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基于51单片机风电控制系统设计
电气工程及其自动化专业 姓名 指导教师：-----
[摘 要]近几千年来，人类不停地向地球索取自然资源。目前人类对地球资源的消耗超过地球的承受能力，地球的不可再生能源日渐枯竭，环境恶化的日渐突出，不可再生能源越来越少，国家越来越重视可再生能源的开发利用，特别是风能的开发利用世界各国都重视着，风力发电的优点明显，有清洁无污染、投资灵活、施工简单、占地面积小等优点，具有较好经济效益。所以，对风力发电控制系统的研究有着重要意义和应用价值。为了实现能够对风力发电的控制，采用了一种基于51单片机控制的风电系统设计方法，并能实现自由切换风电和市电。应用设计表明，所做出来的控制系统具有可靠性高、操作简单、精确度高等优点，具有较高的使用价值。
[关键词]风力发电；控制系统；51单片机；DC/AC逆变器；
引言
风能是一种清洁的能源，世界各国都重视风能的利用。风能的技术比较成熟、
成本较低、开发利用普遍等优势使它成为新能源发电发展最快，最具竞争力的发电技术。我国有丰富的风电资源，据专家推测，我国陆地可以开发14亿KW的风力发电资源，加上海上将超过20亿KW的风力发电资源。风力资源主要分布在华北、东北、西北和东部沿海陆地及近岸海域。我国虽然风力资源丰富，居世界第三位，仅次于美国和俄罗斯，但是我国风力发电发展比较慢，近几年才迅速发展，才初步有建设大型风电场的能力。相比于世界先进水平，我国风电发展还是落后很多的。本课题对小型风力发电系统的研究，讲述风力发电的工作原理，利用MATLAB对风力发电系统的仿真及如何利用整流器AC/DC、变换器DC/DC、逆变器DC/AC进行电流变换和蓄电池在里面的作用，以及利用51单片机对逆变器的控制研究把风力发的电转换为市电。
1 风力发电的发展状况
进入21世纪，由于全球工业发展迅速，需要消耗大量的能源，其中不可再生能源日渐减少，人们开发可再生的能源已经是一种大的潮流，出现了太阳能、风能、潮湿能、生物质能等可再生能源的开发。风力发电技术成熟，发电的成本相对较低，风力发电还可以灵活应用，既可以并网运行，也可以离网运行，还可以与其它能源技术组成互补发电系统，所以风力发电的前景比较好，人们比较喜欢利用它。西方发达国家现在非常重视风力资源的开发，目前世界上风力发电的装机容量最大和风力发电技术最先进的地区是欧洲。风是在生活中无处不在的资源，虽然风能在地球上的分布是不均匀的，但是还是很多地方能够利用它发电的。截止到2016年底，在欧洲风电占新增电力装机的51%，欧盟28个成员国并网总量达到12.5GW，其中陆上风10.923MW，海上风电1567MW。2016年欧洲新增装机容量12.5GW，较2015年下降3%，截至目前，欧洲风电装机总量达到153.7GW，已经超越了火电，成为欧洲第二大电力供应来源。
我国风电上网电量占总发电量比例逐年增加， 2016 年风电上网电量为 2410 亿千瓦时，占总发电量的比重达 4.08%， 超越核电（3.56%）和光伏（1.12%） 成为我国第一大新能源发电形式。我国幅员辽阔、海岸线长，陆地面积约为 960 万平方千米，海岸线（包括岛屿）达 32,000 千米，拥有丰富的风能资源，并具有巨大的风能发展潜力。
2 风力发电系统结构及工作原理
2.1 风力发电系统结构
本课题研究的是小型风力发电机，一般独立使用，不能并网。风力发电机一般由塔架、风轮、机座、调速装置、尾舵等组成。风力发电机的风轮由叶片、轮毂组成，风轮的直径是叶片尖端在风轮转动所形成的圆的直径。机座由轴承座、增速器、制动器组成，其中增速器使风轮机和发电机的转速相匹配，低速的风轮机和高速的发电机之间必须要配增速器，制动器是使风力发电机停止运转的装置，也称刹车。制动器可分为手动制动器、电磁制动器和液压制动器。 小型风力发电机通常采用永磁发电机，有直流发电机和交流发电机两种。风力发电机的调速装置有可变桨距调速装置、定桨距叶尖失速控制调速装置、离心飞球调速装置、空气动力调速装置和扭头、仰头调速装置。其中小型风力发电机一般采用扭头、仰头调速装置。风力发电机的调向速装置有尾舵调向、下风向调向和调向电机。小型风力发电机通常采用尾舵调向。其结构如图2.1
图2.1风力发电机剖面图
2.2风力发电的工作原理
风力发电的原理，是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。风力发电机利用风的能量制动风车使风力发电机的叶片旋转，再通过增速机将发电机的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机的尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能小型风力发电效率很高。除了机座的发电机增速器制动器等组成外，还有一个有一定科技含量的控制系统：发电机、整流器、滤波器、逆变器、控制器组成。由于风力发电的风不稳定，发出的是变化的交流电，要先经过整流器整流，整流器流出的电经过滤波器然后流进蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后利用逆变器和变压器，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，供给用户使用。其工作框架图如下：
基于51单片机风电控制系统设计工作框架图
2 基于MATLAB的风力发电机组建模和仿真研究
2.1机理建模法构建风力发电机组的数学模型
因为风力发电系统是一个的非线性系统并且有比较多的变量，所以建立精确的数学模型很困难。所以只能分析各子系统的工作状态，提取出其中重要的工作参数，运用仿真技术，构建出整个系统。风力发电系统可分为风速系统、风轮系统、传动系统、发电机模型等子系统。
2.2.1风速系统
自然风的变化比较大，没有一定的规律，但是通过长时间的统计发现，在固定的空间下还是有规律的，为了通过模拟不同风速对风力机的作用，我们分别写出四种风( 基本风、阵风、渐变风和随机风）的数学模型然后把它们合成来模拟现场风速。
1.基本风
风速模型中基本风是一种主要的风，是风力机正常运行时一直存在的风，它代表着风电场的平均风速的变化，一般把基本风速认为是不随时间变化的，取为常数，有
v*= k ( k为常数)
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4.SPWM调制的基本原理
就是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。即当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。
把图4.2.1a的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到图4.2.1b所示的脉冲序列,这就是PWM波形。可以看出各脉冲的幅值相等，
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