CN102427231B - 小型风力发电载荷智能控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型风力发电载荷智能控制系统及方法，控制步骤如下：步骤一：系统初始化，智能判断系统中是否有载荷请求切入；步骤二：智能判断载荷优先级切入、切出载荷；步骤三：智能切出非关键性载荷，给蓄电池充电。包括蓄电池、逆变器、变压器、控制器、若干执行模块，蓄电池、逆变器、变压器依次串联，并且在蓄电池和逆变器之间设有电流传感器和电压传感器，若干执行模块依次并联变压器输出端；控制器分别与电流传感器、电压传感器，若干执行模块连接，防止发生蓄电池过放的情况，有效提高蓄电池的使用寿命，避免突然切入载荷导致无法正常工作，依据载荷的重要程度和蓄电池的SOC，自动给出载荷的切入、切出策略。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力控制系统，尤其涉及一种小型风力发电载荷智能控制系统及方法。
背景技术
在现有技术中出于控制成本考虑，独立运行的户用小型风力发电一般没有专门的铅酸蓄电池充放电保护电路，作为代替的是，用户需经常观察蓄电池电压显示值，防止发生过充或者过放。
用户在使用过程中，若发现蓄电池电压过低时，就必须切除载荷，风力发电机只用于给蓄电池充电；另外即使蓄电池的电压高于放电下限电压，若用户切入大功率的载荷时，仍很可能会导致蓄电池电压的大幅下降。严重时还会导致系统内其它小功率载荷无法正常运行甚至损坏。在这种条件下，对用户操作水平提出了过高的要求，很容易发生蓄电池过充和过放，从而损坏蓄电池。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种小型风力发电载荷智能控制系统及方法，它具有可以根据蓄电池的荷电状态以及载荷的大小决定是否允许切入等优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种小型风力发电载荷智能控制系统，包括风力发电机、整流器、蓄电池、逆变器、变压器、控制器、若干执行模块，风力发电机、整流器、蓄电池、逆变器、变压器依次串联，并且在蓄电池和逆变器之间设有电流传感器和电压传感器，若干执行模块依次并联在变压器输出端；控制器分别与电流传感器、电压传感器，若干执行模块连接。
执行模块上设有输入输出电路和三极管，输入输出电路的输入端与变压器的输出端连接，并且输入输出电路上串联负载传感器和继电器常开开关；负载传感器信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端与三极管的基极连接，并且控制器的信号输出端与三极管的基极连接线路上串联电阻。
输入输出电路上并联电阻和继电器常闭开关，电阻和继电器常闭开端串联。
三极管集电极接低电压，并且集电极上串联继电器线圈，三极管发射极接地。
SOC：state of charge的缩写，在电池行业，SOC指的是充电状态，指荷电状态，又称剩余容量，表示电池继续工作的能力，当蓄电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。SOC＝1即表示为电池充满状态。控制蓄电池运行时必须考虑其荷电状态。
一种小型风力发电载荷智能控制系统及方法，控制步骤如下：
步骤一：系统初始化，智能判断系统中是否有载荷请求切入；
用户对所有可能连接载荷的性质进行初始化设定，如载荷的额定功率，是否为关键性载荷，属于阻性、感性或容性，季节性、均衡性还是随机性等。
当没有载荷连接时，右端开路，负载传感器输出低电平至控制器，控制器对应端口输出低电平使三极管截至，继电器线圈不通电，相应的常开触点断开。
当有载荷连接时，载荷与电阻R、负载传感器形成一个闭合回路。负载传感器两检测端之间阻值小于50K，其输出端为高电平。此时控制器检测到这一高电平信号，判断出有载荷请求切入。根据电压传感器采集的蓄电池输出电压，估算出当前蓄电池的SOC，以及此时可以输出的最大电流。控制器根据当前蓄电池SOC以及载荷性质，包括功率、起动电流、是否为关键性载荷来判断是否允许载荷切入。
步骤二：智能判断载荷优先级切入、切出载荷；
当蓄电池剩余电量充足，可以提供载荷启动及正常工作的电流，则控制器相应端口输出高电平，三极管导通，继电器线圈通电，相应的常开触点闭合，同时常闭触点断开，系统允许新的载荷切入。
当蓄电池剩余电量不足以提供载荷启动所需电流，但该载荷为关键性载荷，则检测系统内是否接有其它优先级低的载荷：若有且功率大于欲切入载荷的功率，则给出提示，由用户决定是切断其它低优先级载荷而接入新载荷，还是不进行任何操作；若欲切入载荷为非关键性载荷，或者为关键性载荷但其余载荷功率小于欲切入载荷的功率，则给用户发出无法切入载荷的警告。
当无新载荷接入，但由于蓄电池SOC的降低，无法满足所有载荷的需要，则对用户发出警告，要求用户采取措施。如果在一定时间内用户无反应，则按照优先级从低到高的顺序，依次断开相应载荷的继电器触点，直到蓄电池可以满足载荷需求。
类似电视机、打印机等用电设备来讲，即使关闭开关，如不拔下插头仍然会消耗少量的待机功率(一般在10W以内)。这个功率虽小，但累计下来也要消耗不少能量。由于待机功率相比于正常工作要小很多，因此在检测到载荷进入待机(载荷等效阻值突然增大)，延时一段时间后断开继电器，以便把载荷完全切出。
步骤三：智能切出非关键性载荷，给蓄电池充电：
通过电压传感器以及电流传感器，累计计算蓄电池充放电安时数，并实时显示。当放电安时数逼近设定值，默认设定值为蓄电池总容量的70％，发出警告通知用户，并在超过设定值5％后切出所有非关键性载荷。直到蓄电池重新充电达到或超过设定值，给出提示后才恢复非关键性载荷供电。
负载传感器型号的选择：
| 型号 | 额定电流(A) | 型号 | 额定电流(A) |
| ZA1N | 0.4 | ZA5N | 5.0 |
| ZA2N | 1.0 | ZA6N | 8.0 |
| ZA3N | 1.5 | ZA1NG | 12.0 |
| ZA4N | 3.0 | ZA2NG | 16.0 |
载荷性质从电压和电流的关系来区分，可分为阻性载荷、感性载荷和容性载荷三类；按重要程度来区分，可分为关键性载荷和非关键性载荷；从全天使用时间上来区分，大致可分为白天、晚上和全天三种；在全年使用时间上来区分，载荷性质有分为均衡性、季节性和随机性三种情况。
对典型家庭用户的载荷进行分类，并使用各自的供电线路及插座。按照载荷额定功率的大小，将插座分为小功率、中等功率、大功率等几档。其中每一档也进行细化。用户在初次使用以及新增或替换载荷时，可以通过键盘设定载荷的关键参数，如额定功率，所属类别等。如白炽灯：额定功率为40W，属于阻性小功率，全年均衡，晚上使用的载荷，在夜晚时属于关键性载荷；制冷立式空调：额定功率1500W，属于感性大功率，季节性，白天使用的载荷，在夏季属于关键性载荷。
控制器根据输入的额定功率，计算出载荷正常工作时的额定电流。而对于感性载荷而言，还有一个启动电流的问题。通常起动电流为正常工作电流的2～3倍，有时甚至高达5～7倍。例如一台在正常运转时功率150W左右的电冰箱，其启动功率可高达1000W以上。
本发明的有益效果：
本发明可以通过对载荷状态的实时监控，防止发生蓄电池过放的情况，可以有效提高蓄电池的使用寿命，另外还可以避免发生因切入载荷超过蓄电池的最大输出能力进而启动保护装置，导致所有接入的设备均无法正常工作的情况，还可以依据载荷的重要程度和蓄电池的SOC，自动给出载荷的切入、切出策略。
附图说明
图1为载荷智能控制系统示意图；
图2为执行模块结构图；
图3为载荷智能控制系统控制方法流程图。
其中，1.风力发电机，2.整流器，3.蓄电池，4.电压传感器，5.电流传感器，6.逆变器，7.控制器，8.变压器，9.执行模块，10.继电器线圈，11.负载传感器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3所示，本发明一种小型风力发电载荷智能控制系统，包括风力发电机1、整流器2、蓄电池3、逆变器6、变压器8、控制器7、若干执行模块9，风力发电机1、整流器2、蓄电池3、逆变器6、变压器8依次串联，并且在蓄电池3和逆变器6之间设有电流传感器5和电压传感器4，若干执行模块9依次并联在变压器输出端；控制器7分别与电流传感器5、电压传感器4，若干执行模块9连接。
执行模块上设有输入输出电路和三极管，输入输出电路的输入端与变压器8的输出端连接，并且输入输出电路上串联负载传感器11和继电器常开开关；负载传感器11信号输出端与控制器7的信号输入端连接，控制器7的信号输出端与三极管的基极连接，并且控制器7的信号输出端与三极管的基极连接线路上串联电阻。
输入输出电路上并联电阻和继电器常闭开关，电阻和继电器常闭开端串联，三极管集电极接低电压，并且集电极上串联继电器线圈10，三极管发射极接地。
一种小型风力发电载荷智能控制系统及方法，控制步骤如下：
步骤一：系统初始化，智能判断系统中是否有载荷请求切入；
用户对所有可能连接载荷的性质进行初始化设定，如载荷的额定功率，是否为关键性载荷，属于阻性、感性或容性，季节性、均衡性还是随机性等。
当没有载荷连接时，右端开路，负载传感器11输出低电平至控制器7，控制器7对应端口输出低电平使三极管截至，继电器线圈10不通电，相应的常开触点断开。
当有载荷连接时，载荷与电阻R、负载传感器11形成一个闭合回路。负载传感器11两检测端之间阻值小于50K，其输出端为高电平。此时控制器7检测到这一高电平信号，判断出有载荷请求切入。根据电压传感器4采集的蓄电池3输出电压，估算出当前蓄电池3的SOC，以及此时可以输出的最大电流。控制器7根据当前蓄电池3SOC以及载荷性质，包括功率、起动电流、是否为关键性载荷来判断是否允许载荷切入。
步骤二：智能判断载荷优先级切入、切出载荷；
当蓄电池3剩余电量充足，可以提供载荷启动及正常工作的电流，则控制器7相应端口输出高电平，三极管导通，继电器线圈10通电，相应的常开触点闭合，同时常闭触点断开，系统允许新的载荷切入。
当蓄电池3剩余电量不足以提供载荷启动所需电流，但该载荷为关键性载荷，则检测系统内是否接有其它优先级低的载荷：若有且功率大于欲切入载荷的功率，则给出提示，由用户决定是切断其它低优先级载荷而接入新载荷，还是不进行任何操作；若欲切入载荷为非关键性载荷，或者为关键性载荷但其余载荷功率小于欲切入载荷的功率，则给用户发出无法切入载荷的警告。
当无新载荷接入，但由于蓄电池3SOC的降低，无法满足所有载荷的需要，则对用户发出警告，要求用户采取措施。如果在一定时间内用户无反应，则按照优先级从低到高的顺序，依次断开相应载荷的继电器触点，直到蓄电池可以满足载荷需求。
类似电视机、打印机等用电设备来讲，即使关闭开关，如不拔下插头仍然会消耗少量的待机功率(一般在10W以内)。这个功率虽小，但累计下来也要消耗不少能量。由于待机功率相比于正常工作要小很多，因此在检测到载荷进入待机(载荷等效阻值突然增大)，延时一段时间后断开继电器，以便把载荷完全切出。
步骤三：智能切出非关键性载荷，给蓄电池充电：
通过电压传感器4以及电流传感器5，累计计算蓄电池充放电安时数，并实时显示。当放电安时数逼近设定值，默认设定值为蓄电池总容量的70％，发出警告通知用户，并在超过设定值5％后切出所有非关键性载荷。直到蓄电池3重新充电达到或超过设定值，给出提示后才恢复非关键性载荷供电。
负载传感器的选择：
| 型号 | 额定电流(A) | 型号 | 额定电流(A) |
| ZA1N | 0.4 | ZA5N | 5.0 |
| ZA2N | 1.0 | ZA6N | 8.0 |
| ZA3N | 1.5 | ZA1NG | 12.0 |
| ZA4N | 3.0 | ZA2NG | 16.0 |
载荷性质从电压和电流的关系来区分，可分为阻性载荷、感性载荷和容性载荷三类；按重要程度来区分，可分为关键性载荷和非关键性载荷；从全天使用时间上来区分，大致可分为白天、晚上和全天三种；在全年使用时间上来区分，载荷性质有分为均衡性、季节性和随机性三种情况。
对典型家庭用户的载荷进行分类，并使用各自的供电线路及插座。按照载荷额定功率的大小，将插座分为小功率、中等功率、大功率等几档。其中每一档也进行细化。用户在初次使用以及新增或替换载荷时，可以通过键盘设定载荷的关键参数，如额定功率，所属类别等。如白炽灯：额定功率为40W，属于阻性小功率，全年均衡，晚上使用的载荷，在夜晚时属于关键性载荷；制冷立式空调：额定功率1500W，属于感性大功率，季节性，白天使用的载荷，在夏季属于关键性载荷。
控制器7根据输入的额定功率，计算出载荷正常工作时的额定电流。而对于感性载荷而言，还有一个启动电流的问题。通常起动电流为正常工作电流的2～3倍，有时甚至高达5～7倍。例如一台在正常运转时功率150W左右的电冰箱，其启动功率可高达1000W以上。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种小型风力发电载荷智能控制系统，包括风力发电机、整流器、蓄电池、逆变器、变压器、控制器、若干执行模块，所述风力发电机、整流器、蓄电池、逆变器、变压器依次串联，并且在蓄电池和逆变器之间设有电流传感器和电压传感器，所述若干执行模块依次并联在变压器输出端；所述控制器分别与电流传感器、电压传感器，若干执行模块连接；
所述执行模块上设有输入输出电路和三极管，所述输入输出电路的输入端与变压器的输出端连接，并且输入输出电路上串联负载传感器和继电器常开开关；所述负载传感器信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端与三极管的基极连接，并且控制器的信号输出端与三极管的基极连接线路上串联电阻。
2.如权利要求1所述小型风力发电载荷智能控制系统，其特征是，所述输入输出电路上并联电阻和继电器常闭开关，所述电阻和继电器常闭开端串联。
3.如权利要求1所述小型风力发电载荷智能控制系统，其特征是，所述三极管集电极接低电压，并且集电极上串联继电器线圈，所述三极管发射极接地。
4.一种利用权利要求1的小型风力发电载荷智能控制系统的控制方法，其特征是，控制步骤如下：
步骤一：系统初始化，智能判断系统中是否有载荷请求切入；
步骤二：智能判断载荷优先级切入、切出载荷；
步骤三：智能切出非关键性载荷，给蓄电池充电；
所述步骤一：系统初始化，智能判断系统中是否有载荷请求切入；
当没有载荷连接时，右端开路，负载传感器输出低电平至控制器，控制器对应端口输出低电平使三极管截至，继电器线圈不通电，相应的常开触点断开；
当有载荷连接时，载荷与电阻R、负载传感器形成一个闭合回路；负载传感器两检测端之间阻值小于50K，其输出端为高电平，此时控制器检测到这一高电平信号，判断出有载荷请求切入，根据电压传感器采集的蓄电池输出电压，估算出当前蓄电池的荷电状态，以及此时可以输出的最大电流，控制器根据当前蓄电池的荷电状态以及载荷性质，包括功率、起动电流、是否为关键性载荷来判断是否允许载荷切入。
5.如权利要求4所述小型风力发电载荷智能控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤二：智能判断载荷优先级切入、切出载荷；
当蓄电池剩余电量充足，可以提供载荷启动及正常工作的电流，则控制器相应端口输出高电平，三极管导通，继电器线圈通电，相应常开触点闭合，同时常闭触点断开，系统允许新的载荷切入；
当蓄电池剩余电量不足以提供载荷启动所需电流，但该载荷为关键性载荷，则检测系统内是否接有其它优先级低的载荷：若有且功率大于欲切入载荷的功率，则给出提示，由用户决定是切断其它低优先级载荷而接入新载荷，还是不进行任何操作；若欲切入载荷为非关键性载荷，或者为关键性载荷但其余载荷功率小于欲切入载荷的功率，则给用户发出无法切入载荷的警告；
当无新载荷接入，但由于蓄电池的荷电状态的降低，无法满足所有载荷的需要，则对用户发出警告，要求用户采取措施，如果在一定时间内用户无反应，则按照优先级从低到高的顺序，依次断开相应载荷的继电器，直到蓄电池功率满足需求。
6.如权利要求4所述小型风力发电载荷智能控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤三：智能切出非关键性载荷，给蓄电池充电：
通过电压传感器以及电流传感器，累计计算蓄电池充放电安时数，并实时显示，当放电安时数逼近设定值，默认设定值为蓄电池总容量的70%，发出警告通知用户，并在超过设定值5%后切出所有非关键性载荷，直到蓄电池重新充电达到或超过设定值，给出提示后才恢复非关键性载荷供电。
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