当前位置：文档库 › 小型家用风力发电系统的设计

小型家用风力发电系统的设计

毕业设计（论文）

题目小型家用风力发电系统

的设计

姓名

学号

所在学院

专业班级

指导教师

日期年月日

原创性明

本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授书

本学位论文作者完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

1、保密□，在年解密后适用本授权书。

2、不保密□

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日

摘要

随着环境问题和化石能源危机日益加剧，各国都在寻找新的可代替能源来解决能源危机和环境污染。风能和太阳能一样也是取之不尽的一种可再生能源，风力发电成为现在人们利用风能的一种主要形式，小型风力发电构成的家用分布式发电系统在未来更具有利用前景。因此对小型家用风力发电系统的研究有很多实用性和价值。

本文设计的家用风力发电系统选用单片机STC89C52为控制核心设计了系统电路，实现由蓄电池电能逆变为小型家用电器实用的24V50Hz的交流电。对风力发电原理及逆变的必要性做了重点介绍，分析了设计的电路各个模块工作原理，给出了系统的原理图和软件设计流程图。设计的家用发电系统经济成低、实用性强。

关键词：风力发电，单片机，蓄电池，逆变

Abstract

As environmental issues and fossil energy crises intensify, countries are looking for new alternative energy sources to address energy crises and environmental pollution. Wind energy is just as inexhaustible as renewable energy. Wind power has become a major form of wind energy utilization. The home distributed power generation system consisting of small wind power generation has more prospects in the future. Therefore, research on small household wind power generation systems has many practicalities and values.

The household wind power system designed in this paper selects the single-chip STC89C52 to design the system circuit for the control core, and realizes the 24V50Hz AC which is practically used by the battery power inverter for small household appliances. The principle of wind power generation and the necessity of inverter are introduced. The working principle of each module of the designed circuit is analyzed. The schematic diagram of the system and the flow chart of software design are given. The designed household power generation system is economically low and practical.

Key Words: Wind Power, Single Chip, Battery,Inverter

1 绪论 (1)

1.1 课题研究背景 (1)

1.2 课题的目的和意义 (1)

1.3 国内外研究现状 (2)

2 2 风力发电系统设计要求及原理分析 (4)

2.1 系统设计的目标 (4)

2.2 风力发电原理 (4)

2.3 风力发电系统结构及组成 (4)

2.4 逆变电路设计原理 (5)

2.5 本章小结 (6)

3 风力发电系统逆变器方案与硬件设计 (7)

3.1 风力发电系统的总体方案设计 (7)

3.2 逆变器的设计 (7)

3.3 逆变控制单片机选择 (8)

3.4 电源模块 (10)

3.5 SPWM产生电路 (10)

3.6 MOSFET驱动电路 (11)

3.7 本章小结 (11)

4 逆变器仿真与调试分析 (12)

4.1 仿真模型建立 (12)

4.2 仿真结果分析 (13)

4.3 系统实验测试分析 (14)

4.5 本章小结 (16)

5 总结与展望 (17)

致谢 (18)

参考文献 (19)

1 绪论

1.1 课题研究背景

能源是发展国民经济和提高人民生活的重要物质基础，是经济发展的“火车头”，能源已成为制约国民经济发展的重要因素。社会经济发展推动能源需求的持续增长，要求不断开发新的能源。虽然，人类的技术进步旨在提高能源的利用效率、减少能源的消耗，但现今的能源生产量依然满足不了人类发展的需求。由于对能源的渴求，人们无节制地开采石油、煤炭、天然气等这些埋在地层深处的维系人类生存的“能源食粮”，不仅严重地污染了我们的生存空间，恶化了自然环境，而且带来了更可怕的恶果一能源枯竭。传统化石能源资源的诚少，引发的石油危机和石油总体价格的攀升，已在向世人警示能源安全问题,引起对能源安全的广泛担忧。现实告诫人们，要生存就必须寻求开发新能源。

风能和现在的太阳能、水能一样也是清洁的可再生能源，水利发电已经在大规模应用，由于风能和太阳能的特殊性，这几年刚取得发展，但是应用前景更加广阔，特别是家庭用的小型分布式发电。相比较大型的水利发电和风电场发电，小型的分布范围广，灵活性强，普遍得到社会的认可。

1.2 课题的目的和意义

风能的利用有着悠久的历史。近年来，资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。自80年代以来，风能利用主要趋势是在风力发电。

我国地域辽阔，广大边远山区、沿海岛屿和少数民族地区地广人稀、交通不便，利用大电网的延伸解决供电问题非常困难，而这些地区风力资源往往又比较丰富。充分利用这些地区的风力资源来解决无电、缺电问题，对改善当地人民的生活水平，发展地方经济具有深远的意义。小型风力发电系统具有机组投资小，使用灵活，非常适用于解决居住相对分散、风力资源较好的无电地区居民的基本生活用电及部分小型生产用电问题。

小型风力发电技术作为农村能源的组成部分，它的进一步推广应用，将会

推动农村能源的发展，对于改善用能结构，特别是边远山区等的生产、生活用能，推动生态和环境建设诸领域的发展将发挥积极作用，具有广阔的市场前景。

风能具有随机性和不确定性，风力发电系统是一个复杂系统。简化小型风力发电系统的结构、降低成本、提高可靠性及实现系统优化运行，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.3 国内外研究现状

国外：进入21世纪，全球可再生能源也在不断发展，而在可再生能源中风能始终保持最快的增长态势，并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源，目前世界风能发电厂以每年32%的增长速度在发展，2008 年初，全球风力发电机容量达5000万MW。由此可见，风电正在以超出预期的发展速度不断增长。

国内：我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有18000多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个,，风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6米/秒以上。一般认为，可将风电场风况分为3类:年平均风速6米/秒以上时为较好; 7米/秒以上为好; 8米/秒以上为很好。可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于6米/秒以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。

由于发展时间尚短，我国风力发电存在一些不足。目前，我国尚未建立风资源数据库，现有的全国风资源分布图很粗，无法满足现在风电场选址的要求，迫切需要进一步细化。我国对风资源的测量和分析方法不够完善，尤其是对复杂地形，在选择测风点和风资源分析方面缺少先进的技术和经验。风电场优化设计方面技术比较落后，缺乏先进的工具和系统的方法。我国风电场的运行和维护水平与国外风电场及国内火电生产和运行相比，也有明显的差距。

1.4 主要研究的内容

为了大力发展新能源发电，本文设计的小型家用风力发电系统，适应现在国家分布式能源的发展要求，设计了的系统能够将风能转化为电能，并利用蓄电池存储。并通过设计的逆变器为家庭各个电器提供电源。

第一章首先讲述了本课题研究的背景及意义，分析了国内外当前的研究状况，对本文的主要研究内容做了纲领性的介绍和分析。

第二章是主要从系统设计需要的理论济宁分析，结合系统的设计目标对风力发电的原理进行了重点分析，给出了风力发电系统的结构及组成框图，详细分析了逆变电路的原理。

第三章主要对系统的逆变器和硬件电路进行了设计，包块单片机模块的选择和模块介绍，最小系统电路的搭建。对系统供电的电源模块、SPWM产生电路和开关器件的驱动电路进行了设计和分析，达到了系统的硬件需求。

第四章主要是给出了小型家用风力发电系统重要的逆变器进行仿真实验，建立了仿真模型，并对仿真结果进行了分析，与实验调试进行结合，能够满足系统的设计指标要求。

2 风力发电系统设计要求及原理分析

2.1 系统设计的目标

通过风力发电机实现了将风能转化为电能，并利用蓄电池存储。设计一风力发电机，完成电机、扇叶、动力系统等设计。利用蓄电池作为逆变器电源，将蓄电池电压转变成家用交流24V电源，为家庭各个电器提供电源。达到以下目标：

①过风力发电机实现了将风能转化为电能，并利用蓄电池存储。

②利用蓄电池作为逆变器电源，将蓄电池电压转变成家用交流24V电源。

③设计一逆变电路将蓄电池电压转换成交流正弦50Hz/24V电源，为家电提供电源，逆变器功率不低于100W。

2.2 风力发电原理

风力发电就是利用风力发电机把风能转换成电能，风力发电机是风能转化成电能的装置，又风吹动风力机带动变速箱，这样发电机就被快速带动转起来，风力发电机把风能转化成电能的工作过程如图2.1所示。空气流动造成一定气压差形成风力作用在风机的叶片上，带动变速箱中的齿轮传动装置旋转起来，与齿轮结构连接的风力发电机在旋转扭力的作用下旋转，切割磁感线，最终把机械能转化为电能输出。

图2.1 风力发电能量转化图

2.3 风力发电系统结构及组成

在该风力发电系统中主要由风力机、发电机、变流器、储能装置（蓄电池组）、逆变器和控制系统组成。液晶显示部分，温湿度测量部分、控制执行以及电源供电部分等几个模块组成，系统的结构组成框图如图2.2所示。

图2.2 系统结构组成框图

在图中的几个主要的模块中，储能蓄电池组在风力发电的推广应用中是关键的组成部分。因为风力发电太阳能发电一样都是随机性比较强，风速的变化难以预测，波动性很大，就会造发出的电压有很大的波动，这样的波动会对用电器造成很大的损害，所以就需要给风力发电系统配上一定容量的电池组，作为发电系统的储能部分，风力发电机发的电充到储能设备中，再逆变装置把蓄电池中的电能逆变为需要的交流电去为负载供电，保证了供电的电能的质量，保证了用电设备的安全，所以逆变是设计中的重要部分，用于风力发电系统的风力发电逆变器主要是接受来自蓄电池组的直流电能，将其转化为满足接入负载工作要求的工频正弦波电流，为当地负载用电器供电。

2.4 逆变电路设计原理

全桥逆变电路可以认为是由2个半桥逆变电路组成的，在单相电压型逆变电路中是应用最多的电路，主要用于大容量场合。在相同的直流输入电压下，全桥逆变电路的最大输出电压是半桥式逆变电路的2倍。这意味着输出功率相同时，全桥逆变器的输出电流和通过开关元件的电流均为半桥式逆变电路的一半。单相全桥逆变器启动的先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值，而欲使电感电流能按照给定的波形和相位得到控制，必须保证在运行过程中，直流侧电压不低于负载需求电压的峰值，否则，续流二极管将以传统的整流方式运行，电感电流不完全可控。其电路图如2.3所示。

图2.3 逆变的拓扑结构图

单相全桥逆变器中L

为交流输出电感，Cdc为直流侧支撑电容，也即前级

Boost电路的输出电容，Q

2-Q

是主开关管IGBT，对四个开关管进行SPWM控制，

就可以调节输出电流i

为正弦波，并且与电网电压Ug保持同频同相，达到输出功率因数为1的目的。

2.5 本章小结

本章首先介绍了风力发电的原理，从系统的结构组成对系统的重要组成部分进行了划分，重点分析了风力发电系统的组成和工作过程，并给出了系统的结构和原理框图，介绍了储能装置在风力发电系统中的必要性，对由蓄电池为家用电器提供电能，需要逆变为交流电的逆变原理做了详细分析。

3 风力发电系统逆变器方案与硬件设计

3.1 风力发电系统的总体方案设计

本设计决定采用无变压器的两级结构，储能装置通过 DC/AC 逆变器直接与负载相连。在本系统中，为了提高系统的整体效率， DC/AC 逆变器采用单相逆变全桥，作用是将蓄电池直流电转换成24V/50Hz 正弦交流电，实现向负载输送功率。DC-Bus 的作用除了连接DC/DC 变换器和DC/AC 逆变器，还实现了功率的传递。系统主电路拓扑如图3.1所示。

图3.1系统主电路拓扑图

3.2 逆变器的设计

DC-AC 部分，采用单相全桥逆变电路，将蓄电池输出的48V 直流电转换成24V/50Hz 正弦交流电，完成逆变向负载用电器输送功率。风力发电逆变器实现风力发电家用的普及，满足了家用电器正常工作必须满足要求：输出电压与设计要求的输出电流电压的一致，而且其输出还应满足家用对电能质量要求，这些都依赖于逆变器的有效的设计。

逆变按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方法。本文所设计的风力发电家用小型逆变器就是采用电压源输入、电流源输出的控制方式。逆变器的输出采用电流控制时，其控制方式有很多种类型，较为常见的电流控制方式是电流滞环比较方式、平均值电流控制法、正弦波脉宽调制技术。

本文设计中采用的改进型SPWM 并网逆变电流跟踪方式。

*i 是电流给定信号，i 是实际的并网电流，)(1s G 是PI 调节环节，)(2s G 是逆变环节，)(3s G 是滤波环

节，)(4s G 是电网电压前馈环节。其控制框图如图3.2所示。

图3.2 改进型SPWM 并网逆变电流控制框图

PI 控制器传递函数为s K s K s G i

p +=)(1，逆变器传递函数为L

R Ls s G +=1)(2,滤波器传递函数为spwm K s G =)(3。在并网系统中，电网电压可视为扰动信号，则并网系统的开环传递函数为：spwm L

p K R Ls s K s K s G ?+?+=1)(。若不考虑采用电网电压的前馈补偿，则电网电压对并网电流的影响可以用下式表示：

)()

(1)()(3s U s G s G s I n +=,若考虑电网电压的前馈补偿，则电网电压对并网电流的影响可以用下式表示：)()(1)]()(1)[()(1243s U s G s G s G s G s I n ++=

，其中)(1s G 是电网电压前馈补偿后的开环传递函数。若令0)(,)

(1)(24=-=s I s G s G 则有：。由此可以看出：通过电网电压的前馈控制，可以使得电网电压对输出电流的影响为零，从而在理论上达到了全补偿的要求。简单的说就是在系统中加入电压前馈补偿可以减少电网电压对并网电流的影响。

3.3 逆变控制单片机选择

风力发电逆变器系统主控器件选用STC89C52RC 单片机，同时输出控制信号驱动强电控制与驱动电路工作。

一个设计主控芯片不是说一定要选择好的芯片，而是要选择最合适的主控芯片。如果选择的芯片太差会影响系统的正常工作，如果选择的太好又会造成

浪费，本设计中主控芯片主要有如下两种选择方案。

(1) 该方案中使用最简单的51单片机，51单片机是大学中接触最多的单片机，也是使用最多的单片机，同时这种单片机的各种资料也比较齐全。考虑到本设计中主要要使用单片机的串行口与温湿度模块通信，然后控制液晶屏进行显示，这对单片机的要求并不是特别高，51单片机完全可以满足要求。所以本设计选择方案一。

(2) 该方案可以选择用PIC单片机，PIC单片机采用精简指令集，使用哈佛双总线结构，具有指令集简洁，简单易学，速度快功能强，功耗低等一系列优点。但是考虑到本设计51可以满足要求，而且个人之前并未深入了解该单片机，所以并未采用该方案。

STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。单片机作为该系统的核心控制部分，其工作的稳定性将直接决定该系统的稳定性。本设计使用的是STC公司生产的STC89C52单片机，该单片机负责作为逆变电路的主要控制部分。其单片机最小系统原理图如图3.4所示。最小系统中主要包括时钟电路和复位电路两部分。

图3.4 STC89C52引脚图

3.4 电源模块

供电部分能否提供稳定的供电电压直接决定系统能否正常工作。单片机和其他器件要求有稳定的工作电压才能正常工作。本设计的电源模块主要是将12V电压通过7805稳压模块稳压输出5V供系统使用。其电路原理图如图3.5所示。在图中12V电压经过电容滤波输入到7805的输入端，7805的输出电压经过滤波可已得到稳定的5V电压。

图3.5电源电路图

3.5 SPWM产生电路

设计的风力发电系统的逆变器需要有控制信号对其进行控制，设计采用的是SPWM进行控制，是学习电力电子时学习的一种控制方法，就需要设计一个能够产生SPWM波的电路，能够调整PWM博得占空比，来控制系统电池和逆变器输出的电流，为用电器提供合理的工作电压和电流，由于单片机能够输出

PWM，所以在设计的时候就利用软件去实现，利用单片机的定时器产生可以调节的PWM波。在调节的模式下，单片机的OCR1A能够允许输出的PWM波正好与OCR1B输出的PWM波在相位上相反，正好保证了SPWM波的控制。

3.6 MOSFET驱动电路

在设计逆变器中国使用了很多的MOSFET，这些功率管相互配合才能够完成逆变，但是MOSFET正常工作的条件是需要有驱动电源。所以就需要设计驱动电路去实现对功率管的驱动，单片机能够为MOSFET的栅极提供控制信号，当单片机的引脚输出高电平时，如图中的三极管Z1导通，MOSFET的栅极驱动信号就会由于三极管的导通而变成低电平，功率管从导通状态变成截止状态，使用MOSFET 的时候必须注意工作电压不能超过20V，所以在图中设计了另个分压电阻，R13和R14，两者分压后产生的分压去驱动功率管，可以保证正常工作，不会因为电压高而被烧毁，整个驱动电路的设计如图3.6所示。

图3.6功率器件的驱动电路

3.7 本章小结

本章首先介绍了风发电力系统设计的总体方案，对逆变器的电路选择做了详细的分析，结合实际的设计需求和家用电器的功率需求对逆变器进行了方案设计。设计的硬件平台从经济性上考虑选择STC852单片机，并对其他硬件模块进行了设计。

4 逆变器仿真与调试分析

4.1 仿真模型建立

MATLAB作为一款综合的数学计算软件，具有数值计算、符号计算、数据分析和可视化、文字处理、Simulink动态仿真等多方面的功能。Simulink是MATLAB的进一步扩展，是一个对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，并且在动态系统建模和仿真方面得到广泛的应用。整个仿真平台都是基于模型化图形组态的动态系仿真软件，实现了可视化的动态仿真，操作界面做的比较简洁直观，能够让研究人员清晰的获取自己的结果，从而进行分析，Simulink 中的SimPowerSystems是在整个系统中有着重要的地位，特别是在电力系统的仿真中，对研究人员的研究提供了可靠的仿真工具，而且与其他工具相比具有很大的优势，特别是直观的模拟信号的图形显示。它主要包括六个子模块库：这些模块能够在仿真时直接调用，修改参数就可以保证，系统的完整功能电源模块、基本件模块库、电力电子模块库、电机模块库、测量模块库和附加电气系统模块。其是专门针对电力系统而设计的仿真软件模块，它的元件模型比较多，功能比较全面，目前许多电力系统的研究工作用它做仿真分析。为了对并网逆变系统重要观测点的电压和电流有直观的认识，本章采用的是MATLAB2010b中的Simulink对逆变器部分进行补偿仿真，建立了电压型输入电流型输出的单相并网逆变系统在闭环控制状态下的Simulink仿真模型如图4.1所示。

图4.1风力发电逆变系统仿真模型

其中仿真参数：直流电压DC为48V，用电器电压为24V50Hz，滤波器参数为Ω

L。

=01

4.2 仿真结果分析

电压型输入电流型输出的单相并网逆变系统控制仿真结果如图 4.2-图 4.3所示。

图4.2 逆变器SPWM波

图4.3 逆变器端的电流与电压波形

从仿真波形上可以看出逆变后的电流电压满足设计指标要求，总的功率能够保证大于100W，能够为用电器提供充足的能量和功率需求。

4.3 系统实验测试分析

首先将单片机按照相应的电压电流进行通电。严格按照电压电流标准操作，并且在操作前去静电，否则芯片被击穿不能正常工作，需要确认单片机能正常工作。测试平台如图4.2所示。