1風(fēng)電泵水系統(tǒng)的組成及原理

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

　　風(fēng)力發(fā)電機是把風(fēng)的動能變?yōu)闄C械能，再由發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)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(tǒng)、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(shè)備儲存起來（一般用蓄電池），需要時再提供給負載（一般可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶），而本研究是針對小型風(fēng)力發(fā)電機電泵提水系統(tǒng)。

　　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逆變器變成220 V 50 Hz正弦交流電。

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

　　當(dāng)驅(qū)動電路的輸入端為低電平時， TR3和TR6導(dǎo)通，變壓器低壓側(cè)繞組線圈中電流從A流向B.當(dāng)驅(qū)動電路的輸入端為高電平時， TR4和TR5導(dǎo)通，變壓器低壓側(cè)繞組線圈中電流從B流向A.這種低電壓、大電流的交變信號通過變壓器的低壓繞組時，就會在變壓器的高壓側(cè)感應(yīng)出220 V交流電壓，完成直流到交流的轉(zhuǎn)換，即逆變過程。而交流電的頻率是由單片機控制系統(tǒng)產(chǎn)生50 Hz的方波信號來驅(qū)動TR5、TR6的導(dǎo)通完成的。單相逆變器采用兩組對稱的功率推挽電路，而正弦交流也是由單片機控制系統(tǒng)產(chǎn)生正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM ）信號來驅(qū)動TR3、TR4的導(dǎo)通完成的。

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

　　2單片機控制系統(tǒng)

　　本控制系統(tǒng)以Intel公司80C196kb 16位單片機為控制芯片，該單片機構(gòu)成的控制系統(tǒng)由W atchdog、8路10位A /D轉(zhuǎn)換器、24路開關(guān)量輸入/輸出、2路8位D /A轉(zhuǎn)換器、RS 232 /RS485、串行通信接口、時鐘芯片以及鍵盤和顯示器組成，如3所示。

　　控制系統(tǒng)的工作過程由單片機（ 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，通過光耦驅(qū)動來控制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。通過不同的調(diào)制系數(shù)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(zhuǎn)速。

　　3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　3. 1 SPWM脈寬算法

　　對稱規(guī)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(tǒng)選用這種算法來產(chǎn)生SPWM波形，如4和5所示，用一個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(diào)制度；為正弦調(diào)制波的角頻率。

　　由4可以看出，實際正弦波是由一系列階梯狀臺階組成，先從三角波負峰點B作垂線與理論正弦波交于A點，再以A點作水平線左右分別交三角波于C、D兩點，從而確定脈寬時間，這種方法可以提高精度，而且易于編程實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用的方法是按照前面推導(dǎo)出的脈寬函數(shù)表達式，根據(jù)用戶日需水量的要求以及水井的深度，選擇潛水電泵的參數(shù)為：流量3m3/h，揚程18 m，電動機的額定功率為0. 55 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 850 r/ m in.確定頻率可調(diào)的小步長和輸出頻率的小值及大值，在微機上離線計算出每個頻率點對應(yīng)的一組脈寬數(shù)據(jù)，然后將所有的脈寬數(shù)據(jù)固化到EPROM中。輸出時再由單片機通過查表法獲得所需頻率點的脈寬數(shù)據(jù)，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單片機實現(xiàn)SPWM波形的軟件設(shè)計

　　單片機實現(xiàn)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(tǒng)上電復(fù)位，對顯示控制器及SPWM波形發(fā)生器進行初始化，顯示器上顯示輸出頻率。

　　然后，將指針指向輸出頻率對應(yīng)的一組脈寬數(shù)據(jù)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型逆變器功率開關(guān)管的工作。

　�。� 2）中斷服務(wù)程序

　　當(dāng)改變工作頻率時，可以按動頻率粗調(diào)0或頻率細調(diào)- 1按鈕，這時LED顯示器上及時顯示調(diào)整后的頻率值。單片機將指針指向與調(diào)整后的頻率相對應(yīng)的一組脈寬數(shù)據(jù)的起始地址，取出該組脈寬數(shù)據(jù)并送往SPWM波形發(fā)生器，波形發(fā)生器里產(chǎn)生對應(yīng)的SPWM波形，實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)整，返回主控程序。當(dāng)風(fēng)速小于6. 07 m /s或超過11. 9 m / s或出現(xiàn)過流、過壓時，由單片機或逆變電路的過流、過壓保護電路送出一個低電平至單片機的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關(guān)管輸出SPWM波形，從而關(guān)斷逆變電路中的開關(guān)管。等待風(fēng)速大于6. 07 m /s或低于11. 9 m / s或沒有過流、過壓時，再按復(fù)位（RESET）鍵，系統(tǒng)又可恢復(fù)工作。

　�。� 3）試驗結(jié)果

　　在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西部的蘇尼特右旗的能源實驗示范基地，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(tǒng)進行了試驗。風(fēng)力發(fā)電機的電功率與風(fēng)速的關(guān)系如8所示。

　　當(dāng)風(fēng)速大于6. 07 m /s時，能夠滿足電動機的額定功率0. 55 kW的要求；當(dāng)風(fēng)速為11. 9 m /s時，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時電機的機械特性。

　　4結(jié)論

　　針對1 kW的風(fēng)力發(fā)電機電泵提水系統(tǒng)進行了分析，并運用單片機產(chǎn)生SPWM波形控制逆變器的輸出，從而控制整個泵水系統(tǒng)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行試驗，有效地解決了傳統(tǒng)橋式逆變器拓撲中直流電壓利用率低的問題。結(jié)果表明，基于風(fēng)力發(fā)電機電泵的提水系統(tǒng)是可行的，輸出的機械特性說明采用該控制方法具有較好的動態(tài)性能。