充电带来困难。
本课题将初步设计一个风力发电系统中的控制器，实现蓄电池的充电控制。
具体内容和要求包括：
1、对国内外小型风力发电能量存储研究现状和常用的蓄电池充电方法有深入了解。
2、完成控制蓄电池充电的硬件设计方案，包括硬件选型。
建立起以单片机为主控制芯片的控制系统，带有必要的保护功能。
3、完成基本程序的编写和调试，能满足蓄电池在充电电流不超过Imax=（0.1C～0.5C）A，充电电压不高于过充电压的情况下，快速给蓄电池供电。
4、所设计的系统应能实现基于单片机的蓄电池安全快速充电，并能带有必要的显示功能，使适用者及时了解蓄电池的充电情况。
2.2采取的充电控制策略
本文结合了一些普通充电器的充电策略，又根据风力发电的不稳定性和蓄电池的充电特性做出了以下的充电策略：
充电过程分为三个阶段：
涓流充电阶段、大电流充电阶段和浮充电阶段。
通过采样电路得到实时的蓄电池的充电电流和充电电压数据，CPU根据A/D送来的数据判断蓄电的充电状态，输出相应的D/A数据，从而得到合适脉宽的PWM波，调节蓄电池的充电电流。
在每个充电阶段，如果充电电流大于了规定的电流值，CPU会调节D/A输出，从而调节充电电流。
另外，系统还包括键盘模块，当使用者不满意当前的充电电流时，可以用键盘设置D/A参数，调节电流。
在本设计中，为了节省CPU的时间，键盘采用的是中断扫描的方式。
LED显示模块实时显示充电电流、充电电压和PWM输出百分比。
3硬件电路部分
3.1硬件原理图的总体设计
如图3.1所示：
图3.1硬件结构框图
蓄电池充电控制系统的电路框图如图3.1所示，主控制器采用AT89C51微处理器为控制核心，辅助电源用于提供电路所需的多路电压，A/D采样电路完成电流和电压的采样，驱动电路驱动充电电路中的MOS管的通断来调节充电电流，实时打开卸荷电路防止蓄电池过充。
3.2风力机选型
在本设计中选用的是HY-400型风力机。
其技术参数如表3.1所示。
风力涡轮机叶片由超高强度的工程塑料精密铸造成型，风轮运转平稳而宁静。
该风轮的翼型经气动力学专家精心设计而成，具有极低的启动及切入点，极高的风能利用效率并能依藉叶片自身的气动力效应防止任何风况下飞车。
发电机采用优质高强永磁材料，发电机体积小、重量轻而且发电效率高。
电机专家独特的电磁设计技术造就了该发电机具有及其微小的起动阻力矩，有效保证了HY系列在微风中便能启动。
该发电机的发电效率、起动性能以及超速过载能力堪称当今世界一流。
整机全部采用优质铝合金精密压铸部件与不锈钢配件，整机重量极轻。
广泛适用于-30℃～60℃气温、高湿度、风沙及盐雾等多种环境，具有极高的可靠性。
HY型小型风力发电机造型优美、安装简便[11]。
产品名称
小型风力发电机HY-400
起动风速（m/s）
2.3
额定风速（m/s）
12
切入风速（m/s）
3
额定电压（DCV）
24
额定功率（W）
400
最大功率（W）
450
风叶直径（m）
1.4
风叶数量
3
超速保护
叶片失速及电磁制动
过载保护
电磁制动或加卸荷器
3.3蓄电池选型
在这里选择两个150AH/12V的蓄电池。
其主要的技术参数如表3.2所示：
表3.1风力发电机技术指标
电池参数
名称
定义及计算公式
取值
V
电池组电压
24V
NC
单格电池数量
串联电池个数
2
Crate
电池组容量
300Ah
Vc.min
Ibuck
最大充电电流
Ibuck=0.1C～0.5C
50A
Itrickle
涓流充电电流
Itrickle=0.04C
6A
If
浮充电流
If=0.05C
7A
Vj
涓流充电电压
20.4V
Vbuck
大电流充电电压
20.4V～28.0V
Vfloat
浮充充电电压
28.0V
表3.2蓄电池技术指标
3.4控制面板设计
按照课题要求，设计的控制面板如图3.2所示。
“ON”、“OFF”键是控制器的总开关，按下“ON”蓄电池开始充电，按下“OFF”控制器停止工作。
“充电”灯亮表示风力发电机已经接通可以给蓄电池充电了。
“正常”灯亮表示蓄电池连接正常。
“反接”灯亮表示蓄电池反接。
“U”、“V”、“W”几个接线柱连接风力发电机。
“+”、“-”接线柱接蓄电池的正负极。
三个按键用来实现调节PWM输出百分比的功能。
七个LED分别显示充电电流、充电电压和PWM输出百分比。
3.5AT89C51单片机
3.5.1AT89C51简介
单片机AT89C51是本系统的核心。
单片机是把微机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。
由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫单片控制器（SingleChipMicrocontroller）。
AT89C51是美国ATMEL公司最近生产的一种高性能、低功耗、带4kFlashMemory的8位CMOS单片微型计算机芯片。
FlashMemory又称闪烁存贮器,它是EPROM和EEPROM技术有机结合的产物。
其既具有EPROM一样的可编程能力，又带有EEPROM的电可擦除性能,而且还具有不挥发性、访问速度快和密度高等特点。
由于以上优点使AT89C51可靠性高、实时性好、速度快、系统掉电后重要数据和状态信息不会丢失，并可方便的在线重复编程等[12]。
它为解决许多嵌入式控制应用提供了更多的灵活性。
通常，一个微计算机由微型计算机与外部设备组成，而微型计算机则包括微处理器（CPU），存储器，输出/输入口（I/O口）及其它功能部件如定时/计数器，中断系统等。
它们通过地址总线（AB），数据总线（DB）和控制总线（CB）连接起来。
通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。
CPU中配置有指令系统。
计算机系统中配有主机监控程序，系统操作软件及用户应用软件。
单片机相当于一个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单板机。
其结构如图3.3：
图3.3单片机结构
单片计算机有以下特点：
1、受集成度限制，片内存储器容量较小，一般ROM小于4/8K字节，RAM小于256字节，但可在外部扩展，通常ROM,RAM可分别扩展至64K字节。
2、可靠性好。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中不易被破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。
3、易扩展。
片内具有计算机正常运行所必须的部件。
芯片外部有许多供扩展用三总线并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
4、控制功能强。
为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
一般说来，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。
5、一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置用户调试好的应用程序。
3.5.2引脚功能说明
XTAL1：
接外部晶振的一个引脚。
在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
它采用外部振荡器时，该引脚应接地。
XTAL2：
接外部晶振的一个引脚。
在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。
当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。
RST：
AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。
ALE/
：
ALE是英文“ADDRESSLATCHENABLE”的缩写，表示地址锁存允许信号。
当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口P0的地址总线（A0～A7）锁存进入锁存器中。
在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。
/VPP：
该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。
因此在8031中，EA引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。
如果是使用AT89C51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC值超过片内程序存储器地址（8051/8751/89C51的PC超过0FFFH）时，将自动转向外部程序存储器继续运行。
此外，在将程序代码输入至8751内部EPROM、89C51内部Flash时，可以利用此引脚来输入提供编程的电压。
：
此为“ProgramStoreEnable”的缩写。
访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。
在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。
在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号。
P0口：
PO口是一组8位漏极开路型双向I/0口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，PO口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
Pl口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除了作为一般的I/0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下所示：
P3.0RXD串行通信输入。
P3.1TXD串行通信输出。
P3.2INT0外部中断0输入，低电平有效。
P3.3INT1外部中断1输入，低电平有效。
P3.4T0计数器0外部事件计数输入端。
P3.5T1计数器1外部事件计数输入端。
P3.6WR外部随机存储器的写选通，低电平有效。
P3.7RD外部随机存储器的读选通，低电平有效
图3.4AT89C51引脚图
3.5.3时钟振荡器
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放人器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3.5。
接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择4pF±10F[13]。
图3.5振荡电路
3.6看门狗电路的选型
89C51的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。
只要在复位引脚RST出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。
只要RST引脚保持高电平，则89C51循环复位。
只有RST变成低电平时，它才从0000H地址开始执行程序[14]。
21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。
表3.3中符号*为随机状态。
表3.3特殊功能寄存器复位后的状态
特殊功能寄存器
初始状态
特殊功能寄存器
初始状态
A
00H
TMOD
00H
B
00H
TCON
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL0
00H
DPL
00H
TH1
00H
DPH
00H
TL1
00H
P0～P3
FFH
SCON
不定
IP
***00000B
SCON
00H
IE
***00000B
PCON
0*******B
目前，监控电路在微处理器中已得到广泛的应用，它可以有效的防止程序的“跑飞”，并自动将系统复位。
当外来干扰导致数据总线、I/O总线或控制总线上的数字信号错乱时,将引发一系列的后果,特别是程序指针计数器PC值受到干扰而改变时，将引起程序“跑飞”，使系统出现死机或其他一些不可预知的情况。
常用的看门狗主要有2种：
软件狗和硬件狗。
①软件狗实际上就是通常所说的软件陷阱，是纯软件的处理方法。
它是在程序存储器的空余地址中全部填上1条跳转指令，一旦程序跑飞，只要程序指针指向这些地址，便立即被强行跳转至程序开头或其他指定地址处，从而使程序继续正常执行。
②硬件狗现在更多地被采用。
所谓硬件狗，就是一个能够发出“复位”信号的计数器或定时器电路。
设计中看门狗复位电路的工作原理是：
喂狗引脚P2.0每隔1.6s发出一个脉冲，计数器对脉冲进行计数。
程序正常运行时，CPU在计数器溢出之前通过I/O口对计数器清，使计数器不能溢出。
一旦程序运行出现异常，不能及时对计数器清零，计数器将发生溢出。
此时，由于溢出端RES处于高电平与CPU的RST端相连接，所以使单片机系统“复位”，使其能够重新正常运行。
单片机系统的供电电源有时候因为各种原因而不稳定,发生电压波动或瞬间掉电的现象,从而影响系统的正常工作和数据保存。
如果能对电源电压进行监视，当电源电压下降到某一特定值时，发出1个信号给单片机和电源切换电路，那么就能使CPU及时进行必要的操作和维持工作电源的稳定。
MAX813L是美国MAXIM公司生产的低价格单片机监控电路。
它减少了在微处理器系统中采用分离元件来实现监控功能所用的元器件数量和复杂性，并能提高系统的可靠性和准确性。
它除有看门狗作用以外，还有电源电压检测的功能。
图3.6MAX813L
3.7信号转换电路的选型
转换电路是数模信号和模数信号的转换，数模转换使用DAC0832；模数转换器使用ADC0809。
在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统中，控制或测量的有关变量往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量[15]。
这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到单片机中进行处理。
单片机处理的结果，也常常需要转换成模拟信号，若输入的是非电量模拟信号还需经过传感器或电位器转换成模拟电信号。
实现模拟两转换成数字量的器件称为模拟转换器（ADC），数字量转换成模拟量的器件称为数模转换器（DAC）。
数／模转换器，也就是说单片机通过数据总线将某个数字量送入D／A，D／A就输出一个与数字量成比例的模拟电压或电流。
那么，这种转换精度是多少呢？
转换能在多快时间内完成呢？
这就是我们在选择D／A时首先要考虑的问题。
D／A转换的精度主要决定于D／A的分辨率，但是其前提条件是电源及参考电源必须稳定，否则达不到应有的精度。
此外应该说明的是，D／A实际输出值在满量程时比标称值小一个最小位。
如一个10位D／A，参考电压为-5V，当10位输入全为1时，标称值为+5V
1023／1024＝4．995V；当D／A输入的10位全部为0时，由于存在零点误差，D／A输出与OV有一定偏差，常采用片外调零电位器使之为零。
D／A器件中有电阻网络、模拟开关、驱动电路。
从D／A输入数据到D／A输出模拟电压或电流是需要一定时间的，这个时间除了受器件本身特性制约外还和数字量的变化幅值
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