1風(fēng)電泵水系統的組成及原理

　　風(fēng)力發(fā)電電泵提水系統主要由四部分組成（如1所示）： 1 kW風(fēng)力發(fā)電系統、整流和逆變系統、單片機控制系統以及潛水電泵系統。

　　風(fēng)力發(fā)電機是把風(fēng)的動(dòng)能變?yōu)闄C械能，再由發(fā)電機把機械能轉變?yōu)殡娔艿难b置。大型風(fēng)力發(fā)電機由風(fēng)輪、變速箱、發(fā)電機、偏移裝置、控制系統、塔架等部分所組成，發(fā)出的電能直接并網(wǎng)送電；小型風(fēng)力發(fā)電機將風(fēng)力發(fā)電機輸出的電能用儲能設備儲存起來(lái)（一般用蓄電池），需要時(shí)再提供給負載（一般可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶(hù)），而本研究是針對小型風(fēng)力發(fā)電機電泵提水系統。

　　整流是把風(fēng)力發(fā)電機輸出的交流電變成直流電，一般用橋式整流，輸出的直流電再通過(guò)逆變器變成220 V 50 Hz正弦交流電。

　　逆變器工作原理見(jiàn)2，直流側輸入電壓為48 V，主要由MOS （ IRFP460）場(chǎng)效應管和電源變壓器構成。其輸出功率取決于整流的直流電壓、MOS場(chǎng)效應管和電源變壓器的功率。

　　當驅動(dòng)電路的輸入端為低電平時(shí)， TR3和TR6導通，變壓器低壓側繞組線(xiàn)圈中電流從A流向B.當驅動(dòng)電路的輸入端為高電平時(shí)， TR4和TR5導通，變壓器低壓側繞組線(xiàn)圈中電流從B流向A.這種低電壓、大電流的交變信號通過(guò)變壓器的低壓繞組時(shí)，就會(huì )在變壓器的高壓側感應出220 V交流電壓，完成直流到交流的轉換，即逆變過(guò)程。而交流電的頻率是由單片機控制系統產(chǎn)生50 Hz的方波信號來(lái)驅動(dòng)TR5、TR6的導通完成的。單相逆變器采用兩組對稱(chēng)的功率推挽電路，而正弦交流也是由單片機控制系統產(chǎn)生正弦波脈寬調制（ SPWM ）信號來(lái)驅動(dòng)TR3、TR4的導通完成的。

　　潛水電泵由電動(dòng)機、水泵和揚水管三部分組成。潛水電泵的水泵和電動(dòng)機是直接聯(lián)接裝成一體的，一起浸沒(méi)在水中工作。地面上的電源通過(guò)附在揚水管上的防水電纜，輸送給浸在水中的電動(dòng)機。

　　2單片機控制系統

　　本控制系統以Intel公司80C196kb 16位單片機為控制芯片，該單片機構成的控制系統由W atchdog、8路10位A /D轉換器、24路開(kāi)關(guān)量輸入/輸出、2路8位D /A轉換器、RS 232 /RS485、串行通信接口、時(shí)鐘芯片以及鍵盤(pán)和顯示器組成，如3所示。

　　控制系統的工作過(guò)程由單片機（ Intel 196kb）采集風(fēng)速信號與單片機產(chǎn)生SPWM波形和50 H z方波，通過(guò)光耦驅動(dòng)來(lái)控制H型逆變器（ TR3和TR4， TR5和TR6），由1： 10升壓變壓器連接單相潛水電泵， H型逆變器輸出的電流和電壓再采集到單片機。通過(guò)不同的調制系數使得單片機產(chǎn)生不同的SPWM波形，從而控制單相潛水電泵的轉速。

　　3控制系統的軟件設計

　　3. 1 SPWM脈寬算法

　　對稱(chēng)規則采樣法在SPWM脈寬算法中是一種比較優(yōu)越的算法。因此，本系統選用這種算法來(lái)產(chǎn)生SPWM波形，如4和5所示，用一個(gè)采樣值確定脈沖寬度，可由下式求出：

　　= t 2 - t 1 = T （ 1+ m sin t） /2式中： T為三角波的周期； m為調制度；為正弦調制波的角頻率。

　　由4可以看出，實(shí)際正弦波是由一系列階梯狀臺階組成，先從三角波負峰點(diǎn)B作垂線(xiàn)與理論正弦波交于A(yíng)點(diǎn)，再以A點(diǎn)作水平線(xiàn)左右分別交三角波于C、D兩點(diǎn)，從而確定脈寬時(shí)間，這種方法可以提高精度，而且易于編程實(shí)現。本系統采用的方法是按照前面推導出的脈寬函數表達式，根據用戶(hù)日需水量的要求以及水井的深度，選擇潛水電泵的參數為：流量3m3/h，揚程18 m，電動(dòng)機的額定功率為0. 55 kW，額定轉速為2 850 r/ m in.確定頻率可調的小步長(cháng)和輸出頻率的小值及大值，在微機上離線(xiàn)計算出每個(gè)頻率點(diǎn)對應的一組脈寬數據，然后將所有的脈寬數據固化到EPROM中。輸出時(shí)再由單片機通過(guò)查表法獲得所需頻率點(diǎn)的脈寬數據，并送往SPWM波形發(fā)生器以產(chǎn)生所需的SPWM波形，后形成如圖5所示的SPWM波形。

　　3. 2單片機實(shí)現SPWM波形的軟件設計

　　單片機實(shí)現SPWM波形的軟件流程如6和7所示，由主控程序和中斷服務(wù)程序組成。

　�。� 1）主控程序

　　首先，系統上電復位，對顯示控制器及SPWM波形發(fā)生器進(jìn)行初始化，顯示器上顯示輸出頻率。

　　然后，將指針指向輸出頻率對應的一組脈寬數據的起始地址，并依次取出該組脈寬值送往SPWM波形發(fā)生器，這樣便輸出SPWM波形，從而控制H型逆變器功率開(kāi)關(guān)管的工作。

　�。� 2）中斷服務(wù)程序

　　當改變工作頻率時(shí)，可以按動(dòng)頻率粗調0或頻率細調- 1按鈕，這時(shí)LED顯示器上及時(shí)顯示調整后的頻率值。單片機將指針指向與調整后的頻率相對應的一組脈寬數據的起始地址，取出該組脈寬數據并送往SPWM波形發(fā)生器，波形發(fā)生器里產(chǎn)生對應的SPWM波形，實(shí)現輸出頻率的調整，返回主控程序。當風(fēng)速小于6. 07 m /s或超過(guò)11. 9 m / s或出現過(guò)流、過(guò)壓時(shí)，由單片機或逆變電路的過(guò)流、過(guò)壓保護電路送出一個(gè)低電平至單片機的INT1或INT2（外部中斷端），并在顯示器上顯示0，表示程序立即中斷波形發(fā)生器的工作，使其不向逆變電路的功率開(kāi)關(guān)管輸出SPWM波形，從而關(guān)斷逆變電路中的開(kāi)關(guān)管。等待風(fēng)速大于6. 07 m /s或低于11. 9 m / s或沒(méi)有過(guò)流、過(guò)壓時(shí)，再按復位（RESET）鍵，系統又可恢復工作。

　�。� 3）試驗結果

　　在內蒙古自治區錫林郭勒盟西部的蘇尼特右旗的能源實(shí)驗示范基地，用1 kW的小風(fēng)力發(fā)電機和QDX3 18 0. 55型潛水電泵組成的提水系統進(jìn)行了試驗。風(fēng)力發(fā)電機的電功率與風(fēng)速的關(guān)系如8所示。

　　當風(fēng)速大于6. 07 m /s時(shí)，能夠滿(mǎn)足電動(dòng)機的額定功率0. 55 kW的要求；當風(fēng)速為11. 9 m /s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機的電功率1127. 5 W.9和10分別示出了f = 25 H z和f = 50 H z時(shí)電機的機械特性。

　　4結論

　　針對1 kW的風(fēng)力發(fā)電機電泵提水系統進(jìn)行了分析，并運用單片機產(chǎn)生SPWM波形控制逆變器的輸出，從而控制整個(gè)泵水系統的運行。

　　用1 kW的小風(fēng)力發(fā)電機和QDX3 18 0. 55型潛水電泵在能源示范基地進(jìn)行試驗，有效地解決了傳統橋式逆變器拓撲中直流電壓利用率低的問(wèn)題。結果表明，基于風(fēng)力發(fā)電機電泵的提水系統是可行的，輸出的機械特性說(shuō)明采用該控制方法具有較好的動(dòng)態(tài)性能。