太陽能發(fā)電畢業(yè)設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　風光互補發(fā)電是利用風能和太陽能的資源互補特性，將間歇性的風能和太陽能通過有效的轉化、儲存、控制等手段，形成穩(wěn)定的電力輸出。發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)獨立設計，是整合后系統(tǒng)穩(wěn)定性差的根本原因，也是目前該行業(yè)的技術壁壘。</p><p>　　本文采用推挽式DC/DC變換電路，將12V左右的直流轉換為后級

2、逆變所需的14V直流，再經過整流濾波電路得到一組直流電。采用SG3525芯片作為DC/DC電路的主控元件，進行開關管的PWM控制，結構簡單轉換效率高；后級采用推挽式DC/AC逆變電路，選用ICL8038型作為開關器件，器件功耗低、轉換效率高等特點。為了實現輸出電流的并網輸電，其輸出電流必須滿足與電網電流同頻、同相的特點。為了提高并網逆變器的穩(wěn)定性和安全性，本文設計了過壓保護、過流保護、過熱保護、直流反接保護等一系列保護功能。</p

3、><p>　　關鍵詞：風光互補;控制電路;逆變電路;過壓保護</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Wind power is the use of wind and solar energy resources complementary properties, the intermittent wind an

4、d solar power through efficient conversion, storage, control and other means, the formation of stable power output. Power systems, control systems, energy storage systems independent design, the system is the integration

5、 of the root causes of poor stability, is currently the industry's technical barriers.</p><p>　　In this paper, push-pull DC / DC converter circuit, about 12V dc conversion needed for the post-stage inver

6、ter 14V DC, through the rectifier filter circuit to get a group of DC. Using SG3525 chip as the DC / DC circuit of the master element for PWM control of the switch, simple structure, high conversion efficiency; later sta

7、ge push-pull DC / AC inverter circuit ICL8038 type used as a switching device, the device is low power consumption conversion efficiency. In order to achieve the output curr</p><p>　　Keywords: wind and solar

8、; control circuit; inverter circuit; overvoltage protection</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　目錄3</b></p><p>&l

9、t;b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景與研究意義1</p><p>　　1.2 太陽能和風能發(fā)電的研究現狀2</p><p>　　1.2.1 國內外風力發(fā)電的研究現狀2</p><p>　　1.2.2 國內外太陽能發(fā)電的研究現狀2</p><p>　　1.3

10、風光互補發(fā)電系統(tǒng)的應用3</p><p>　　第二章 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的構成和工作原理4</p><p>　　2.1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的工作原理4</p><p>　　2.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)4</p><p>　　2.2.1太陽能光伏發(fā)電的工作原理4</p><p>　　2.2.2 太陽能陣列的等效電路5

11、</p><p>　　2.2.3 太陽能陣列的輸出參數6</p><p>　　2.3 風力發(fā)電部分7</p><p>　　2.3.1 風力發(fā)電機的組成及類型7</p><p>　　2.3.2 風力發(fā)電機的種類7</p><p>　　2.3.3 風機輸出特性8</p><p>　　2.4

12、 蓄電池設計8</p><p>　　2.4.1 蓄電池的類型8</p><p>　　2.4.2蓄電池工作狀態(tài)9</p><p>　　2.4.3蓄電池的參數選定9</p><p>　　第三章 風光互補整流逆變系統(tǒng)11</p><p>　　3.1整流器及逆變器設計11</p><p>　

13、　3.2 DC/DC變換器設計12</p><p>　　3.2.1 DC/DC降壓式變換器設計12</p><p>　　3.3 DC/DC升壓式變換器設計13</p><p>　　3.2.1 DC/DC升壓變換器輸入與輸出電壓的關系15</p><p>　　3.2.2 DC／DC升壓變換器硬件參數計算16</p>&l

14、t;p>　　3.4 DC/AC逆變器的設計18</p><p>　　3.4.1 推挽式電路的元件19</p><p>　　3.4.2 開關元件的選擇19</p><p>　　3.4.3 輸出濾波器的選擇20</p><p>　　第四章 控制電路21</p><p>　　4.1 DC/DC變換電路的控制模

15、塊設計21</p><p>　　4.1.1 主控芯片的選擇21</p><p>　　4.1.2 控制芯片外圍電路設計22</p><p>　　4.2 DC/AC逆變電路的控制模塊設計23</p><p>　　4.2.1主控制電路的設計23</p><p>　　4.2.2 控制信號發(fā)生器24</p&g

16、t;<p><b>　　結 論26</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p><b>　　謝 辭28</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 研究背景與研

17、究意義</p><p>　　能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎。隨著社會經濟的快速增長，能源需求大幅度增加，所以能源的供需有了很大的矛盾突出。利用太陽能、風能、潮汐能等可再生能源發(fā)電具有干凈、環(huán)保、經濟等特點，有效的緩解能源矛盾成為全世界研究的熱門課題。</p><p>　　早期小型風光互補發(fā)電是在偏遠貧窮地區(qū)應用在自然條件好，成本低、造型不要求美觀、技術要求不高，用來解決家庭照明

18、和電視等通用家電的用電問題；隨著社會經濟的發(fā)展，逐漸轉入經濟發(fā)達的地區(qū)使用，自然條件相對較差，成本相對較高，造型要求完美。應用不斷同時為技術的發(fā)展?jié)M足市場提供了基礎。隨著地區(qū)環(huán)境差異和需求差異較大，對風光互補發(fā)電技術要求增加。</p><p>　　無論是風力發(fā)電系統(tǒng)還是太陽能發(fā)電系統(tǒng)，都受到自然資源的制約；不僅在地域上差別迥異，而且隨時間變化具有很強的不確定性，我們稱之為不確性能源。風力發(fā)電具有問歇性瞬時變化的特

19、點，光電則具有隨季節(jié)與天氣變化而變化的特點。資源的不確定性導致了發(fā)電與用電負荷的不平衡，必須對其進行有效的轉化、存儲與控制才能實際使用。</p><p>　　風光互補發(fā)電技術是綜合了小型風電技術和太陽能技術，同時綜合了各種應用領域的新技術。單獨的風能和單獨的太陽能都有其開發(fā)的弊端，而風力發(fā)電和太陽能發(fā)電兩者互補性的結合，實現了兩種新能源在自然資源的配置、技術方案的整合、性能與價格的對比方面都達到了對新能源綜合利用

20、的最合理；不但降低了滿足同等需求下的單位成本，而且擴大了市場的應用范圍，還提高了產品的可靠性。</p><p>　　在偏遠地區(qū)，獨立供電系統(tǒng)成為人們最需要的電源，需要低成本、高可靠性的獨立電源系統(tǒng)。在此種環(huán)境下風光互補供電系統(tǒng)較為合理，因為現代能源服務尚不能達到的地方往往是蘊藏著豐富風能和太陽能資源的地方。而且風、光互補系統(tǒng)本身獨有的一些性質也恰好與這些地區(qū)的自然條件相吻合。因此對于滿足偏遠地區(qū)能源需要和中國貧困

21、地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，風光互補發(fā)電是一項關鍵的能源建設技術。</p><p>　　由于風能和太陽能都有間歇性的特點，所以利用風力、太陽能互補發(fā)電是一種比單一風力或太陽能發(fā)電更經濟更有效的發(fā)電方式，從事風力／太陽能互補發(fā)電的研究較少，尚處于起步階段。課題的研究具有較好經濟和社會意義。</p><p>　　1.2 太陽能和風能發(fā)電的研究現狀</p><p>　　1.2.1

22、國內外風力發(fā)電的研究現狀</p><p>　　人類利用風力進行發(fā)電已有近百年的歷史，但由于技術和經濟等方面的原因，風力發(fā)電一直沒用得到大規(guī)模的推廣和應用，直至1973年石油危機的爆發(fā)世界各國才加大了對風力發(fā)電的投入，致使風能的應用得到了飛速發(fā)展。通過近30年的研究與發(fā)展，風力發(fā)電技術日趨成熟，發(fā)電成本也在穩(wěn)步下降，風電產業(yè)在全球范圍內已成為一個蓬勃發(fā)展的新能源產業(yè)。</p><p>　　丹

23、麥是最早利用風力發(fā)電的國家，風電的水平處于世界領先地位，風能人均擁有量居世界首位，其風力發(fā)電占本國電力的20％。據歐洲風能協(xié)會報告稱，2012年歐盟風電裝機新增925．9萬kW，比2010年下降10％，累計裝機容量為8400萬kw，風電裝機容量占電力總裝機容量的16．7％，能滿足歐盟5．3％家庭的電力需求。據歐洲風能協(xié)會預測，風力發(fā)電成本將會繼續(xù)降低，2020年有望達到3美分／度。美國政府承諾長期支持風力發(fā)電，將投資數十億美元，計劃到2

24、030年風力發(fā)電總容量累計增加到3050萬kW，屆時美國20％的電力需求將由風電提供。</p><p>　　我國的風力發(fā)電開始于上世紀70年代，當時主要研制和開發(fā)小型風力發(fā)電機，滿足偏遠地區(qū)農牧民和漁民的用電需求。90年代以后才開始發(fā)展并網型大功率風電機組，隨著廣東南澳，新疆達坂城，內蒙古錫林浩特，遼寧東崗，福建平潭，河北張北，山東長島，浙江泅礁等一系列風電場的建立，大型風力發(fā)電機也逐步實現了國有化生產，形成了一

25、批以華銳風電、金風科技和東方電氣為代表的具有國際競爭力的風電龍頭企業(yè)。預測，2020年我國風電累計裝機容量將達到2．3億kW。</p><p>　　1.2.2 國內外太陽能發(fā)電的研究現狀</p><p>　　目前，在太陽能發(fā)電的研究與利用方面，日本、歐盟和美國等發(fā)達國家處于世界領先地位。日本的太陽能電池產業(yè)實力雄厚，電池生產量居世界首位。在政府政策和資金的大力支持下，德國已形成了一個非?；?/p>

26、躍的光伏產業(yè)，為各國光伏產業(yè)的發(fā)展樹立了典范。</p><p>　　我國光伏的發(fā)展相對較晚，70年代的小規(guī)模研究主要應用于航天工業(yè)，直到90年代才進入穩(wěn)步發(fā)展的時期，進行了“光明工程"、“西藏阿里光伏工程"、西藏“陽光計劃’’等一系列先導項目。2002年，國家開展了“送電下鄉(xiāng)"工程，中央和地方財政共投入47億元的資金，解決了1065個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的用電問題。在國際光伏市場的強大需求拉動下，我

27、國的光伏產品生產能力得到了迅猛的增強，形成了一批以無錫尚德、保定天威英利、江西賽維為代表的具有國際競爭力和知名度的光伏電池生產企業(yè)。</p><p>　　隨著光伏發(fā)電應用規(guī)模和范圍的不斷擴大，光伏并網發(fā)電示范工程也有了快速的發(fā)展。2004年中科院電工研究所在深圳園藝博覽會建立了一座1000kW的光伏并網電站。浙江義烏國際商貿城三期工程成為國內最大的在單一屋頂上建立的太陽能光伏電站，容量達到了1295kW。在上海世

28、界博會上，光伏建筑一體化并網系統(tǒng)得到了廣泛的應用，中國館、主題館、世博中心及南市電廠上的安裝容量達到了4500kW。</p><p>　　1.3風光互補發(fā)電系統(tǒng)的應用</p><p>　　在新能源的開發(fā)利用中，風能和太陽能得到極大的重視，在世界各國政策的推動下，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的開發(fā)利用得到快速發(fā)展。風能是受到季節(jié)、地理和天氣等很多因素的制約。太陽能與風能有很強的互補性，白天太陽光最強

29、時，風小，晚上光照很弱，但由于地表溫差變化大而風能加強。在夏季，光照強度大而風小，冬季，光照強度弱而風大。風光互補發(fā)電系統(tǒng)實現太陽能與風能的完美互補，揚長避短，就能使得兩種新能源充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高了供電可靠性。</p><p>　　風光互補發(fā)電系統(tǒng)包括：風機、發(fā)電機、太陽能電池組、蓄電池、控制器(包括整流器、逆變器等)，將風能和太陽能轉化為電能，存儲在蓄電池組中，為交流或直流負載供電。風光互補發(fā)電系統(tǒng)采用的風機

30、功率在幾百瓦到十千瓦之間；發(fā)電機廣泛采用直驅永磁同步電機，省去了勵磁設備和齒輪箱，簡化了結構的同時又提高了系統(tǒng)可靠性。</p><p>　　風光互補發(fā)電與單獨的風力發(fā)電或光伏發(fā)電相比較，有以下優(yōu)點：</p><p>　　1)利用風能和太陽能的互補特性，能獲得比較穩(wěn)定的總電能輸出，風光互補發(fā)電系統(tǒng)具有較高的供電穩(wěn)定性和可靠性；</p><p>　　2)在保證同樣供電量

31、的情況下，將顯著減少蓄電池的容量和數量；</p><p>　　3)在混合發(fā)電系統(tǒng)中，通過合理的設計和功率匹配，基本上可以由風光互補發(fā)電系統(tǒng)供電，很少或基本不用啟動備用電源如柴油發(fā)電機等，可以獲得良好的社會效益和經濟效益。</p><p>　　第二章 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的構成和工作原理</p><p>　　2.1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的工作原理</p><

32、;p>　　小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)由風力機、永磁同步發(fā)電機、整流器、光伏電池陣列、DC／DC變換器、蓄電池組、逆變器、控制器、直流負載和交流負載等部分組成。</p><p>　　圖2.1為小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)框圖</p><p>　　小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)具體工作原理如下：垂直軸風力機將風能轉化成機械能，其輸出的機械功率直接驅動永磁同步發(fā)電機，將機械能轉化成電能，電能經整流穩(wěn)壓和DC／DC

33、變換將電能以化學能的形式儲存在蓄電池組中；光伏電池組將白天的太陽能轉化成電能，經DC／DC轉換把電能儲存在蓄電池組中。蓄電池組的能量可以直接供直流負載使用，也可以經逆變器逆變成工頻交流電為交流負載供電。</p><p>　　2.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　2.2.1太陽能光伏發(fā)電的工作原理</p><p>　　太陽能是諸多可再生能源的一種，太陽能能直接

34、的轉化和利用。通過轉換裝置把太陽能轉換成熱能在利用屬于太陽能熱利用技術，再利用熱能實現發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也是一個新的技術領域；通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術，光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光伏效應原理進行光電轉換的，因此又稱太陽能光伏技術。</p><p>　　有光照時，P-N結內將產生一個附加電流(光電流)，其方向與P-N結反向飽和電流相同，一般≥。此時</p>

35、;<p>　　開路電壓：光照下的P-N結外電路開路時P端對N端的電壓，即上述電流方程中I=0時的U值：，于是有</p><p>　　短路電流：光照下的P-N結，外電路短路時，從P端流出，經過外電路，從N端流入的電流稱為短路電流.即上述電流方程(2．1)中U=0時得=</p><p>　　與是光照下P-N結的兩個重要參數，在一定溫度下，與光照度E成對數關系，但最大值不超過接觸電

36、勢差。弱光照下，與E有線性關系。</p><p>　　太陽能電池目前大量使用的是以硅為基底的硅太陽能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池。在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。</p><p>　　太陽能電池單體是光電轉換的最小單元，尺寸一般為4~100cm，太陽能單體的工作電壓約為0﹒45~0．5V，工作電流為20~25mA，一般不能單獨作為電

37、源使用。太陽能電池組件再經過串并聯(lián)并安裝在支架上，就構成了太陽能電池方陣，可以滿足負載所需要的輸出功率。</p><p>　　2.2.2 太陽能陣列的等效電路</p><p>　　太陽能電池特性與太陽輻射強度S和太陽能電池溫度T有極大關系，即I=f(U，S，</p><p>　　T)。采用單結晶硅為材料的太陽能電池電路原理如圖2．1所示。</p>&l

38、t;p>　　圖2．2太陽能電池等效電路原理圖</p><p>　　由圖2．2的太陽能太陽能電池等效電路得出：</p><p>　　=—— (2-3)</p><p>　　其中： 是太陽能模塊輸出電流，是光生電流，是流過二極管電流，是太陽能模塊漏電流。</p><p>　　2.

39、2.3 太陽能陣列的輸出參數</p><p>　　每天有陽光的照射為6小時，風力發(fā)電機和太陽能電池組件都不發(fā)電最對可達到 2 天。太陽能電池板最多3天不發(fā)電。</p><p>　　( 220 * 70% * 90%C + 6 * 4) / P = 4 * 12</p><p><b>　　= 235.6 W</b></p><

40、;p>　　選用5 W 單晶硅太陽能電池組件，其主要技術參數為額定峰值功率 5 W ，額定峰值電壓 18 V ,額定峰值電流 0.28 A。</p><p>　　太陽能電池組件串聯(lián)數為= + </p><p>　　式中是蓄電池的浮充工作電壓，取DC 303 V ，為串聯(lián)回路線路電壓降，取 3 V；為光伏電池組件的峰值電壓，取18V. </p><p>　　=

41、(303 + 3) / 18 =17 塊</p><p>　　太陽能電池組件并聯(lián)數 為</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中，P為太陽能電池方陣功率；為太陽能電池方陣組件串聯(lián)數；為太陽能電池組件峰值功率。</p><p>　　= 235.6/(17*5)=2.77 = 3 組</

42、p><p><b>　　太陽能組件實際數為</b></p><p>　　N = * = 17 * 3 = 51 塊</p><p>　　太陽能電池組件實際總功率為</p><p>　　W = * * = 3 * 17 * 5 = 255 W</p><p>　　實際配置260W的太陽能電池組和

43、額定電壓為8V。（4個一串聯(lián)，并聯(lián)13組）</p><p>　　天陽能電池方陣間距為</p><p>　　D = 0.707H/tan[arcsin(0.648*cosɑ-0.399sinɑ)]</p><p>　　呼市北緯度為30°即 ɑ = 30° + 5° = 35° </p><p>　　H

44、 = 1480 mm</p><p>　　計算結果為D = 3300mm</p><p><b>　　逆變器容量的選擇：</b></p><p>　　負載功率為= 200 W , N 為用電同時率 80%，M 為各負載不平衡系數取1.2 , S 為負載功率因數0.8， 為逆變器效率取 0.85 。</p><p>　　=

45、 (200 * 0.8 * 1.2 ) / (0.8 * 0.85)</p><p>　　= 282.4 V·A</p><p>　　可選用150V·A單相逆變器（額定電壓12V）3臺，其中一臺備用。</p><p>　　2.3 風力發(fā)電部分</p><p>　　2.3.1 風力發(fā)電機的組成及類型</p>&

46、lt;p>　　從風能轉換的角度來看，風力發(fā)電機組包括兩個部分：其一是風力機，它的功能是將風能轉換成機械能；其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉換成電能。</p><p>　　風力發(fā)電機的種類和式樣很多，但由于風力發(fā)電機將風能轉變成機械能的主要部件是受風力作用。因此，風力發(fā)電機根據風輪白塑結構及其在氣流中的位置大體上可分成兩大類：一類為水平軸風力機，風輪圍繞一個水平軸旋轉；另外一類為垂直軸風力機，風輪圍繞一個垂

47、直軸而旋轉。</p><p>　　2.3.2 風力發(fā)電機的種類</p><p>　　風力發(fā)電機分直流發(fā)電機和交流發(fā)電機兩種。</p><p><b>　　1．直流發(fā)電機</b></p><p>　　(1)電勵磁式直流發(fā)電機主要有他勵、自勵和復勵幾種形式。小型直流發(fā)電系統(tǒng)大都用于1KW以下的微、小型風力發(fā)電裝置，與蓄電池儲

48、能配合使用。這種直流發(fā)電系統(tǒng)在風速變化時，一般通過調節(jié)勵磁來保持輸出電壓的恒定。</p><p>　　(2)永磁式直流發(fā)電機這種發(fā)電機主要是勵磁不可調節(jié)，結構較電勵磁式直流發(fā)電機簡單。系統(tǒng)采用輸出電壓隨風速變化的系統(tǒng)，在發(fā)電機和負載間設置儲能設備(如蓄電池)和整流、逆變設備來變換，以滿足用戶對輸出電壓的要求。</p><p><b>　　2．交流發(fā)電機</b><

49、/p><p>　　交流發(fā)電機主要有兩種，一種是同步發(fā)電機，一種是異步發(fā)電機。前者運行于電機極數和頻率所決定的同步轉速，后者則以稍高于同步速成的轉速運行。主要有感應發(fā)電機發(fā)電模式、硅整流自勵交流發(fā)電機發(fā)電模式、無刷爪極自勵發(fā)電機發(fā)電模式、永磁發(fā)電機發(fā)電模式。</p><p>　　本文根據實際情況，選用交流永磁發(fā)電機。在風力發(fā)電機發(fā)電時，將所發(fā)交流電整流，變換成可控直流電給蓄電池充電。在風力發(fā)電機

50、發(fā)電使蓄電池充滿電后，減少或停止繼續(xù)給蓄電池充電。將卸荷負載接入以防風力發(fā)電機飛車，還將多余電能消耗掉，達到功率平衡的目的。</p><p>　　2.3.3 風機輸出特性</p><p>　　風力發(fā)電機發(fā)出單相的交流電，經AC/DC逆變器轉換，把直流轉換成交流，在經DC/DC進行升壓整流給蓄電池充電。因此風力發(fā)電機的輸出電壓一定要滿足蓄電池的充電電壓。</p><p&g

51、t;　　風力發(fā)電機的參數計算：</p><p>　　風光互補發(fā)電系統(tǒng)總功率P=200 / 85% = 235.3 W</p><p>　　風力發(fā)電機和太陽能電池組件都不發(fā)電最對可達到 2 天。</p><p>　　太陽能電池板最多3天不發(fā)電。</p><p>　　風力發(fā)電機最多4天不發(fā)電。</p><p>　　風力發(fā)電

52、機功率(每天刮風4小時呼和浩特市年平均風速為3.9m/s)</p><p>　　(220 * 70% * 90%C + 4 * 3) / P = 3 * 12</p><p>　　= 236.4 W </p><p>　　實際配置一臺 200 W 的風力發(fā)電機。額定輸出電壓12 V.</p><p><b>　　2.4 蓄電池設計&

53、lt;/b></p><p>　　蓄電池是一種儲能元件，用于儲存電能，對外放電后以對內部電能進行補充(充電)，而且充電過程可以反復多次進行。蓄電池的種類很多，目前性能比較好的有鉛酸蓄電池、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較高，容量大，放電性能好，無記憶效應，原材料來源豐富，可循環(huán)使用等優(yōu)點，而得到了廣泛的應用</p><p>　　2.4.1 蓄電池的

54、類型</p><p><b>　　1.蓄電池的分類</b></p><p>　　蓄電池根據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。</p><p>　　a.堿性蓄電池：堿性蓄電池采用堿性溶液作為電解液，根據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。</p>&l

55、t;p>　　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。</p><p>　　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。電解液可用無機鹽——有機溶劑體系或是固體、膠態(tài)電解質。</p><p>　　本設計采用鉛酸蓄電池。</p><

56、;p>　　2.4.2蓄電池工作狀態(tài)</p><p>　　蓄電池的工作狀態(tài)一般可分為放電狀態(tài)、充電狀態(tài)和浮充狀態(tài)等三種。放電狀態(tài)是指蓄電池釋放出儲備的化學能，將其轉變?yōu)殡娔艿臓顟B(tài)；充電狀態(tài)是將電能轉化為化學能進行儲蓄的狀態(tài)；浮充狀態(tài)指的是蓄電池充電完成后，繼續(xù)保持以一定化學能儲存能量的工作狀態(tài)。鉛酸蓄電池循環(huán)工作中的電壓、電流以及溫度的變化特性曲線如圖2.3所示。</p><p>　　

57、圖2.3 鉛酸蓄電池電壓電流及溫度的變化曲線</p><p>　　2.4.3蓄電池的參數選定</p><p>　　1）蓄電池的工作環(huán)境氣溫應保持在5~30°C。</p><p>　　2）蓄電池的外觀無變形損壞。</p><p>　　3）蓄電池的并聯(lián)組數最多不得超過6組。</p><p>　　4）220V蓄電池

58、充、放電電壓；</p><p>　　70%為蓄電池放電深度；</p><p>　　90%為蓄電池誤差余量。</p><p>　　蓄電池總容量的計算為：</p><p>　?。?20 * 70% * 90% * C）/ P = 2*12</p><p>　　C = 40.7 W·h =3.4*12A·

59、h</p><p>　　蓄電池串聯(lián)的塊數為 220/12 = 19塊</p><p>　　單位蓄電池總容量選型 3.4/19 = 0.2 A·h</p><p>　　實際蓄電池組總容量為 0.2 * 12 * 19 = 45.6 W·h。</p><p>　　表2-1 200W風光互補供電系統(tǒng)配置</p>&

60、lt;p>　　第三章 風光互補整流逆變系統(tǒng)</p><p>　　風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器應該既能夠將蓄電池輸出的穩(wěn)定的直流電能變換電能，又能夠將風力發(fā)電機和光伏電池組件輸出的直流和交流電能轉換為穩(wěn)定的直流電能。 本文設計的逆變器先把輸入的直流電壓通過升壓電路升壓到14V之后再給蓄電池進行充電，然后再經過DC/AC轉化為交流電能。</p><p>　　圖3.1為風光互補發(fā)電系統(tǒng)的整流

61、逆變系統(tǒng)</p><p>　　3.1整流器及逆變器設計</p><p>　　整流器是將交流電轉換成直流電的電子器件。整流器根據發(fā)電系統(tǒng)容量的不同可分為可控型和不可控型整流器兩種?？煽匦驼髌骶哂薪Y構簡單、消耗功率小、成本低等優(yōu)點，普遍應用在小功率的發(fā)電系統(tǒng)中。不可控型整流器普遍采用大功率二極管，由于二極管具有單向導通的特點，在風力發(fā)電機的輸出功率較小時，可以有效防止蓄電池對風力發(fā)電機的反向

62、放電。本文采用的是單相不控整流橋電路。電路圖見圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 單相不可控整流橋電路</p><p>　　逆變器是通過控制半導體功率器件的工作狀態(tài)，將直流電轉換成交流電的裝置。風光互補發(fā)電系統(tǒng)經常處于空載或輕載的工作情況下，因此需要逆變器提供較高的空載和輕載效率。逆變器的輸入為蓄電池的輸出。</p><p>　　3.2 DC/DC變換器設

63、計</p><p>　　DC/DC變換器是通過控制半導體器件的導通和關斷時間，再配合電感、電容或變壓器等器件，將一個固定的直流電壓變換為所需要直流電壓的裝置。我們學過DC/DC變換器可分為升壓型(Boost)、降壓型(BuCk)、升降壓型(B00st．Buck)、庫克型(Cuk)四種。</p><p>　　3.2.1 DC/DC降壓式變換器設計</p><p>　　

64、本文選用Buck型DC/DC變換器，結構如圖3.3。工作原理：當開關管處于導通狀態(tài)時，二極管截止，系統(tǒng)通過電感向負載提供能量，同時電感也儲存一定的能量；當開關管處于關斷狀態(tài)時，電感兩端的電壓極性發(fā)生改變，釋放能量經二極管給負載續(xù)流，使輸出穩(wěn)定電壓。 </p><p>　　圖3.3 Buck型DC/DC變換器</p><p>　　通過控制開關管的占空比就可以控制從電源端傳輸到負載端的能量，電

65、壓關系如下：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，為開關管的導通時間，為開關的關斷時間，T為開關周期，為占空比。</p><p>　　假設三為無窮大電感，電路無能量損失，則有：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p&g

66、t;　　由公式（3-1）和（3-2）得</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　即可知：</b></p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　3.3 DC/DC升壓式變換器設計</p><p>

67、　　該電路圖和各點的工作波形如圖3.4和3.5圖所示。升壓式DC/DC變換器的主電路原理圖，它包括開關管vT、儲能電感L、濾波電容C和續(xù)流二極管VD四個元件。當</p><p>　　圖3.4 DC/DC升壓式變換器主電路圖</p><p>　　圖3.5 DC/DC變換器各點工作波形</p><p>　　開關信號Vi為高電平時，開關管VT則導通，電流從輸入端即儲能蓄電

68、池流入到儲存電感L中；此時VT導通飽和壓降很小，因此二極管D處于反偏而截止的狀態(tài)，濾波電容C中存儲的能量釋放出來供給負載。當開關信號Vi為低電平時，開關管VT則截止，因為儲能電感L的電流不會突變，它產生的感應電勢將彌補其電流減小，感應電勢使二極管D正偏而導通；同時存儲電感L的能量經過續(xù)流二極管D對濾波電容C進行充電，同時為負載提供電能。</p><p>　　3.2.1 DC/DC升壓變換器輸入與輸出電壓的關系&l

69、t;/p><p>　　可以假設儲能電感L充電回路的電阻很小，即其充電時間常數很大。當功率</p><p>　　開關管VT導通時，可以忽略開關管的導通壓降，通過儲能電感L的電流是近似</p><p><b>　　線性增加的。</b></p><p><b>　　（3-5）</b></p>&

70、lt;p>　　式中是流過電感L的電流，是流過儲能電感L的電流最小值。</p><p>　　在開關管VT導通結束時，流過電感流為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　流過電感L的電流的增量為·.</p><p>　　在功率開關管VT關斷時，續(xù)流二極管D正偏而導通，電感L兩端

71、的電壓為：</p><p><b>　　（3-7）</b></p><p>　　因此流過電感L的電流為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　當開關管VT截止結束時，流過電感L的電流為：</p><p><b>　　（3-9）<

72、/b></p><p>　　在充電電路達到穩(wěn)態(tài)之后，儲能電感L中的電流在功率開關管導通期間的增</p><p>　　量應等于在功率開關管截止期間的減量：</p><p><b>　　（3-10）</b></p><p><b>　　因此可以得出：</b></p><p>

73、;<b>　?。?-11）</b></p><p>　　上式q = 是PWM的占空比。由上式可知，通過控制占空比大小就可以得到所需的電壓；因為占空比始終小于1，所以輸出電壓總是大于輸入電壓升壓DC/DC</p><p>　　變換器也因此而得名。</p><p>　　圖3.6 DC/DC升壓變換器電路的構成</p><p>

74、;　　圖3.6是光伏發(fā)電的DC/DC升壓變換器，單片機依據風力發(fā)電、光伏發(fā)電情況以及蓄電池的狀態(tài)輸出PWM脈沖來控制DC/DC變換器來充電。</p><p>　　3.2.2 DC／DC升壓變換器硬件參數計算</p><p>　　升壓變換器的主要元件包括：儲能電感L、濾波電容C、功率開關管VT和續(xù)流二極管D。</p><p>　　(1)濾波電容C的參數計算</p

75、><p>　　在穩(wěn)態(tài)中，濾波電容C要在VT導通期間內為負載提供電流，假設期間濾波電容C的電壓降≤△，△是設計要求的紋波電壓。</p><p><b>　　則有：</b></p><p><b>　?。?-12） </b></p><p><b>　　又有：</b></p>

76、;<p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　由以上兩式可以得出：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　取=5A，=40V，=20V , f=50Khz,△Uo=1 V，按照上式計算得：C≥50uF。</p><p>　　實際電路中選

77、擇150μF/100V的電容。</p><p>　　(2)儲能電感L的參數</p><p>　　依據DC／DC升壓變換器的工作波形，儲能電感L電流可分為直流平均值和紋波分量。假設忽略變換器的內部能量損耗，則變換器的輸出能量等于變換器的輸入能量：</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p><b

78、>　　由上式推出：</b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　儲能電感L電流的紋波分量是三角波，期間，電流增量為+△I =,期間，電流減少量為-△I = ,；在穩(wěn)態(tài)情況下有：+△I=-△I,在選擇△I的數值時，一般要求電感的峰值電流要小于其最大平均電流的20％，以避免使電感飽和。實際電路設計中，選擇電感電流的增量為

79、：</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　　由上式可得：</b></p><p><b>　　（3-18）</b></p><p>　　取=5A，Uo=40V,=20V,f=50Khz,△按照上式計算得，L≥14．3uH。實際電路中，光伏發(fā)

80、電中DC／DC升壓變換器的電感選擇50μH10A：風力發(fā)電中DC／DC升壓變換器的電感選擇50 u H／25A。</p><p>　　(3) 功率開關管VT的選擇</p><p>　　功率開關管VT在工作中承受的最大電壓是，由于輸入電壓波動和電感的反峰尖刺電壓的影響，功率開關管VT的最大電壓要大于1.1×1.2開關管的最大允許工作電壓必須要留有充分的裕度，通常選擇1．1×

81、;1．2的(2~3)倍。開關管VT的最大允許工作電流通常選擇(2～3)。開關管的選型設計還要其驅動電路簡單、開關頻率要高、導通電阻要小。</p><p>　　(4)續(xù)流二極管D的選擇</p><p>　　在DC/DC升壓變換器電路中，二極管D最大反向電壓為，流過它的電流為輸入電流，因此在選擇二極管D時，二極管的額定電壓和額定電流均要留有充分的裕量。另外續(xù)流二極管D的導通電阻要小，開關頻率要

82、高，通常要選用快恢復二極管和肖特基二極管。</p><p>　　3.4 DC/AC逆變器的設計</p><p>　　逆變電路的常見結構有半橋逆變結構、全橋逆變結構、推挽逆變結構3種。半橋逆變電路具有結構簡單、使用元器件少的優(yōu)點，但在性能上存在明顯的缺陷：交流電壓幅值小、逆變效率低，存在較大的電能損耗；直流側需串聯(lián)兩個電容，且需調節(jié)兩個電容器電壓均衡，不便于控制。所以選擇推挽逆變電路作為DC

83、/AC部分的主電路結構。</p><p>　　圖3.7為DC/AC逆變電路圖</p><p>　　工作原理：其升壓變壓器接在正電源上，兩個功率管交替工作，得到交流電。由于功率晶體管共地邊接，驅動和控制電路簡單，變壓器有一定的漏感可以限制短路電流，有效地提高了可靠性。</p><p>　　3.4.1 推挽式電路的元件</p><p>　　根據風

84、光互補并網系統(tǒng)對逆變器的要求，本設計中的逆變器需滿足一定的性能要求。表3-1為逆變器性能參數表</p><p>　　表3-1 逆變器性能參數表</p><p>　　3.4.2 開關元件的選擇</p><p>　　DC/AC逆變模塊屬于高壓中容量系統(tǒng)，由于MOS管在高壓中容量系統(tǒng)中通態(tài)電阻會增大，為了防止這一現象，該模塊當中選擇絕緣門極雙極性晶體管IGBT管作為住開關

85、元件。IGBT管具有輸入阻抗高、開關頻率大、驅動電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高等特點。下面通過計算來確定IGBT管的具體型號和參數：</p><p>　　A 計算逆變器的電流峰值</p><p><b>　　（3-19）</b></p><p>　　式中 ——表示逆變電路總功率；</p><p>　　——表示逆變器的過載因

86、數；</p><p>　　——表示逆變器的安全系數。</p><p><b>　　取值1.5</b></p><p><b>　　取值1.2</b></p><p>　　在這里選擇ICL8038型IGBT管作為主功率器件.</p><p>　　3.4.3 輸出濾波器的選擇&l

87、t;/p><p>　　要想得到精確度較高的正弦波信號，要在逆變電路的輸出端接入一個低通濾波器來降低高頻分量。本設計選擇了型低通濾波器，其截至頻率與電感L、電容C之間的關系。</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　逆變器的輸出頻率為50Hz，開關頻率為20KHz，所以需使截至頻率的值介于50Hz到20KHz之間。查閱相

88、關資料所得，選擇了截止頻率為10KHz的濾波器。系統(tǒng)特性阻抗與電感L、電容C的關系。</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　式中 ——表示阻抗系數。</p><p>　　由表3-1可知上式中額定電壓為220V，輸出功率為300W，阻抗系數介于0.5到0.8之間，這里取0.6，代入數據計算得阻抗的取值為24.2。&

89、lt;/p><p><b>　　（3-22）</b></p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　即，我們選擇電感值為1.21mH，電容值為2.06uF，截至頻率為10kHz的濾波器。</p><p><b>　　第四章 控制電路</b></p>

90、;<p>　　控制器是風光互補發(fā)電系統(tǒng)中極為關鍵的部分。風能和太陽能都具有隨機性和不穩(wěn)定性，負載和蓄電池狀態(tài)也是不斷變化的，控制器根據不同的變化情況，能夠進行及時的調整，確保整個系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)下?？刂破鞯闹饕饔萌缦拢?lt;/p><p>　　電池充放電控制：控制器對蓄電池的電壓值和電荷狀態(tài)進行實時的采樣與檢測，判斷蓄電池的工作狀態(tài)是否超過了充電與放電的臨界點，根據檢測到的信號發(fā)出相關充、放

91、電的指令，達到保護蓄電池延長使用壽命的目的。</p><p>　　4.1 DC/DC變換電路的控制模塊設計</p><p>　　4.1.1 主控芯片的選擇</p><p>　　逆變器的前級DC-DC模塊由Boost逆變電路和整流濾波電路組成，目前采用最多的有SG3525和ICL8038等專用脈寬調制集成芯片，主控芯片產生占空比可變的PWM波形，驅動開關管的門極來調節(jié)

92、開關管的通斷，達到控制輸出波形的目的。本課題選擇SG3525A雙端輸出式SPWM脈寬調制器專用芯片作為前級DC-DC模塊的主要控制芯片。</p><p>　　SG3525是為SG3524的改進產品，是用于驅動N溝道功率MOSFET的PWM控制芯片，在以MOS管為開關元件的DC/DC轉換電路中具有其重大的使用前景。SG3525采用推挽式、雙通道輸出，可調占空比最高可達50%?？芍苯域寗庸β蔒OS管，工作頻率高達40

93、0KHz，具有欠壓鎖定、過壓保護和軟啟動等功能。該電路由基準電壓源、震蕩器、誤差放大器、PWM比較器與鎖存器、分相器、欠壓鎖定輸出驅動級，軟啟動及關斷電路等組成，可正常工作的溫度范圍是0~700C。基準電壓為5.1 V士1%，工作電壓范圍為8V到35V。SG3525內部結構如下圖所示：</p><p>　　圖4.1為SG3525控制芯片內部結構圖</p><p>　　SG3525具有可調的

94、死區(qū)時間，振蕩器的時標電容Ct通過外接電阻Rd至引腳7，改變Rd就可以改變Ct的放電時間，也改變了死區(qū)時間Td ，而的充電是由的內部電流源決定的。振蕩器的振蕩頻率為：振蕩器的震蕩頻率為：</p><p><b>　　（4-1）</b></p><p>　　式中 ——表示時標電容的放電時間；</p><p>　　——表示12管腳與6管腳之間的外接

95、電阻阻值；</p><p>　　——表示5管腳與7管腳之間的外接電阻阻值。</p><p>　　SG3525有雙列直插式16管腳的DIP16封裝和貼片式16管腳的S016兩種封裝形式。兩種封裝在印制電路板（PCB）上的封裝圖形如圖4-1所示。</p><p>　　4.1.2 控制芯片外圍電路設計</p><p>　　本設計中擬采用美國通用電氣

96、公司的電壓控制型PWM控制SG3525為核心控制芯片，實現40VDC輸入400VDC輸出、輸出功率為1500W的DC-DC高頻升壓功能，同時實現電路的過流保護。SG3525AN的控制電路，如圖4-2所示。</p><p>　　圖4.2為基于SG3525A的控制電路原理圖</p><p>　　圖中SG3525的11管腳和14管腳分別與圖4-1中莫斯管Q1、Q2的門極G管腳相連，實現驅動開關管

97、的功能。為了對推挽式DC-DC高頻升壓過程進行有效的控制、提高頻寬調制的準確性，電壓反饋采樣電路、電流反饋采樣電路的輸出端通過網絡標號S08、S01、S10分別與的輸出端相連。</p><p>　　4.2 DC/AC逆變電路的控制模塊設計</p><p>　　4.2.1主控制電路的設計</p><p>　　逆變電路的控制模塊以TI公司的ICL8038為核心控制芯片

98、。ICL8038是美國IT公司生產的，它的波形發(fā)生器是一用最少外部元件能產生精確度很高的正弦、方形、三角、鋸齒等波形。是徹徹底底的單片集成電路。頻率范圍在0.01HZ～300MHZ?？梢杂秒娮杵骱碗娙萜鱽磉M行調節(jié)。內部圖4.3和外部圖4.4。</p><p>　　圖4.3 ICL8083模塊的外部腳圖</p><p>　　圖4.4 ICL8038內部原理框圖</p><

99、p>　　工作原理：ICL8038由恒流源，電壓比較器和觸發(fā)器組成。其內部原理圖如4.4。電壓比較器、的門限電壓分別為和（）。電流源可通過外接電阻來調節(jié)，但是必須大于。</p><p>　　4.2.2 控制信號發(fā)生器</p><p>　　振蕩器腳7需要接外電容CT，腳6需要接外電阻RT。振蕩器的頻率需要CT和RT共同決定。f = 。本設計去Boost開關頻率為10MHZ，CT=0.22

100、Μf，RT=5KΩ逆變橋開關頻率為5KHZ，CT=0.22Μf，RT=10KΩ。振蕩器分兩路輸出，一路是時鐘脈沖，一路是鋸齒波，比較器反向端接誤差放大器。本系統(tǒng)圖中，在DC/DC</p><p>　　變換部分SG3525的1芯片的腳1接控制反饋信號電壓，腳2接在基準電壓的分壓電阻上，或非門的另兩個輸入端，分別接雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和震蕩器正弦波，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩端互補，交替輸出高低電平。其作用是將SPWM，交替送至兩個三

101、極管的基極，相位相差180°，當并聯(lián)的時候，輸出脈沖占空比為0%～90%.反之大約在0%～45%，笨系統(tǒng)圖為兩個SG3525并聯(lián)使用，當腳10為高電平時，進行過電流保護。</p><p>　　圖4.5 控制信號發(fā)生圖</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　近幾年，受到煤和石油等能源價格上漲和全球氣候變化的影

102、響，新能源開發(fā)利用日益受到國內外社會的重視；我國有著非常豐富的可再生能源，能夠滿足自給自足開發(fā)利用的需求。我國也大力開發(fā)利用新能源及可再生能源作為可持續(xù)發(fā)展我國能源結構、保障我國能源安全的新高點。新能源產業(yè)被納入國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)。本文是在此背景下展開的。</p><p>　　通過分析風光互補發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和國內外發(fā)展現狀，深入研究光伏陣列工作原理，風力發(fā)電機工作特性以及蓄電池充、放電過程中電化學反應機理，蓄

103、電池充放電控制原理，太陽能、風能的整流逆變等。</p><p>　　分析了幾種常見逆變器的組成結構及各自的優(yōu)缺點，即前級DC/DC高頻升壓變電路換、后級DC/AC逆變電路。這種結構克服了傳統(tǒng)單級逆變器的缺點，具有功率密度高、動穩(wěn)態(tài)性能好、電壓失真度小、變換效率高等特優(yōu)點。</p><p>　　本設計最后根據國際、國內相關行業(yè)標準。對設計的逆變器系統(tǒng)的電路分析做出了改進，該逆變系統(tǒng)具有逆變效

104、率高、系統(tǒng)性能穩(wěn)定、電路結構合理、保護功能完備等特點，生產成本上都較市面上同類產品有所降低，性能有所提高。但是在畢業(yè)設計過程中，由于自身技術水平有限、開發(fā)經驗不足、研發(fā)時間緊張等問題，目前設計仍停留在理論分析階段，期待進一步完善和優(yōu)化。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 周玉柱. 戶用風/光互補正弦波逆變電源的研制[D]. :

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109、:2009</p><p>　　[11] 羅隆福,趙劍松. 基于DSP的光伏并網逆變器的設計[A].:2010(11)</p><p>　　[12] 吳治堅．新能源和可再生能源的利用【M】．機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[13] 王宇．風光互補發(fā)電控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)【D】：【碩士學位論文】．天津大學，2004．12</p><p

110、>　　[14] Soteris A,Kalogirou.Design and construction of one axissun tracking system.SolarEnenrgy,1996</p><p>　　[15] 喬朝瑛．獨立式小型風力發(fā)電機及其控制器的研究【D】：【碩士學位論文】．西安科技大學，2008．04</p><p><b>　　謝 辭<

111、/b></p><p>　　時光飛逝，四年的大學求學之路馬上就要結束了時光飛逝，在這寶貴的時間里，老師的教誨和同學的關懷使我受益匪淺，借此論文完成之際，謹向給予我?guī)椭椭С值娜吮硎居芍缘母兄x。</p><p>　　本論文是在導師田立欣教授的悉心指導下完成的。從選擇設計題目，到最后的畢業(yè)設計的完成，田老師始終都給予我細心的幫助和不懈的支持。張老師并且給我提供了大量數據和建議，告訴我那里

112、應該注意的細節(jié)問題，耐心的給我指出錯誤在哪里。他對電力電子專業(yè)研究和對該課題深刻的見解，使我受益匪淺。田老師導師嚴謹求實的治學態(tài)度、實事求是的工作作風、淵博的專業(yè)知識、敏銳的洞察力以及對專業(yè)孜孜不倦的追求，給我深深的教益和啟迪，是我今后工作和學習的楷模。再次向田立欣老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。</p><p>　　同時我還要特別感謝含辛茹苦培養(yǎng)我的父母，是他們在物質和精神上對我無私的支持，使我可以全身心地投入