CN102185384A - 风光互补发电系统智能控制器 - Google Patents

Abstract

风光互补发电系统智能控制器，其包括MCU主控单元，MCU主控单元均与智能控制单元、风能控制单元、光伏控制单元、无线通讯单元、RS485通讯单元双向连接，电源转换单元与MCU主控单元连接，智能控制单元还分别与外部设备负载输出单元和蓄电池双向连接，RS485通讯单元与GPRS通讯单元双向连接，RS485通讯单元与计算机管理系统连接，计算机管理系统与GPRS通讯单元无线连接，光伏控制单元与外部设备太阳能电池组连接，风能控制单元与风力发电机连接，风能控制单元与电源转换单元连接，电源转换单元与智能控制单元连接。本发明工作稳定性高，能实现远程通讯、检测和控制，可实现计算机信息网络化管理。

Description

风光互补发电系统智能控制器

技术领域

本发明涉及一种发电系统智能控制器，具体的说，是涉及一种风光互补发电系统智能控制器。

背景技术

世界能源危机日趋严重，目前，新能源产业发展迅猛，我国已将新能源产业纳入国家战略性产业，正在加快对太阳能、风能、生物质能等新能源的建设。

风光互补发电技术是目前解决新能源产业季节性缺陷的主流技术之一，已成为新能源产业的重要发展方向。风光互补发电系统的工作原理是：综合利用风力发电机和太阳能电池组作为能源输入部分，兼顾风能和太阳能的双重优点，以蓄电池为能源储存器，使用控制器实现自动充、放电和负载输出。是实现节能减排、绿色环保、未来照明发展的重要高新技术。

现有风光互补发电系统控制器存在以下不足：使用开关管来控制电流输入、输出，容易出现场效应管发热的现象，无法高效率地转化电能；不具备无线通讯、RS485通讯、GPRS通讯功能，无法实现远程通讯、信息交互和实时控制；无法与计算机系统组网以及使用应用软件进行系统管理，不能对分布式风光互补发电系统进行集中式计算机网络管理，不能实现与智能电网和电视网络一样的信息网络化智能管理；对蓄电池充电及保护的措施不过关，容易损坏蓄电池；在高温和严寒的环境中，工作稳定性较差；此外，有些控制器还存在防护等级低、功能单一、成本较高等缺陷。

中国实用新型专利CN201699409U公开了一种风光互补发电系统控制器，对控制器太阳能电池组和风力发电机输出线或蓄电池的电极反接进行保护，实现充电、放电及稳压控制，提供稳定的电源。中国实用新型专利 CN201726167U公开了一种风光互补发电系统的智能控制装置，通过智能控制方法，达到提高用电负载的用电效率以及减少蓄电池充放电次数的目的，能够提高整个风光互补发电系统的利用效率和使用寿命。中国实用新型专利 CN201528211U公开了一种电网互联式110kW风光互补发电系统控制器，可有效地控制风光互补发电系统，合理地指令风光互补发电系统与市电电网的切换。但这些控制器均存在不能实现远程通讯、检测和控制，不能实现计算机信息网络化管理，工作稳定性较差等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种工作稳定性高，能实现远程通讯、检测和控制，可实现计算机信息网络化管理的风光互补发电系统智能控制器。

本发明的技术方案是，其包括MCU主控单元、智能控制单元、风能控制单元、光伏控制单元、电源转换单元、无线通讯单元、RS485通讯单元、GPRS通讯单元，所述智能控制单元、风能控制单元、光伏控制单元、无线通讯单元、RS485通讯单元均与MCU主控单元双向连接，电源转换单元与MCU主控单元连接，所述智能控制单元还分别与外部设备负载输出单元和蓄电池双向连接，RS485通讯单元与GPRS通讯单元双向连接，RS485通讯单元与计算机管理系统连接，计算机管理系统与GPRS通讯单元无线连接，光伏控制单元与外部设备太阳能电池组连接，风能控制单元与风力发电机连接，风能控制单元与电源转换单元连接，电源转换单元与智能控制单元连接。

MCU主控单元，用于控制控制器各组成部分的正常开关以及数据的存储和时间的计算，以及远程通讯。

智能控制单元，用于接收MCU主控单元的指令，实现充电、用电智能控制，起到稳压控制功能。

电源转换单元，用于将风力发电机发出的三相交流电转换成直流电，防止输入和输出电流过大，和向MCU主控单元输送电压采样、电流采样和温度采样。

风能控制单元，用于是检测和控制风力发电机的输入状态。

在MCU主控单元的作用下，光伏控制单元通过智能控制单元实现对蓄电池的充电，具有太阳能电池组或蓄电池的电极反接保护。

无线通讯单元，用于实现远距离通讯和控制，其接收MCU主控单元发出的发射信号，传送采集的电压/电流信息，并向MCU主控单元传送接收到的控制指令；

RS485通讯单元和GPRS通讯单元，用于实现远程通讯和实时监控。

电源转换单元内设有三相整流桥、输入过流保险管和输出过流保险管；三相整流桥用于将风力发电机发出的三相交流电转换成直流电；输入过流保险管和输出过流保险管用于防止输入和输出电流过大而损害控制器和外部负载。

风能控制单元包括温度检测电路和风力发电机输入电压检测电路，温度检测电路内设有一温度检测芯片，用于检测整个控制器的温度。当温度高于限定值时，,风能控制单元会启动，用于控制风力发电机的输入。

光伏控制单元，包括光照度采样单元，光照度采样单元用于将电压∕电流采样信息输送给MCU主控单元，具有太阳能电池组或蓄电池的电极反接保护功能。

所述光伏控制单元还包括防止反向的大功率二极管，直接与太阳能电池组连接，用于在太阳能电池组或蓄电池的电极接反时，有效防止整个控制器内各电子元件被烧坏，提高工作稳定可靠性，设于太阳能电池组与智能控制单元之间的电能输入电路中。

无线通讯单元内设有与外部设备遥控器配套使用的无线通讯收发模块，无线通讯收发模块的频率可随意设置，从而有利于避免与其他无线频率的干扰。无线通讯收发模块内置有信号接收端（RXD）、信息输出端（TXD），分别连接MCU主控单元的信号接收端和信息输出端。无线通讯收发模块内还置有用于接收∕发射信号的天线，其电源由智能控制单元提供。

在无线传输中，控制器可以将当前电池电压、充电电流、负载输出状态、风力发电机刹车状态、控制器运行时间段、累计发电量、当日发电量、运行参数等传输到遥控器中，实现用户现场查看和实时控制整个控制器的状态。遥控器还可以修改控制器负载输出时间和亮度，并可以强制控制风力发电机输入、负载输出、调光信号强度，方便用户的使用。

计算机管理系统由信息监控软件和数据库软件组成，通过GPRS通讯单元和/或RS485通讯单元进行远程通讯、抄读信息、实时监控等。信息监控软件主要功能为信息采集、数据库的调用、故障分析及远程控制，数据库软件主要功能为风光互补发电系统的各类信息的存储和查询。

所述MCU主控单元采用ATMEL公司的低功耗MCU微控制器，用于为控制控制器各组成部分的正常开关以及数据的存储和时间的计算。其主要功能有：电压、电流采样，风力发电机输入的控制，时间的计算，负载输出的控制，太阳能输入控制，状态显示，调光信号输出，功率计算，发电量计算，数据的存储，无线数据传输。通过电压、电流和温度信号采集和分析，能实现太阳能电池反接保护，蓄电池电量过低保护，风力发电机输入/输出过压保护，风力发电机输入/输出过流保护、通讯线路的光电隔离保护等，具有完善的保护功能。在风速过大时，为保护风力发电机及控制器，控制器会自动启动输入过压保护，断开风力发电机输入，使风力发电机空转，并在规定条件下实现风力发电机刹车。当风速降低至安全速度且满足规定时间后，风力发电机输入被重新接入。

所述MCU主控单元包括单片机、控制芯片和电子刹车系统。

所述智能控制单元包括：

稳压控制模块，为MCU主控单元提供稳定的电源；

充电控制模块，用于对蓄电池进行充电控制；

用电控制模块，用于对负载输出单元进行开关操作。

状态显示模块，由六个发光二极管并联构成，每个二极管指示的状态分别为：太阳能状态，通讯状态，风力发电机过压状态，电池状态，电池低压状态，风力发电机输入状态。

所述充电控制模块中使用的开关管优选IRF3805MOS管，源极接在光伏控制单元和电源转换单元的正极，漏极接在蓄电池的正极，MCU主控单元控制该MOS管的门极，达到控制该MOS管的开关效果，实现对蓄电池进行充电控制。

所述用电控制模块中使用的开关管优选IRF1405MOS管，漏极接在负载输出单元的负载负极，源极接在蓄电池负极，MCU主控单元控制该MOS管门极，达到控制该MOS管的开关效果。

所述稳压控制模块中使用的稳压器优选78L05稳压器。

与智能控制单元连接的负载输出单元包括LED路灯等负载，负载输出单元接受MCU主控单元的指令，由MCU主控单元根据太阳能电池组电压判断天黑与天明，自动控制亮灯和关灯。

所述智能控制单元的用电控制模块包括PWM调光模块，PWM调光模块连接MCU主控单元，用于接受调光信号。

PWM调光模块的输出端连接负载输出单元的LED路灯，PWM调光模块用于控制LED路灯工作状态。当太阳能电池组输入端电压有高于3V时，此灯亮，否则此灯灭。当太阳能电池组输入端电压高于12.3V时，智能控制单元自动断开负载输出单元，此时，无负载输出，否则有负载输出。由此，解决了LED路灯白天亮灯的问题，可有效节约能源。

太阳能的输入完全由MCU主控单元控制。MCU主控单元先采样蓄电池的电压，当蓄电池的电压低于充电电压26.6V的时候，MCU主控单元通过光伏控制单元启动太阳能电池组，智能控制单元接到MCU主控单元指令自动接通充电电路，对蓄电池充电；此时，MCU主控单元会一直检测蓄电池的电压，充电电压达到蓄电池的充满电压28.0V或高于28.0V时，智能控制单元接到MCU主控单元指令自动断开充电电路，停止充电。在负载输出单元接通期间，当蓄电池电压发生亏电即低于21.0V时，智能控制单元自动断开负载输出单元电路；当电池电压上升到23.0V以上时，智能控制单元在一段时间之后自动接通负载输出单元电路。

MCU主控单元能综合分析各单元的电压、电流、功率等信息，通过智能控制单元，达到电能高效率转化以及自动保护和控制的目的，有效提高风光互补发电系统的利用效率和使用寿命。智能控制单元为MCU主控单元提供稳定的电源，对蓄电池严格按限流恒压浮充方式充电以及进行保护，并自动控制负载输出。

风力发电机发出的三相交流电通过电源转换单元内的三相整流桥转换成直流。该直流电和太阳能电池组发出的直流电，均通过智能控制单元对蓄电池充电，智能控制单元具有限流恒压浮充功能，以防止蓄电池损坏，并有效降低了控制器本身的损耗，使得控制器能够输出足够大的功率，提高了能源转化效率。

本发明通过无线通讯、RS485通讯、GPRS通讯，实现远程通讯、智能控制、无人值守、信息交互和实时控制，即使在深夜以及台风、冰冻恶劣天气等环境下，也可对风力发电机、太阳能电池组的远程控制及保护。本发明通过RS485通讯单元和GPRS通讯单元可与计算机管理系统组网，可对分布式风光互补发电系统进行集中式计算机网络管理，达到信息网络化智能管理的目标。

本发明通过电源转换单元和智能控制单元，将风力发电机和太阳能电池组发出的电能高效率地供给蓄电池贮存，也可以通过逆变器、电能表输出给国家电网；采用先进、稳定可靠的RS485和GPRS网络通讯技术，通过微电子控制电路，将风光互补发电系统长期发电及用电的电压、电流、功率等信息、工作状态信息转换成电信号，通过RS485和GPRS设备（DTU）实时将信息传给计算机管理软件，同时接收该管理软件传送来的控制信息，完成远程管理及控制，实现了构建风能发电、太阳能发电系统网络化智能管理的核心控制要求。通过计算机管理软件构成的应用系统，对分布式风光互补发电系统进行集中式计算机网络管理。通过由GPRS设备（DTU）、无线传输模块、集中器及485通讯线路组成的复合数据通道网络接口来实现。整个网络的关键通讯数据流均采用DES加密方式及其他数据安全交换手段保证交换过程中数据的安全性及完整性，从而保证了远程通讯和远程管控实用性。

本发明工作稳定性高，能实现远程通讯、检测和控制，可实现计算机信息网络化管理，能源利用效率高，使用寿命长，操作维护方便。本发明集成了新能源利用、远程通讯、计算机管理和智能控制先进技术，是对新能源管理网络化智能化的革命性创新，代表未来新能源系统管理的发展趋势。

附图说明

图1是本发明风光互补发电系统智能控制器一实施例结构原理框图；

图2.1是图1所示实施例的智能控制单元PWM产生电路原理图；

图2.2是图1所示实施例的智能控制单元的用电控制模块电路原理图；

图2.3是图1所示实施例的智能控制单元的状态显示模块电路原理图；

图3.1是图1所示实施例的风能控制单元的温度检测电路原理图；

图3.2是图1所示实施例的风能控制单元的电压检测电路原理图；

图4是图1所示实施例的光伏控制单元的电路原理图；

图5是图1所示实施例的电源转换单元的电路原理图；

图6是图1所示实施例的无线通讯单元的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1，本实施例包括MCU主控单元1、智能控制单元2、风能控制单元3、光伏控制单元4、电源转换单元5、无线通讯单元6、RS485通讯单元7、GPRS通讯单元8，所述智能控制单元2、风能控制单元3、光伏控制单元4、无线通讯单元6、RS485通讯单元7均与MCU主控单元1双向连接，电源转换单元5与MCU主控单元1连接，所述智能控制单元2还分别与外部设备负载输出单元12和蓄电池11双向连接，RS485通讯单元7与GPRS通讯单元8双向连接，RS485通讯单元7与计算机管理系统10连接，计算机管理系统10与GPRS通讯单元8无线连接，光伏控制单元4与外部设备太阳能电池组（图中未示出）连接，风能控制单元3与风力发电机（图中未示出）连接，风能控制单元3与电源转换单元5连接，电源转换单元5与智能控制单元2连接。

以下分别对各组成部分进行详细描述。

（1）MCU主控单元

所述MCU主控单元1包括单片机、控制芯片和电子刹车系统。主要对智能控制单元2、风能控制单元3进行控制，通过无线通讯单元6实施远距离通讯和控制，通过RS485通讯单元7、GPRS通讯单元8实施远程通讯和实时监控，从而实现在深夜以及台风、冰冻恶劣天气等对风力发电机、太阳能电池组的远程控制及保护。MCU主控单元1能综合分析各单元的电压、电流、功率等信息，通过智能控制单元2，达到电能高效率转化以及自动保护和控制的目的，有效提高风光互补发电系统的利用效率和使用寿命。

MCU主控单元1采用了ATMEL公司的ATMEGA16 AVR。此芯片是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器，由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATMEGA16 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构有利于提高代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。 ATMEGA16 有512 字节EEPROM，从而使得不需要外部设置存储芯片就可以存储一些必要的参数；32 个通用I/O 口线，可以完全具备对控制器的控制能力；三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，使其能够在运行的时候比较精确的计算出控制器运行的时间；片内/外中断具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，不需要外加看门狗芯片就使得MCU程序出现紊乱的时候能复位MCU使得MCU重新正常运作。因此采用此芯片不但节约设计成本，也节约了电路设计的空间，并避免了复杂的电路导致的损坏率高的现象。

MCU主控单元1作用主要为控制控制器各组成部分的正常开关以及数据的存储和时间的计算，以及远程通讯。主要功能有：电压、电流采样，风力发电机输入的控制，时间的计算，负载输出的控制，太阳能输入控制，状态显示，调光信号输出，功率计算，发电量计算，数据的存储，无线数据传输、RS485远程通讯等。

电压、电流采样：MCU主控单元1能够实时采样负载的输出电压和充电电流，并通过电压和电流的比值计算出实时功率，每过一段时间就将此段时间的功率计算成充电量存储到芯片中。

风力发电机输入的控制：除了MCU主控单元1检测风力发电机过压后控制输入的方式外，还有一种控制，就是风力发电机输入强制控制。此控制不管风力发电机输入是什么状态，当MCU主控单元1接收到强制控制命令后，就可以强制设置风力发电机输入的开关状态。此强制控制命令需要通过与无线通讯单元无线连接的遥控器9、与RS485通讯单元7双向连接及与GPRS 通讯单元8无线连接的计算机管理系统10从外部输入。

时间的计算：在MCU主控单元1控制其他电路的时候，很多地方都需要精确的时间来控制，所以在设计的时候MCU主控单元1开启了内部的定时器，当定时器达到某一时间段的时候，会定时做一个标志位，MCU主控单元1会通过判断此标志位来了解某一程序走了多少时间。

负载输出的控制：负载输出的控制需要完全由MCU主控单元1控制，在控制器出厂的时候，在MCU的EEPROM中会设置四个时间段的参数，每个时间段都会有一个负载输出的时间设置。当天黑的时候，MCU通过太阳能电压检测到天黑状态，从而开启负载输出，此时负载的输出会按设置的时间段来运行，当四个时间段都运行完或者MCU通过太阳能电池组检测到天亮后，负载都会停止输出，第二天天黑后会重新按设置的时间段重新计时。另外负载的输出也可以通过遥控器、计算机管理系统来强制控制。

调光信号输出：调光信号输出的控制需要完全由MCU主控单元1控制，在控制器出厂的时候，在MCU的EEPROM中会设置四个时间段的参数，每个时间段都会有一个调光信号输出的强度设置。此功能与负载输出时间段在一起使用。当天黑的时候，MCU主控单元1通过太阳能电压检测到天黑状态，从而发生调光信号输出，此时调光信号输出会按设置的时间段来运行，每个时间段输出每个时间段设置的调光信号强度。当四个时间段都运行完或者MCU主控单元1通过太阳能电池组检测到天亮后，调光信号输出会停止输出，第二天天黑后会重新按设置的时间段重新计时。另外调光信号输出也可以通过遥控器9、计算机管理系统10来强制控制。

数据的存储：由于此MCU内部有512 字节EEPROM,所以在不需要外部存储器的情况下就可以存储相应的数据，其存储的数据主要有：累计发电量，当日发电量，负载输出时间，调光信号强度比。

无线数据传输：此功能需要遥控器9的配合，在无线传输中，控制器可以将当前电池电压，充电电流，负载输出状态，风力发电机刹车状态，控制器运行时间段，累计发电量，当日发电量，运行参数等传输到遥控器中。遥控器9可以通过无线方式修改控制器负载输出时间和亮度，并可以强制控制风力发电机输入、负载输出、调光信号强度。由于采用了无线方式方便了用户的使用。

RS485通讯传输：此功能需要计算机管理系10统的配合，需要开发一种应用软件进行通讯和控制。在远程通讯中，控制器可以将当前电池电压，充电电流，负载输出状态，风力发电机刹车状态，控制器运行时间段，累计发电量，当日发电量，运行参数等传输到管理系统中。管理系统可以修改控制器负载输出时间和亮度，并可以强制控制风力发电机输入、负载输出、调光信号强度。可以实现风光互补发电系统的核心智能控制。

（2）智能控制单元

所述智能控制单元，包括稳压控制模块、充电控制模块、用电控制模块和状态显示模块，对蓄电池11严格按恒压浮充、限流保护充电和智能控制、限压保护放电，自动控制负载输出。在本实施例中，所述充电、用电控制模块使用的开关管分别采用IRF3805MOS管和IRF1405MOS管。

（a）稳压控制模块：

智能控制单元2通过稳压控制模块为MCU主控单元1提供稳定的电源。其稳压控制模块采用78L05稳压器，输出10V和5V电压提供给MCU主控单元，该元件工作环境温度为-45℃～85℃，最高输入电压40V，输出电压误差±5%，消耗电流＜3mA，通过这稳压控制模块可以在高温和严寒的情况下稳定地给单片机提供工作所需的5V工作电压。

智能控制单元2接到MCU主控单元1的单片机上，具备电压检测功能，主要用于检测蓄电池输入电压是否低于5V，从而判断蓄电池11是否是损坏，起到保护蓄电池11的作用。因为电源低于5V的话，单片机的A/D模数转换功能就不准，那么必须加上逻辑的检测元件，如果蓄电池11的电压大于5V，该元件输出高电平说明是正常的电池，如果该元件输出低电平说明是坏电池，就不要给蓄电池充电，以免造成爆炸或者未知的后果，该元件工作环境温度为-45℃～85℃，符合工业级的要求，可以在高温和严寒的情况下正常检测蓄电池的电压，从而保证系统稳定运行。

参照图2.1，智能控制单元PWM产生电路原理图。

智能控制单元2的稳压控制模块内设有PWM产生器，PWM产生器主要为开关电源转换电路5提供PWM 波形，从而使得电源转换电路5能输出额定的电压。采用了三路采样电路来保证了电源的可靠性，一路为电压采样，另外两路外电流采样，电压采样通过采集电源转换电路的输出电压Vout来控制PWM波形，一路电流采样通过采样给蓄电池充电的电流（充电采样）来控制PWM波形，当采样到的充电电流过大的时候会给PWM芯片一个信号IFB，并控制PWM波形的输出，并进一步控制给蓄电池充电的电流，从而达到防止控制器过度发热而降低转换效率和充电电流过大而损坏蓄电池的问题。另外一路电流采样通过采样MOS管Q4、Q5（参见图5）导通后的电流状态IF2来控制PWM波形，当IF2的电流过大时，可能控制器已经工作不正常，此时IF2信号会反馈到PWM芯片IC3，PWM芯片会截止PWM波形的输出，由此断开风力发电机部分的电源输入，有效防止控制器工作不正常而损坏负载。当三路采样一起使用的时候，比起一般的开关电源来说，使得此控制器不但能输出稳定的电压、电流，并能有效的保护负载和控制器。

（b）充电控制模块

充电控制模块的MOS管的源极接在光伏控制单元4和电源转换单元5的正极，漏极接在蓄电池11的正极，MCU主控单元1控制MOS管的门极，就可以达到控制MOS管的开关效果，从而对蓄电池11进行充电控制。该MOS管的内阻是18mΩ，最大电流是60A，在该控制电路中能够稳定工作。

（c）用电控制模块

参照图2.2，智能控制单元的用电控制模块电路原理图。

用电控制模块与充电控制模块的工作原理相同，用电控制模块中的漏极接在负载负极，源极接在蓄电池负极，然后MCU主控单元1控制MOS管门极，就可以达到MOS管的开关效果，可以对负载进行开和关，MOS管的内阻是18mΩ，最大电流是60A，在该控制电路中的最大20A电流的条件下稳定工作。

当风力发电机输入或者太阳能电池组输入给蓄电池11充电后，MCU主控单元1就可以控制负载的输出电流。OUT1为负载的负极，通过一个大功率MOS管Q6与蓄电池的负极连接。MCU主控单元通过控制Q6的导通来控制负载的输出。负载的正极与蓄电池相连，为了防止输出过流，在蓄电池与负载正极间加了保险管，防止正负极短路而造成的不必要的损害。OUT-1为MCU主控单元信号控制端口。MCU主控单元1会通过收集到得各个信息来控制负载的通断。

（d）状态显示模块：

参照图2.3，智能控制单元2的状态显示模块电路原理图。

状态显示模块由六个发光二极管构成，每个发光二极管指示的状态分别为：太阳能状态，通讯状态，风力发电机过压状态，电池状态，电池低压状态，风力发电机输入状态。以下分别对各种状态进行简要描述。

太阳能状态：当太阳能电池端有电压输入时，MCU主控单元1会检测到太阳能的电压状态，并通MCU控制太阳能状态指示灯点亮。

通讯状态：当外界有与控制器做通信交换时，MCU主控单元1会控制此灯点亮，当通信结束的时候MCU主控单元1会控制其熄灭。

风力发电机过压状态：当MCU主控单元1检测到风力发电机输入电压超过设定的电压值的时候，MCU主控单元1会控制此指示灯点亮。如果MCU主控单元1检测到风力发电机输入电压低于设定的低电压的时候就会熄灭此灯。

电池状态：当MCU主控单元1检测到蓄电池11电压在23~25.6V的时候，此指示灯会长亮，当MCU主控单元1检测到蓄电池11电压在25.6~28V的时候，此指示灯会闪亮，当MCU主控单元1检测到蓄电池11电压在28~28.2V的时候，此指示灯熄灭。

电池低压状态：当MCU主控单元1采样到蓄电池11的电压低于21.0V的时候，MCU主控单元1会点亮此灯，直到MCU主控单元1检测到蓄电池11电压超过23.0V才会熄灭。

风力发电机输入状态：当风力发电机输入端有输入的时候，此灯会亮起。没有输入的时候会熄灭。

（3）风能控制单元

参照图3.1，风能控制单元接入的风力发电机由ABC三相输入，然后通过一个三相整流桥将风力发电机交流电压转换为直流电压，供给下一级的电源转换单元。

风能控制单元的结构是为了让风力发电机和整个控制器能够控制在正常的运作范围内而设计的。

主要用于是检测和控制风力发电机的输入状态，风能控制单元3由温度检测电路和风力发电机输入电压检测电路构成。温度检测电路内设有一温度检测芯片，用于检测整个控制器的温度。当控制器的工作温度高于温度芯片额定温度的时，其温度控制芯片会发出一个温度过高命令，此命令指示风能控制单元内部的两个继电器JD1、JD2动作，使得风力发电机输入的三相相互短路，将风力发电机停止转动，因此也停止了风力发电机的输入。

风力发电机输入电压检测电路部分的工作原理为：风力发电机工作时，将电压分压后，用风力发电机输入电压检测电路检测风力发电机的电压，并将电压的状态发送给MCU主控单元1，MCU主控单元1判断电压状态，发送命令给风能控制单元内部的两个继电器JD1、JD2动作，从而控制风力发电机输入的状态。

参照图3.2，风能控制单元的电压检测电路原理图。其中H/V为风力发电机电压检测点。通过设置两个电压参考点，并让其与H/V比较，当电压高于设定的高压的时候，风力发电机高压检测端口会输出信号，当电压低于设定的低压的时候，风力发电机低压检测会输入信号，这两个信号都连接到MCU主控单元，MCU主控单元通过判断这两个信号的状态，来控制风力发电机输入状态。

（4）光伏控制单元

参照图4，光伏控制单元电路原理图。光伏控制单元4包括光照度采样单元，光照度采样单元将相关信息输送给MCU主控单元1。所述光伏控制单元4还包括防止反向的大功率二极管，直接与太阳能电池组连接，用于在太阳能电池组或蓄电池11的电极接反时，有效防止整个控制器内各电子元件被烧坏，设于太阳能电池组与智能控制单元2之间的电能输入电路中。

光伏控制单元4与MCU主控单元1连接，太阳能的输入完全由MCU主控单元1控制。MCU主控单元1先采样蓄电池的电压，当蓄电池11的电压低于充电电压26.6V的时候，MCU主控单元1会启动太阳能电池组充电，此时MCU主控单元1会一直检测蓄电池11的电压，充电电压达到蓄电池11的充满电压28.0V的时候MCU主控单元1会停止太阳能充电。

太阳能电池组通过一个防倒流的二极管能有效地防止了太阳能充电过大而损坏二极管。该二极管选用一个大功率的二极管，其太阳能的控制信号有图示的光伏充电信号输入，并通过一个Q11 MOS管进行一级放大驱动，再驱动Q12 大功率MOS管，当太阳能电池组需要断开充电的时候，MCU主控单元会控制Q12导通使得太阳能的电流流向负极从而实现不给蓄电池11充电的目的。

（5）电源转换单元

参照图5，电源转换单元电路原理图。

风力发电机发出的三相交流电通过电源转换单元5内的三相整流桥转换成直流。其主体结构为一个开关电源，由于风力发电机输入的电压都比较高，所以在设计中采用了BUCK工作电路。并采用了低内阻，大功率的MOS管作为开关电源的功率管，与互感形式的开关电源相比，有效降低了控制器本身的损耗并使得控制器能够输出足够大的功率。开关电源的PWM部分由PWM产生器产生并通过一个推挽运放来驱动MOS管，有效地避免了PWM产生器驱动能力不足的问题。在电源内部转换中设置有输入过流保险管，输出过流保险管，防止输入和输出电路过大而损坏控制器和外部负载。

（6）无线通讯单元

参照图6，无线通讯单元电路原理图。

无线通讯单元6用于用户查看和控制控制器状态。由于控制器很多时候有放在人们不方便查看的地方，所以配置了无线通讯收发模块，其功能需要遥控器配套的配合，在无线的选择方面采用了可以随意设置频率的无线模块，避免了其他无线频率的干扰，解决了红外通讯不适用本实施例的问题。大大方便了客户的使用。

无线通讯单元6，用于实现远距离通讯和控制，其接收MCU主控单元1发出的发射信号，传送采集的电压/电流信息，并向MCU主控单元传送通讯指令。

无线通讯单元6可以进行调光信号设置和控制，其调光信号电路原理为：

控制器一般用在路灯上，用户在路灯的控制不仅要求只控制负载的通断，很多的时候还需要控制路灯在某一时间断的亮度。调光信号是PWM波形，通过输入的一个频率不同占空比不一样的PWM波形来调节路灯的亮度，其PWM波形完全由MCUOUT-2发出，OUT2为与需要接调光信号的接口连接。负载的设计有考虑调光信号的输出能力，负载的调光信号接口是一个电阻很小的高电平，由于控制器输出的时候会出现低电平现象，所以当控制器的调光信号为低电平的时候，负载端的调光信号接口会反串一个大电流到控制器，小则会加大负载的功耗，大则会损坏负载内部电路或者控制器调光信号电路。所以在设置的时候特别添加了防倒向二极管和一个双向TVS管，有效防止了电流的倒流和负载电路损坏而使得高电压对控制器的攻击。

（7）RS485通讯单元和GPRS通讯单元

RS485通讯单元7采用RS485接口模式，采用了目前工业界功耗性能最好的半双工RS485收发器（美国MAXIM公司的MAX3471EUA），GPRS通讯单元支持并采用先进的GPRS公用无线通信网络技术。RS485通讯单元可以通过RS485采集器、RS485-RS232转换模块直接连接计算机管理系统，每个RS485采集器可以连接数百台控制器，完成远程通讯、信息交互、智能控制及实时监控；也可以通过GPRS通讯单元，其中包括RS485采集器、GPRS分站采集器或集中器，需要插入已开通GPRS 业务功能的SIM 卡或开通GPRS帐户，可以连接上万台、甚至百万台控制器，进行远程通讯、抄读信息、智能控制及实时监控等。实现对分布式新能源进行集中式计算机系统管理，实现信息网络化智能管理，解决了家用、工业用、市政用、监控指示用等风光互补发电系统的用电节能问题。

RS485通讯线路使用了光电隔离技术，对控制器主电路与通讯电路进行光电隔离，防止通讯相互干扰，避免造成通讯故障及损坏，保证了通讯线路的安全性和可靠性。

控制器的通讯协议和数据组帧格式是参照DL/T 645标准制定的，整个网络的关键通讯数据流均采用DES加密方式及其他数据安全交换手段保证交换过程中数据的安全性及完整性，从而保证了远程通讯的实用性。数据加密过程采取64位的DES加密算法，其采取特别的程序编码方式，对执行代码占用空间和运行效率进行了优化，将一个用C语言编写要使用1K RAM空间、代码长度在6K以上的一个DES加解密过程程序，在使用本设计方法后仅仅使用了24个RAM空间，执行代码的长度也压缩到2K左右，而且运行速度在同样的晶振速度下也从原来的5.6mS降低至2.6mS。经过实际28万组随机数据的仿真运行，结果完全正确。整个算法过程在占用极其有限的资源条件下完成，该项技术在远程数据交换过程中的使用也是一项创新。管理系统和控制器按约定的解密规则对加密的通讯数据帧进行解密，解密的数据如果合法完成一次成功的通讯。

RS485采集器连接控制器及GPRS分站采集器，起到集结控制器传输信号的功能。

GPRS分站采集器连接RS485采集器，起到数据向下与RS485采集器有线传输、向上与计算机管理系统无线传输的作用。

计算机管理系统10与GPRS分站采集器无线连接，对控制器实行各类实时的操作，并实现数据的存储、统计分析、查询、打印等功能。

所述RS485采集器配备了RS232-RS485上游端口各1个，RS485下游端口4/8 个。其采用的是国际上最先进的收发芯片，采用多级抗雷击及瞬变干扰措施（1、半导体类气体防雷管，2、自恢复保险管，3、瞬变电压抑制管），使设备和通讯得到可靠的保护。在数据的传输的过程中完全实现了数据的透明传输，并具有增强信号的传输可靠性和传输距离。

所述GPRS分站采集器配备了一个RS23-RS485可选接口。并具有数据接口波特率可设、支持标准TCP/IP 协议、支持永远在线、Address-IMEI Mapping技术节省无线带宽等功能。此GPRS分站采集器依靠服务器的的依托，用户不需要设置复杂的地址编码即可将GPRS分站采集器投入使用。

（8）计算机管理系统

计算机管理系统10和RS485通讯单7元、GPRS通讯单元8连接控制器通过RS485和GPRS设备（DTU）与计算机管理软件连接，该管理软件主要包括电脑PC、操作系统、建南能源管理系统V1.0及INTER网络接口。其中能源管理系统又包括信息监控软件、数据库软件。数据库软件主要功能为风光互补发电系统的各类信息的存储和查询；信息监控软件主要功能为实现数据库的调用、控制器的数据抄读、远程通讯、信息交互和实时监控。INTER网络主要负责保障信息监控软件与控制器间的数据传输链路畅通。

本发明具备无线通讯单元6、RS485通讯单元7、GPRS通讯单元8，可以实现远距离通讯、参数设置和控制；并可通过RS485和GPRS设备（DTU）实时将风光互补发电系统长期发电及用电的电压、电流、功率等信息、工作状态信息转换成电信号，传送给计算机管理软件10，同时接收该管理软件传送来的控制信息，完成远程通讯、智能控制、无人值守及实时监控，实现了构建风能发电、太阳能发电系统网络化智能管理的核心控制要求，对分布式风光互补发电系统进行集中式计算机网络管理，实现与智能电网和电视网络一样的信息网络化智能管理。整个网络的关键通讯数据流均采用DES加密方式及其他数据安全交换手段保证交换过程中数据的安全性及完整性，从而保证了远程通讯和远程管控实用性。由于智能控制单元采用MOS管开关电路，达到电能高效率转化；并且采用MCU单片机，设有采样电路和智能控制电路，对蓄电池进行限流恒压浮充，实现了自动保护和控制的目的，有效地提高风光互补发电系统的利用效率和使用寿命。由于智能控制单元的电能输入输出电路中设有大功率整流桥，用以当太阳能电池组或蓄电池电极接反时，能有效防止电子元件被烧坏；由于各元器件符合工业级的要求，工作环境温度为-45℃～85℃，可以在高温和严寒的情况下正常工作，从而保证系统稳定运行。

以上只是本发明的一种实施方式，一个优选示范例。本发明专利申请请求保护的范围并不只限于所述实施方式。凡与本实施例等效的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.风光互补发电系统智能控制器，其特征在于，包括MCU主控单元、智能控制单元、风能控制单元、光伏控制单元、电源转换单元、无线通讯单元、RS485通讯单元、GPRS通讯单元，所述智能控制单元、风能控制单元、光伏控制单元、无线通讯单元、RS485通讯单元均与MCU主控单元双向连接，电源转换单元与MCU主控单元连接，所述智能控制单元还分别与外部设备负载输出单元和蓄电池双向连接，RS485通讯单元与GPRS通讯单元双向连接，RS485通讯单元与计算机管理系统连接，计算机管理系统与GPRS通讯单元无线连接，光伏控制单元与外部设备太阳能电池组连接，风能控制单元与风力发电机连接，风能控制单元与电源转换单元连接，电源转换单元与智能控制单元连接；

MCU主控单元，用于控制控制器各组成部分的正常开关以及数据的存储和时间的计算，以及远程通讯；

智能控制单元，用于接收MCU主控单元的指令，实现充电、用电智能控制，起到稳压控制功能；

电源转换单元，用于将风力发电机发出的三相交流电转换成直流电，防止输入和输出电流过大，和向MCU主控单元输送电压采样、电流采样和温度采样；

风能控制单元，用于是检测和控制风力发电机的输入状态；

在MCU主控单元的作用下，光伏控制单元通过智能控制单元实现对蓄电池的充电，具有太阳能电池组或蓄电池的电极反接保护功能；

无线通讯单元，用于实现远距离通讯和控制，其接收MCU主控单元发出的发射信号，传送采集的电压/电流信息，并向MCU主控单元传送接收到的控制指令；

RS485通讯单元和GPRS通讯单元，用于实现远程通讯和实时监控。

2.根据权利要求1所述的风光互补发电系统智能控制器，其特征在于，电源转换单元内设有三相整流桥、输入过流保险管和输出过流保险管；三相整流桥用于将风力发电机发出的三相交流电转换成直流电；输入过流保险管和输出过流保险管用于防止输入和输出电流过大而损害整个控制器和外部负载。

3.根据权利要求1或2所述的风光互补发电系统智能控制器，其特征在于，风能控制单元包括温度检测电路和风力发电机输入电压检测电路，温度检测电路内设有一温度检测芯片，用于检测整个控制器的温度。 

4.根据权利要求1或2所述的风光互补发电系统智能控制器，其特征在于，光伏控制单元包括光照度采样单元，光照度采样单元用于将电压∕电流采样信息输送给MCU主控单元。

5.根据权利要求1或2所述的风光互补发电系统智能控制器，其特征在于，所述光伏控制单元还包括防止反向的大功率二极管，直接与太阳能电池组连接，用于在太阳能电池组或蓄电池的电极接反时，有效防止整个控制器内各电子元件被烧坏，设于太阳能电池组与智能控制单元之间的电能输入电路中。

6.根据权利要求1或2所述的风光互补发电系统智能控制器，其特征在于，所述MCU主控单元包括单片机、控制芯片和电子刹车系统。

7.根据权利要求1或2所述的风光互补发电系统智能控制器，其特征在于，所述智能控制单元包括：

稳压控制模块，为MCU主控单元提供稳定的电源；

充电控制模块，用于对蓄电池进行充电控制；

用电控制模块，用于对负载输出单元进行开关操作；

状态显示模块，由六个发光二极管并联构成，每个二极管指示的状态分别为：太阳能状态，通讯状态，风力发电机过压状态，电池状态，电池低压状态，风力发电机输入状态。

8.根据权利要求7所述的风光互补发电系统智能控制器，其特征在于，所述充电控制模块中使用的开关管选用IRF3805MOS管，IRF3805MOS源极接在光伏控制单元和电源转换单元的正极，漏极接在蓄电池的正极，MCU主控单元控制IRF3805MOS的门极。

9.根据权利要求7所述的风光互补发电系统智能控制器，其特征在于，所述用电控制模块中使用的开关管选用IRF1405MOS管，IRF1405MOS管漏极接在负载输出单元的负载负极，源极接在蓄电池负极，MCU主控单元控制IRF1405MOS管门极。

10.根据权利要求7所述的风光互补发电系统智能控制器，其特征在于，所述稳压控制模块中使用的稳压器选用78L05稳压器。

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