新节能型发电泵水体系扼制办法的探讨

　　1风电泵水系统的组成及原理

　　风力发电电泵提水系统主要由四部分组成（如1所示）： 1 kW风力发电系统、整流和逆变系统、单片机控制系统以及潜水电泵系统。

　　风力发电机是把风的动能变为机械能，再由发电机把机械能转变为电能的装置。大型风力发电机由风轮、变速箱、发电机、偏移装置、控制系统、塔架等部分所组成，发出的电能直接并网送电；小型风力发电机将风力发电机输出的电能用储能设备储存起来（一般用蓄电池），需要时再提供给负载（一般可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户），而本研究是针对小型风力发电机电泵提水系统。

　　整流是把风力发电机输出的交流电变成直流电，一般用桥式整流，输出的直流电再通过逆变器变成220 V 50 Hz正弦交流电。

　　逆变器工作原理见2，直流侧输入电压为48 V，主要由MOS （ IRFP460）场效应管和电源变压器构成。其输出功率取决于整流的直流电压、MOS场效应管和电源变压器的功率。

　　当驱动电路的输入端为低电平时， TR3和TR6导通，变压器低压侧绕组线圈中电流从A流向B.当驱动电路的输入端为高电平时， TR4和TR5导通，变压器低压侧绕组线圈中电流从B流向A.这种低电压、大电流的交变信号通过变压器的低压绕组时，就会在变压器的高压侧感应出220 V交流电压，完成直流到交流的转换，即逆变过程。而交流电的频率是由单片机控制系统产生50 Hz的方波信号来驱动TR5、TR6的导通完成的。单相逆变器采用两组对称的功率推挽电路，而正弦交流也是由单片机控制系统产生正弦波脉宽调制（ SPWM ）信号来驱动TR3、TR4的导通完成的。

　　潜水电泵由电动机、水泵和扬水管三部分组成。潜水电泵的水泵和电动机是直接联接装成一体的，一起浸没在水中工作。地面上的电源通过附在扬水管上的防水电缆，输送给浸在水中的电动机。

　　2单片机控制系统

　　本控制系统以Intel公司80C196kb 16位单片机为控制芯片，该单片机构成的控制系统由W atchdog、8路10位A /D转换器、24路开关量输入/输出、2路8位D /A转换器、RS 232 /RS485、串行通信接口、时钟芯片以及键盘和显示器组成，如3所示。

　　控制系统的工作过程由单片机（ Intel 196kb）采集风速信号与单片机产生SPWM波形和50 H z方波，通过光耦驱动来控制H型逆变器（ TR3和TR4， TR5和TR6），由1： 10升压变压器连接单相潜水电泵， H型逆变器输出的电流和电压再采集到单片机。通过不同的调制系数使得单片机产生不同的SPWM波形，从而控制单相潜水电泵的转速。

　　3控制系统的软件设计

　　3. 1 SPWM脉宽算法

　　对称规则采样法在SPWM脉宽算法中是一种比较优越的算法。因此，本系统选用这种算法来产生SPWM波形，如4和5所示，用一个采样值确定脉冲宽度，可由下式求出：

　　= t 2 - t 1 = T （ 1+ m sin t） /2式中： T为三角波的周期； m为调制度；为正弦调制波的角频率。

　　由4可以看出，实际正弦波是由一系列阶梯状台阶组成，先从三角波负峰点B作垂线与理论正弦波交于A点，再以A点作水平线左右分别交三角波于C、D两点，从而确定脉宽时间，这种方法可以提高精度，而且易于编程实现。本系统采用的方法是按照前面推导出的脉宽函数表达式，根据用户日需水量的要求以及水井的深度，选择潜水电泵的参数为：流量3m3/h，扬程18 m，电动机的额定功率为0. 55 kW，额定转速为2 850 r/ m in.确定频率可调的小步长和输出频率的小值及大值，在微机上离线计算出每个频率点对应的一组脉宽数据，然后将所有的脉宽数据固化到EPROM中。输出时再由单片机通过查表法获得所需频率点的脉宽数据，并送往SPWM波形发生器以产生所需的SPWM波形，后形成如图5所示的SPWM波形。

　　3. 2单片机实现SPWM波形的软件设计

　　单片机实现SPWM波形的软件流程如6和7所示，由主控程序和中断服务程序组成。

　　（ 1）主控程序

　　首先，系统上电复位，对显示控制器及SPWM波形发生器进行初始化，显示器上显示输出频率。

　　然后，将指针指向输出频率对应的一组脉宽数据的起始地址，并依次取出该组脉宽值送往SPWM波形发生器，这样便输出SPWM波形，从而控制H型逆变器功率开关管的工作。

　　（ 2）中断服务程序

　　当改变工作频率时，可以按动频率粗调0或频率细调- 1按钮，这时LED显示器上及时显示调整后的频率值。单片机将指针指向与调整后的频率相对应的一组脉宽数据的起始地址，取出该组脉宽数据并送往SPWM波形发生器，波形发生器里产生对应的SPWM波形，实现输出频率的调整，返回主控程序。当风速小于6. 07 m /s或超过11. 9 m / s或出现过流、过压时，由单片机或逆变电路的过流、过压保护电路送出一个低电平至单片机的INT1或INT2（外部中断端），并在显示器上显示0，表示程序立即中断波形发生器的工作，使其不向逆变电路的功率开关管输出SPWM波形，从而关断逆变电路中的开关管。等待风速大于6. 07 m /s或低于11. 9 m / s或没有过流、过压时，再按复位（RESET）键，系统又可恢复工作。

　　（ 3）试验结果

　　在内蒙古自治区锡林郭勒盟西部的苏尼特右旗的能源实验示范基地，用1 kW的小风力发电机和QDX3 18 0. 55型潜水电泵组成的提水系统进行了试验。风力发电机的电功率与风速的关系如8所示。

　　当风速大于6. 07 m /s时，能够满足电动机的额定功率0. 55 kW的要求；当风速为11. 9 m /s时，风力发电机的电功率1127. 5 W.9和10分别示出了f = 25 H z和f = 50 H z时电机的机械特性。

　　4结论

　　针对1 kW的风力发电机电泵提水系统进行了分析，并运用单片机产生SPWM波形控制逆变器的输出，从而控制整个泵水系统的运行。

　　用1 kW的小风力发电机和QDX3 18 0. 55型潜水电泵在能源示范基地进行试验，有效地解决了传统桥式逆变器拓扑中直流电压利用率低的问题。结果表明，基于风力发电机电泵的提水系统是可行的，输出的机械特性说明采用该控制方法具有较好的动态性能。