基于风力发电的超级电容智能充电及电量检测设备研究

论文摘要

随着不可再生能源的日益枯竭,以及环境危机的不断加深,人类面临着能源与环境危机。全世界国家与政府都在努力寻找新的能源获取途径,研制新型绿色能源以及倡导采用低功耗设备已经成为一个新的世界趋势。太阳能发电,风力发电以及核电则在这个趋势中扮演着重要的角色。但是太阳能发电由于成本和技术要求很高,在整个世界的电能比重很小。核能虽然发电效率高,经济效益明显,但是存在安全隐患。随着技术的发展,风力发电的低成本,易维护,安全性高等优势逐步显露出来。本论文旨在研究一种小功率风力发电以及储能设备,设备主要应用于风能资源贫瘠的平原地区,其特点为功率小,风电转化效率高,易于维护以及环保。论文主要通过电力电子技术以及控制理论方面的知识进行原理性的分析与设计,利用计算机技术进行仿真,最后通过试验进行理论的验证。围绕着这款小型风力发电设备的研究,首先对双向DC-DC转换器进行了理论分析与验证,构建了基本的理论电路。运用专用的电路仿真软件进行了可行性仿真。在解决了风电转换的问题之后,对储能元件的选择进行了阐述,分析了新型储能元件——超级电容的优点,阐述了选用超级电容作为储能元件的理由。接着开始构建控制系统,将风电转换系统与储能系统进行有机的结合,通过检测模块不断扫描风力发电的电压与超级电容器的状态,将信息送入控制系统后进行数据的处理,然后控制系统对储能系统进行相应的智能充电,将有限的风能转化为电能储存在超级电容,并实时进行电量检测。然后论文进行了硬件电路的设计并给出了软件编程流程,做出了PCB电路板,并进行了试验,给出了实验结果。最后,针对本文的研究内容与工作进行了总结,并指出了不足之处和今后努力的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外的风能利用技术及储能元件发展现状及趋势
• 1.2.1 风电技术与产业的发展趋势
• 1.2.2 新型储能元件的应用
• 1.3 论文研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 一种小型风力发电系统的设计
• 2.1 小型风力发电系统原理
• 2.1.1 风力发电系统的组成
• 2.1.2 风力发电机的选择
• 2.1.3 风机的机械能与电能之间的转换
• 2.2 风力发电系统的能量储存
• 2.2.1 传统储能元件充放电原理
• 2.2.2 新型储能元件——超级电容简介
• 2.3 一种小型风力发电与超级电容智能充电与电量检测设备的方案提出
• 2.3.1 风能转化电能系统
• 2.3.2 电能储存系统
• 2.3.3 控制检测系统
• 2.3.4 设备系统原理图
• 2.4 储能系统电量检测方法简述
• 2.4.1 电池剩余电量估计方法的意义与难点
• 2.4.2 电池常用的电量估计方法介绍
• 2.4.3 论文选用的超级电容电量估计的方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 风电转换系统设计
• 3.1 风电转换系统设计思路
• 3.1.1 小型风力发电系统发电机的选择
• 3.1.2 风电转换系统设计概述
• 3.2 DC-DC变换器电路仿真
• 3.2.1 电路仿真软件——Multisim 10.0简介
• 3.2.2 升压DC-DC电路仿真结果
• 3.2.3 Boost电路原理
• 3.3 风电转化电路设计
• 3.3.1 电路图绘制软件——Protel Altium Designer 6.0介绍
• 3.3.2 风电转化系统电路原理图
• 3.4 风电转化系统的工作流程图
• 3.5 本章小结
• 第4章 储能系统设计
• 4.1 超级电容的特性分析
• 4.1.1 容量特性
• 4.1.2 阻抗特性
• 4.1.3 充电特性
• 4.1.4 放电特性
• 4.2 超级电容的数学模型及性能分析
• 4.3 智能充电方法设计
• 4.3.1 常用充电方法介绍
• 4.3.2 超级电容器充电方法
• 4.3.3 超级电容器充电电路设计
• 4.4 超级电容器电量检测
• 4.4.1 常用SOC预测技术
• 4.4.2 超级电容在估计电量方面的优势
• 4.4.3 电量检测芯片——DS2438简介
• 4.4.4 电量检测电路设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 控制系统设计
• 5.1 控制系统的工作流程
• 5.2 主控芯片——STC12C5608AD简介
• 5.3 DC-DC电路中的控制电路设计
• 5.3.1 MOS管与驱动芯片的选择
• 5.3.2 基于反馈控制的DC-DC变换器的设计
• 5.4 充电控制电路与电量检测电路设计
• 5.5 显示模块设计
• 5.6 上位机通信模块设计
• 5.7 控制系统电源设计
• 5.8 本章小结
• 第6章 设备系统的软件实现与硬件调试
• 6.1 软件实现平台——Keil uVision4 C51简介
• 6.2 控制系统的软件实现
• 6.2.1 系统软件整体结构
• 6.2.2 电压检测模块的软件设计
• 6.2.3 PWM发生模块以及MOS管驱动的软件设计
• 6.2.4 电量检测与充电控制的软件设计
• 6.2.5 显示模块的软件设计
• 6.3 控制系统的硬件调试
• 6.4 设备系统的电压输出实验
• 6.5 超级电容的SOC显示实验
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢