CN102118049B - 一种风光水互补发电系统控制装置及方法 - Google Patents

一种风光水互补发电系统控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种风光水互补发电系统控制装置及方法,属于再生能源利用技术领域。本发明包括风力发电设备控制电路、微水力发电设备控制电路、太阳能发电设备控制电路、电压电流检测电路、电压频率测量电路、继电器驱动电路、MOSFET驱动电路、稳压电路、一个存储程序的单片机以及单片机外围电路。该方法利用蓄电池工作电压和电流估测蓄电池剩余电量,并利用剩余电量和蓄电池工作电流判断系统工作状态,根据系统工作状态控制各发电设备发电量;特别在蓄电池充满时,不切除发电设备和蓄电池,控制发电设备单独为负载供电,可更充分的利用可再生能源。实时显示系统电量剩余使用时间,使用户合理分配用电量;使用可插拔无线通讯电路,可灵活实现系统的远程监控。

Description

—种风光水互补发电系统控制装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种分布式可再生能源互补发电系统的控制装置及方法,特别是涉及一种风光水互补发电系统的控制装置及方法。
背景技术
[0002] 当前不可再生能源日渐枯竭,环境污染严重,需要开发各种形式的可再生替代能源。风、光、水由于储量丰富、清洁无污染的特点,成为理想的可再生替代能源。而单独的风、光以及微水力资源的间歇性和季节性,不能提供稳定连续的电能,需要开发各种形式的互补式能源发电系统及其控制器,充分利用它们在时间、季节上的互补性,提高系统供电的连续稳定。
[0003] 我国微水力资源丰富,但有明显的季节性,特别是北方地区,在冬春季节,河流水量较小甚至结冰,导致很少或不能发电,不能提供连续稳定的电能,限制了微水力资源的利用。加入风光互补发电,一方面可以利用冬春季节风资源丰富的季节性优势,保证系统供电的连续性;另一方面,我国各地区的用电量呈现明显的季节性分布,夏秋用电量较大,加入风光互补发电,可以在夏秋季节缓解微水力的发电压力,保证系统供电的稳定性。在目前使用较多的风光互补发电系统中加入微水力发电,一方面可以更加充分的利用可再生能源;另一方面,微水力的发电功率较风光互补发电更加稳定,加入微水力发电,系统供电更加稳定可靠,且在一定程度上降低了发电成本。
[0004] 为了更高效的利用风光水资源固有的互补特性,需要开发风光水互补发电系统控制装置,根据自然条件实时协调各发电设备的发电状态,进行合理的能量管理,为用户提供更高效连续稳定的电能。目前现有的风光水互补发电控制器,主要有以下不足:1)简单的将三种资源连接在一起,没有充分利用三种能源各自的特点,实现三种发电设备的发电效率同时最大化;2)使用蓄电池的端电压来估算剩余电量,判断蓄电池及系统的工作状态,但蓄电池的剩余电量不仅与蓄电池端电压有关,更与蓄电池充放电电流密切相关。随着蓄电池充放电电流的变化,特别是在充放电电流较大的情况下,蓄电池端电压已经不能准确的反映铅蓄电池的剩余电量,导致对系统工作状态的判断失误,使控制效果变差甚至失效;3)不能显示蓄电池的剩余使用时间,用户不能得到系统的运行状态,不能根据实际情况合理的安排用电时间;4)不能灵活的实现系统运行状态的远程监控,给需要对多个发电设备进行远程监控的中小型电场,以及需要系统发电数据的研究单位带来不便;5)仅根据蓄电池端电压对系统进行保护处理,电压大于设定值后就切除发电设备,使用蓄电池单独给负载供电,没有从系统整体的角度对系统进行工作状态判断,动态合理的调节各发电设备的工作状态,不能最大效率的利用可再生能源。
发明内容
[0005] 鉴于以上开发需求及现有控制装置中的不足,本发明提供一种风光水互补发电系统控制装置及方法,充分利用三种能源各自的特点,利用蓄电池剩余电量判断系统工作状态;从系统整体的角度动态合理的调节各发电设备的发电量,最大效率的利用可再生能源;使用LCD液晶显示屏实时显示系统电量剩余使用时间;使用可插拔无线通讯电路灵活的实现系统远程监控。
[0006] 本发明的技术方案是:
[0007] —种风光水互补发电系统控制装置包括:风力发电设备控制电路、微水力发电设备控制电路、太阳能发电设备控制电路、电压电流检测电路、电压频率测量电路、继电器驱动电路、MOSFET驱动电路、稳压电路、一个存储程序的单片机以及单片机外围电路;所述的风力发电设备控制电路和微水力发电设备控制电路分别包括电磁制动电路、整流滤波电路和BUCK电路,风力发电设备及微水力发电设备输出的电压电流分别通过电磁制动电路、整流滤波电路和BUCK电路后输入到直流母线;太阳能发电设备输出的电压电流直接通过BUCK电路输入到直流母线;从直流母线出来的电压电流分别经继电器后连接至逆变器、直流负载以及蓄电池;利用所述的电压电流检测电路分别检测风力发电设备控制电路和微水力发电设备控制电路中整流滤波电路与BUCK电路间的电压电流信号,同时检测太阳能发电设备输出的电压电流信号以及蓄电池的充放电电压电流信号,将检测到的四路电压电流模拟信号经AD转换后输入至单片机中;利用所述的电压频率测量电路分别测量风力发电设备以及微水力发电设备输出的交流电压频率,将电压频率测量电路的输出信号输入至单片机中;将单片机输出的脉冲宽度调制信号经MOSFET驱动电路后分别与风力发电设备、微水力发电设备以及太阳能发电设备控制电路中的BUCK电路的输入端相连接;将单片机输出的继电器控制信号经继电器驱动电路后与直流负载、逆变器以及蓄电池电路上的继电器相连接;利用所述的稳压电路将蓄电池的端电压稳压后分别为MOSFET驱动电路、继电器驱动电路、单片机及其外围电路供电。
[0008] 本发明使用的单片机为AVR系列单片机;单片机外围电路包括液晶显示电路、键盘阵电路、串口通讯驱动电路、无线通讯电路和故障报警电路;所述的无线通讯电路为插拔式的无线通讯电路,使用插头连接至单片机外围电路中的串口通讯驱动电路。
[0009] 本发明提供的一种风光水互补发电系统控制方法,包括如下步骤:
[0010] I)利用实验及神经网络估算的方法获得蓄电池工作电压、电流与剩余电量的关系表,按照规则N = (V*10-110) *36+1 2*11将剩余电量存储至电量数组的第N位,其中V和I分别为蓄电池的工作电压和电流;
[0011 ] 2)利用电压电流检测电路检测蓄电池的电压和电流,根据检测到的电压、电流值查找出电量存储数组中当前蓄电池电压和电流对应的剩余电量;
[0012] 3)根据蓄电池剩余电量以及蓄电池工作电流来判断系统工作状态:
[0013] a.当蓄电池剩余电量SOC≥O. 98且蓄电池工作电流Ib≥O时,此时风力发电设备、微水力发电设备和太阳能发电设备同时向蓄电池和负载供电,且蓄电池充满,记为系统工作状态I ;
[0014] b.当蓄电池剩余电量SOC≥O. 98且蓄电池工作电流Ib < O时,此时风力发电设备、微水力发电设备、太阳能发电设备和蓄电池同时向负载供电,蓄电池电量充裕,记为系统工作状态II;
[0015] c.当蓄电池剩余电量O. 05≤SOC <0.98,Ib≥O时,此时风力发电设备、微水力发电设备和太阳能发电设备同时向蓄电池和负载供电,蓄电池电量不足,记为系统工作状态 III ;
[0016] d.当蓄电池剩余电量O. 05 ( SOC < O. 98,Ib < O时,此时风力发电设备、微水力发电设备、太阳能发电设备和蓄电池同时向负载供电,蓄电池电量不足,记为系统工作状态
IV ;
[0017] e.当蓄电池剩余电量SOC <0.05时,此时蓄电池电量过低,记为系统工作状态V;
[0018] 利用蓄电池的剩余电量和工作电流计算出剩余使用时间,调用LCD驱动程序,将剩余使用时间和系统工作状态显示在液晶屏上;
[0019] 4)根据系统工作状态调节各发电设备的发电量:
[0020] f.在系统工作状态I时,通过调节单片机脉冲宽度调制波的占空比,按顺序依次减小风力发电设备、微水力发电设备以及太阳能发电设备的发电量,维持蓄电池工作电流Ib = O ;
[0021] g.在系统工作状态I1、系统工作状态III或系统工作状态IV时,通过调节单片机脉冲宽度调制波的占空比,对各发电设备均进行最大功率追踪控制(MPPT);
[0022] h.在系统工作状态V时,单片机通过继电器驱动电路关断直流负载和逆变器侧的继电器,同时通过调节单片机脉冲宽度调制波的占空比,对各发电设备均进行最大功率追踪控制,直至剩余电量SOC > O.1时,再控制直流负载和逆变器侧的继电器闭合。
[0023] 上述方法中所述的最大功率追踪控制方法包括如下步骤:
[0024] I)使用厂家 提供的风力发电设备及微水力发电设备的转速功率曲线分别计算出它们的最佳叶尖速比λ λ 以及最大利用系数Cpmax—风和Cpmax j,通过电压频率测量电路测量出风力发电设备输出的电压频率和微水力发电设备输出的电压频率f*,通过电压检测电路测量风力发电设备经整流滤波电路后的电压Vm和微水力发电设备经整流滤波电路后的电压V#,通过电流检测电路测量风力发电设备经整流滤波电路后的电流Iw和微水力发电设备经整流滤波电路后的电流I# ;
[0025] 2)使用公式
Figure CN102118049BD00061
分别计算出在当前风速和流速下达到最大效率时
风力发电设备经整流滤波后的电流和微水力发电设备经整流滤波后的电流/;,与通过电流检测电路测量的风力发电设备经整流滤波后的电流I Λ和微水力发电设备经整流滤波后的电流U相比较,使用PI控制法分别改变风力发电机控制电路和微水力发电机控制电路对应的单片机脉冲宽度调制波占空比,实现风力发电设备和微水力发电设备的转速调节,直至电流差AI = O ;公式中:ρ为风或水的密度,R为风力发电设备或微水力发电设备的叶轮半径,ηρ为风力发电设备或微水力发电设备的发电机极对数,f为频率f @或f*,V为电压νΛ*ν#;
[0026] 3)根据厂家提供的太阳能发电设备在环境温度为25。,光照强度为1000W/m2时对应的最优电压值,计算达到该电压下对应的脉冲宽度调制波占空比,赋给初始值Dn_1;并读入此时太阳能发电设备的输出功率Plri,然后给占空比一个ΛD增值,读入此时的功率Pn,与前一时刻功率Plri比较,若差值大于或等于0,则继续给占空比Λ D增值,若差值小于0,则给占空比-AD增值,如此往复循环,使光伏阵列动态的工作在最大功率点上。
[0027] 本发明具有以下优点及突出性的效果:1)考虑电流的影响,利用蓄电池工作电压和电流估测蓄电池剩余电量,可以更精确的判断系统工作状态;2)从系统的角度,根据系统工作状态对发电系统进行能量管理,蓄电池未充满时对风力发电设备、微水力发电设备以及太阳能发电设备均进行最大功率追踪控制,提高了各发电设备的发电效率;蓄电池充满且自然资源富裕的情况下,不切除发电装置和蓄电池,控制风力发电设备、微水力发电设备以及太阳能发电设备单独为蓄电池充电,更充分的利用了可再生能源;3)计算系统电量剩余使用时间,并利用LCD实时显示,可以使用户更加清楚地了解系统工作状态,合理的安排用电时间;4)使用可插拔无线通讯模块对系统灵活的进行远程监控,为需要对多个发电设备进行远程监控的中小型电厂,以及为需要远程监测系统发电数据和设备运行状态的上级中心站或研究单位提供便利,同时为不需要远程监控和系统发电数据的普通用户节省了购买成本。
附图说明
[0028] 图1为控制装置内部电路组成框图。
[0029] 图2为蓄电池剩余电量估测及剩余使用时间计算流程图。
[0030] 图3为风光水互补发电系统整体控制流程图。
[0031] 图4为风力发电设备和水力发电设备最大功率追踪控制结构图。
[0032] 图5为风力发电设备和水力发电设备最大功率追踪控制程序流程图。
[0033] 图6为太阳能发电设备最大功率追踪控制主电路图。
[0034] 图7为太阳能发电设备最大功率追踪控制程序流程图。
[0035] 图8为无线通讯安装使用方式示意图。
具体实施方式
[0036] 图1为本发明提供的风光水互补发电系统控制装置内部电路组成框图,装置包括风力发电设备控制电路、微水力发电设备控制电路、太阳能发电设备控制电路、电压电流检测电路、电压频率测量电路、继电器驱动电路、MOSFET驱动电路、稳压电路、一个存储程序的AVR系列单片机以及单片机外围电路;所述的风力发电设备控制电路和微水力发电设备控制电路分别包括电磁制动电路、整流滤波电路和BUCK电路,风力发电设备及微水力发电设备输出的电压电流分别通过电磁制动电路、整流滤波电路和BUCK电路后输入到直流母线;太阳能发电设备输出的电压电流直接通过BUCK电路输入到直流母线;从直流母线出来的电压电流经继电器后分别连接至逆变器、直流负载以及蓄电池;利用所述的电压电流检测电路检测风力发电设备控制电路和微水力发电设备控制电路中整流滤波电路与BUCK电路间的电压电流信号,同时检测太阳能发电设备输出的电压电流信号以及蓄电池的充放电电压电流信号,将检测到的四路电压电流模拟信号输入至AVR系列单片机的内部AD转换器中,把模拟信号转换成数字信号;利用所述的电压频率测量电路分别测量风力发电设备以及微水力发电设备输出的交流电压频率,将电压频率测量电路输出的方波信号输入至AVR系列单片机内,并利用AVR系列单片机内部计数器对方波进行计数,计算出电压频率,进而计算出风力发电设备和微水力发电设备的转速;将单片机输出的三路脉冲宽度调制信号经MOSFET驱动电路后分别与风力发电设备、微水力发电设备以及太阳能发电设备控制电路中的BUCK电路相连接;将单片机输出的继电器控制信号经继电器驱动电路后与直流负载、逆变器以及蓄电池电路上的继电器相连接;利用所述的稳压电路将蓄电池的端电压稳压至12V和5V两个电压作为系统工作电源,将12V电压信号连接至继电器驱动电路和MOSFET驱动电路中的电源输入端,将5V电压信号连接至单片机、电压频率测量电路、电压电流检测电路以及单片机外围电路的电源输入端;单片机外围电路包括液晶显不电路、键盘阵电路、串口通讯驱动电路、无线通讯电路和故障报警电路,液晶显示电路包括液晶显示驱动电路和一个IXD液晶屏,将单片机的普通IO引脚经液晶显示驱动电路后连接至IXD液晶屏引脚,键盘阵电路为一个4*4键盘阵,键盘阵的输入输出引脚经下拉电阻后连接至单片机的普通IO 口,使用插头将无线通讯电路与单片机的串口通讯驱动电路相连接,串口通讯驱动电路的通讯引脚直接连接至单片机的串口通讯引脚,故障报警电路包括LED指示灯驱动电路、蜂鸣器驱动电路以及LED灯和蜂鸣器,将单片机指示灯控制引脚经LED指示灯驱动电路后连接至LED指示灯,将单片机蜂鸣器控制引脚经蜂鸣器驱动电路后连接至蜂鸣器。
[0037] 图2为蓄电池剩余电量估测及剩余使用时间计算流程图,具体实施步骤为:
[0038] I)利用实验及神经网络估测的方法获得蓄电池电压、电流与剩余电量的关系表,并按照一定的存储规则存储至电量数组中,具体操作方法为:设定蓄电池正常工作下的开路电压范围,最低和最高电压分别对应蓄电池的无电和满充状态,通过实验方法测得蓄电池在静置开路状态下,不同开路电压对应的剩余电量,利用BP人工神经网络对实验样本训练,使用训练好的神经网络得到全范围开路电压下对应的剩余电量;然后,在不同的开路电压下,使用不同的电流对蓄电池充放电,记录不同充放电电流下的工作电压值,由于充放电时间短,认为该时刻的剩余电量均为该开路电压下对应的剩余电量。由此,可以得到不同工作电压、工作电流与剩余电量的关系,将不同充放电电流下的剩余电量按照规则N =(V*10-110)*36+|2*I| (V和I分别 为蓄电池的工作电压和电流)分别存储在单片机的一维数组Q_P[N]和Q_n[N]中,由于同一型号的蓄电池工作电压、电流与剩余电量的关系固定,因此只需配备该风光水互补发电系统控制装置指定的蓄电池即可,不需针对不同的风光水互补发电系统都进行该项工作。
[0039] 2)在风光水互补发电系统工作中,若由蓄电池侧电流检测电路检测到的蓄电池工作电流Ib < 0,则为蓄电池为充电状态,计算当前蓄电池充电电压、电流值对应剩余电量存放的位置N= (VB*10-110)*36+|2*IB| (设定N的数据类型为整数型,其中%和&分别为蓄电池的充电电压和电流),查找充电状态时的剩余电量存储数组中的第N为数的值Q_n[N]即为当前蓄电池的剩余电量,调用LCD驱动Ib蓄电池放电电压、电流值对应剩余电量存放的位置N= (VB*10-110)*36+|2*I| (设定N的数据类型为整数型,其中乂8和Ib分别为蓄电池的放电电压和电流),查找放电状态时的剩余电量存储数组中的第N为数的值Q_p[N]即为当前蓄电池的剩余电量,若Ib > 0,则使用公式t = Q/Ib计算剩余使用时间,调用LCD驱动程序显示放电状态和剩余使用时间,若Ib = 0,则此时蓄电池不工作,直接调用LCD驱动程序显示剩余电量。
[0040] 图3为风光水互补发电系统整体控制流程图,具体实施步骤为:
[0041] I)使用蓄电池剩余电量和工作电流Ib判断风光水互补发电系统的工作状态,参照表I,风光水互补发电系统共有五个工作状态。当蓄电池剩余电量SOC ^ O. 98且蓄电池工作电流IBS O时,此时发电设备同时向蓄电池和负载供电,且蓄电池充满,记为系统工作状态I ;当蓄电池剩余电量SOC ^ O. 98且蓄电池工作电流Ib < O时,此时发电设备和蓄电池同时向负载供电,蓄电池电量充裕,记为系统工作状态II ;当蓄电池剩余电量O. 05 ^ SOC< O. 98,Ib彡O时,此时发电设备同时向蓄电池和负载供电,蓄电池电量不足,记为系统工作状态III ;当蓄电池剩余电量O. 05 ( SOC < O. 98,Ib < O时,此时发电设备和蓄电池同时向负载供电,蓄电池电量不足,记为系统工作状态IV ;S0C < O. 05时,此时蓄电池电量过低,记为系统工作状态V。
[0042] 表I系统运行状态
[0043]
Figure CN102118049BD00091
[0044] 2)在系统工作状态I时,说明蓄电池充满,且自然资源富裕,大于负载用电量,此时首先控制通过调节单片机控制风力发电设备的脉冲宽度调制波的占空比,减小风力发电机发电量,直至蓄电池充电电流为O,风力发电设备工作电流Iwind为O还不能满足蓄电池充电电流为O时,再调节单片机控制微水力发电设备的脉冲宽度调制波的占空比,减小微水力发电设备发电量,微水力发电设备发电量为O还不能满足蓄电池充电电流Iwate为O时,再调节单片机控制太阳能发电设备的脉冲宽度调制波的占空比,减小太阳能发电设备发电量,直至蓄电池充电电流为0,完成在保护电池、稳定电压的同时,保证发电设备发电量与负载的匹配。在系统工作状态I1、系统工作状态III或系统工作状态IV时,调用风力发电设备、微水力发电设备以及太阳能发电设备的最大功率追踪控制程序,调节单片机脉冲宽度调制波的占空比,对各发电设备均进行最大功率追踪控制;在系统工作状态V时,单片机通过继电器驱动电路关断直流负载和逆变器侧的继电器,将系统保护标志位protect_flag置位,同时通过调节单片机脉冲宽度调制波的占空比,对各发电设备均进行最大功率追踪控制,直至剩余电量SOC > O.1时,再控制直流负载和逆变器侧的继电器闭合,将系统保护标志位protect_flag清零。
[0046] 图4为风力发电装置和微水力发电装置最大功率追踪控制框图,通过电压频率测量电路测量出风力发电装置和微水力发电装置输出的电压频率,利用公式I计算出风力发电装置和微水力发电装置的转速,将其带入公式2中,可得到在当前风速或水流量下,风力发电装置或微水力发电装置在最优工作转速下时输出的最优功率Ptjpt,将其带入公式3中,可以得到达到最优转速时,风力发电装置或微水力发电装置经整流滤波电路后的输出电流Γ,将其与通过电流检测电路检测到的风力发电装置或微水力发电装置经整流滤波电路后的输出电流I相比较,得到的电流差经PI控制器后,改变单片机脉冲宽度调制波的占空比,实现风力发电装置或微水力发电装置的转速调节,直至ΛΙ = O。
Figure CN102118049BD00101
[0050] 式I至3中,w为风力发电装置或微水力发电装置的机械角速度,f为风力发电装置或微水力发电装置输出的交流电压频率,np为风力发电装置或微水力发电装置发电机的极对数,P为风或水的密度,R为风力发电装置或水力发电装置的叶轮半径,V为风力发电装置或微水力发电装置经整流滤波电路后的输出电压,Popt为在当前风速或水流量下,风力发电装置或微水力发电装置在最优工作转速下时输出的最优功率,λ opt为风力发电装置或水力发电装置的最优叶尖速比,Cpmax为风力发电装置或微水力发电装置的最大利用系数,I*为达到最优转速时,风力发电装置或微水力发电装置经整流滤波电路后的输出电流。
[0051] 由式I至3,可以得到电流Γ与电压频率f的关系如式4所示。
Figure CN102118049BD00102
[0053] 式4中各变量与式I至3中的变量相同。
[0054] 图5为风力发电设备和水力发电设备最大功率追踪控制程序流程图,具体实施步骤为:对单片机AD转换寄存器及PWM计数寄存器初始化后,读入经AD转换后的电压电流值、并读入由计数器处理得到的电压频率值,将上述电压电流以及频率值经数字滤波后,计算出电流偏差值,如果电流偏差值不为0,则将电流偏差值经PI计算后得到PWM波的占空比D,若D小于或等于0,则将D赋为O. 01,若D大于或等于O. 99,则将D赋为O. 99,若占空比在O. 01与O. 99之间,则D不变,利用得到的占空比计算出PWM计数寄存器对应的值,并更改PWM计数寄存器的值,进而对BUCK电路进行控制,实现风力发电设备和水力发电设备的转速调节直至电流差为O为止,最终实现风力发电设备和水力发电设备最大功率追踪控制。
[0055] 图6为太阳能发电设备最大功率追踪控制主电路图,太阳能发电设备通过BUCK电路后直接与支流母线连接,使用控制单片机PWM输出波的占空比来控制BUCK电路中MOSFET的开关时间,从而控制太阳能发电设备的端电压,使其工作在最优的工作电压下。[0056] 图7为太阳能发电设备最大功率追踪控制程序流程图,具体实施方法为:根据厂家提供的太阳能发电设备在环境温度为25。,光照强度为1000W/m2时对应的最优电压值,计算达到该电压下对应的脉冲宽度调制波占空比,赋给初始值Dlri,并读入此时太阳能发电设备的输出功率Plri,然后给占空比一个AD增值,读入此时的功率Pn,与前一时刻功率Plri比较,若差值大于或等于0,则继续给占空比AD增值,若差值小于0,则给占空比-AD增值,如此往复循环,使光伏阵列动态的工作在最大功率点上。
[0057] 图8为无线通讯安装使用方式示意图,具体使用方法为:风光水互补发电控制装置留有与无线收发驱动模块的通讯接口,使用串口通讯的方式与无线通讯模块通讯,电脑侧使用单片机将接收到的数据信号通过串口通讯的方式传输给电脑。无线通讯模块根据用户的需要购置,对于需要对发电系统进行实时监控的中小型分布式发电系统,可以参照图8的连结方式进行多点通讯,实现对多个发电系统的实时监控。

Claims (6)

1. 一种风光水互补发电系统控制装置,其特征在于:该装置包括风力发电设备控制电路、微水力发电设备控制电路、太阳能发电设备控制电路、电压电流检测电路、电压频率测量电路、继电器驱动电路、MOSFET驱动电路、稳压电路、存储有控制程序的单片机以及单片机外围电路;所述的风力发电设备控制电路和微水力发电设备控制电路分别包括电磁制动电路、整流滤波电路和BUCK电路,风力发电设备及微水力发电设备输出的电压电流分别通过电磁制动电路、整流滤波电路和BUCK电路后输入到直流母线;太阳能发电设备输出的电压电流直接通过BUCK电路输入到直流母线;从直流母线出来的电压电流分别经继电器后连接至逆变器、直流负载以及蓄电池;所述的电压电流检测电路分别检测风力发电设备控制电路和微水力发电设备控制电路中整流滤波电路与BUCK电路间的电压电流信号,同时检测太阳能发电设备输出的电压电流信号以及蓄电池的充放电电压电流信号,将检测到的四路电压电流模拟信号经A/D转换后输入至单片机中;利用所述的电压频率测量电路分别测量风力发电设备以及微水力发电设备输出的交流电压频率,将电压频率测量电路的输出信号输入至单片机中;将单片机输出的脉冲宽度调制信号经MOSFET驱动电路后分别与风力发电设备、微水力发电设备以及太阳能发电设备控制电路中的BUCK电路的输入端相连接;将单片机输出的继电器控制信号经继电器驱动电路后与直流负载、逆变器以及蓄电池电路上的继电器相连接;利用所述的稳压电路将蓄电池的端电压稳压后分别为MOSFET驱动电路、继电器驱动电路、单片机及其外围电路供电。
2.如权利要求1所述的一种风光水互补发电系统控制装置,其特征在于:所述的单片机为AVR系列单片机。
3.如权利要求1所述的一种风光水互补发电系统控制装置,其特征在于:所述的单片机外围电路包括液晶显示电路、键盘阵电路、串口通讯驱动电路、无线通讯电路和故障报警电路。
4.如权利要求3所述的一种风光水互补发电系统控制装置,其特征在于:所述的无线通讯电路为插拔式的无线通讯电路,使用插头连接至单片机外围电路中的串口通讯驱动电路。
5. 一种采用如权利要求1所述装置的风光水互补发电系统控制方法,其特征在于该方法包括如下步骤:1)利用实验及神经网络估算的方法获得蓄电池工作电压、电流与剩余电量的关系表, 按照规则N=(Vb*10-110)*36+|2*Ib|将剩余电量存储至电量数组的第N位,其中Vb和Ib分别为蓄电池的工作电压和电流;2)利用电压电流检测电路检测蓄电池的工作电压和电流,根据检测到的电压、电流值查找出电量存储数组中当前蓄电池电压和电流对应的剩余电量;3)根据蓄电池剩余电量以及蓄电池工作电流来判断系统工作状态:a.当蓄电池剩余电量SOC≥O. 98且蓄电池工作电流Ib≥O时,此时风力发电设备、微水力发电设备和太阳能发电设备同时向蓄电池和负载供电,且蓄电池充满,记为系统工作状态I ;b.当蓄电池剩余电量SOC≥O. 98且蓄电池工作电流IB〈0时,此时风力发电设备、微水力发电设备、太阳能发电设备和蓄电池同时向负载供电,蓄电池电量充裕,记为系统工作状态II ;c.当蓄电池剩余电量O. 05 ( S0C<0. 98,Ib ^ O时,此时风力发电设备、微水力发电设备和太阳能发电设备同时向蓄电池和负载供电,蓄电池电量不足,记为系统工作状态III;d.当蓄电池剩余电量O. 05 ( S0C<0. 98,IB〈0时,此时风力发电设备、微水力发电设备、 太阳能发电设备和蓄电池同时向负载供电,蓄电池电量不足,记为系统工作状态IV ;e.当蓄电池剩余电量S0C〈0. 05时,此时蓄电池电量过低,记为系统工作状态V ;利用蓄电池的剩余电量和工作电流计算出剩余使用时间,调用LCD驱动程序,将剩余使用时间和系统工作状态显示在液晶屏上;4)根据系统工作状态调节各发电设备的发电量:f.在系统工作状态I时,通过调节单片机脉冲宽度调制波的占空比,按顺序依次减小风力发电设备、微水力发电设备以及太阳能发电设备的发电量,维持蓄电池工作电流Ib=O ;g.在系统工作状态I1、系统工作状态III或系统工作状态IV时,通过调节单片机脉冲宽度调制波的占空比,对各发电设备均进行最大功率追踪控制;h.在系统工作状态V时,单片机通过继电器驱动电路关断直流负载和逆变器侧的继电器,同时通过调节单片机脉冲宽度调制波的占空比,对各发电设备均进行最大功率追踪控制,直至剩余电量S0C>0.1时,再控制直流负载和逆变器侧的继电器闭合。
6.如权利要求5所述的一种风光水互补发电系统控制方法,其特征在于:所述的最大功率追踪控制包括如下步骤:1)使用厂家提供的风力发电设备及微水力发电设备的转速功率曲线分别计算出它们的最佳叶尖速比Xopt—风和λ 水以及最大利用系数Cpmax—风和Cpmax—水,通过电压频率测量电路测量出风力发电设备输出的电压频率和微水力发电设备输出的电压频率f*,通过电压检测电路测量风力发电设备经整流滤波电路后的电压卩@和微水力发电设备经整流滤波电路后的电压Vp通过电流检测电路测量风力发电设备经整流滤波电路后的电流Im和微水力发电设备经整流滤波电路后的电流I# ; 2)使用公式
Figure CN102118049BC00031
分别计算出在当前风速和流速下达到最大效率时风力P发电设备经整流滤波后的电流/;和微水力发电设备经整流滤波后的电流/;,与通过电流检测电路测量的风力发电设备经整流滤波后的电流IΛ和微水力发电设备经整流滤波后的电流I#相比较,使用PI控制法分别改变风力发电设备控制电路和微水力发电设备控制电路对应的单片机脉冲宽度调制波占空比,实现风力发电设备和微水力发电设备的转速调节, 直至电流差Λ 1=0;公式中:Ρ为风或水的密度,R为风力发电设备或微水力发电设备的叶轮半径,ηρ为风力发电设备或微水力发电设备的发电机极对数,f为频率V为电压Vw或V水;3)根据厂家提供的太阳能发电设备在环境温度为25。,光照强度为1000W/m2时对应的最优电压值,计算达到该电压下对应的脉冲宽度调制波占空比,赋给初始值Dlri,并读入此时太阳能发电设备的输出功率Plri,然后给占空比一个ΛD增值,读入此时的功率Pn,与前一时刻功率Plri比较,若差值大于或等于0,则继续给占空比Λ D增值,若差值小于0,则给占空比-Λ D增值,如此往复循环,使光伏阵列动态的工作在最大功率点上。
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