CN102437602B - 一种风光水互补发电装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种风光水互补发电装置及控制方法，属于风力和太阳能发电技术领域，方法为通过电压电流互感器和采样模块实时采集逆变器模块输出端、交流配电柜输入端的三相相电压的瞬时值、三相线电流瞬时值；利用采样数据，计算逆变器模块输出端和交流配电柜输入端的有功功率、无功功率、视在功率；ARM控制器控制继电器的关断，逆变器模块、水轮发电机、水泵的投切，采用本发明风光水互补发电装置及控制方法，可以对A、B、C三相独立进行导通和关断，能够使发电装置控制性能更稳定，操作更方便，系统的A/D转换通过锁相倍频后的电压过零信号启动，能保证同步采样，提高参数计算的精度。

Description

一种风光水互补发电装置及控制方法

技术领域

本发明属于风力和太阳能发电技术领域，特别涉及一种风光水互补发电装置及控制方法。

背景技术

目前大力发展的风力和太阳能发电技术应用越来越广泛，但是风能和太阳能发电受当地环境变化的影响，发电极不稳定，为满足用户对电能稳定性的要求，必须合理配置后备电源用以调峰。这种后备电源通常为柴油发电机组，铅酸蓄电池，所以人们在传统的风光互补发电系统的基础上，又设计出了风光柴互补发电系统，和风光电互补发电系统。风光柴互补发电系统因其造价昂贵，通常用于对供电不间断性比较高的场合，且随着国际燃油价格上涨，其发电单位千瓦投资越来越大，适用范围越来越窄。而由蓄电池充当后备电源的风光电互补发电系统，则由于蓄电池具有容量小，造价高，寿命短，环境污染严重等诸多缺点，发展受到很大限制。

随着新能源应用技术的发展，通过铅酸蓄电池储能的方式将逐步被取代，“抽水蓄能”作为新一代的储能方式必将越来越受到重视，而且正在向小型化、低成本、高可靠性方向发展。

所谓抽水蓄能，是指当电能系统中有多余的电能时，通过水泵将下游的水抽取到上游，从而将系统中多余的电能转化为水的势能存储起来；而当电能系统出现电力缺口时，为保持电网输电的稳定性，能及时启动水轮发电机将已经存储起来的水的势能转化为电能回馈给电能系统。

目前，风光水互补发电系统还停留在起步阶段，如何较好地协调控制三种能源仍然需要深入研究。当前市售的用于该领域的控制器主要是风光互补控制器，只能对风能和太阳能互补发电进行控制，而不能对抽水蓄能部分进行控制，并且价格极其昂贵，转换效率较低，可靠性不高，真正用于风光水互补发电系统的控制器还处于研究阶段。

发明内容

为克服现有技术存在的不足，本发明提供一种风光水互补发电装置及控制方法，以达到提高装置的可靠性，提高风能、太阳能利用率的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种风光水互补发电装置，包括：风力发电模块、太阳能发电模块、控制器、上位机，其中，所述的控制器包括逆变器模块、采样模块、过零检测模块、ARM处理器、键盘与显示模块、存储器、复位与时钟电路、直流总线电路、直流USB输出端口和交流配电柜，此外，所述的风光水互补发电装置还包括抽水蓄能模块，所述的抽水蓄能模块包括：上、下游水箱、水轮发电机及水泵，所述的控制器还包括：交流总线及继电器组、蓄电池和以太网通讯模块，其连接关系如下：风力发电模块的输出端连接逆变器模块的第一输入端和蓄电池的第一输入端，太阳能发电模块的输出端连接逆变器模块的第二输入端和蓄电池的第二输入端，逆变器模块的输出端连接交流总线及继电器组的第一输入端，交流总线及继电器组的第二输入端连接水轮发电机的输出端，交流总线及继电器组的第三输入端连接ARM处理器的第一输出端，交流总线及继电器组的第一输出端连接交流配电柜的输入端，交流配电柜的输出端连接用户，交流总线及继电器组的第二输出端连接水泵的输入端，逆变器模块的输出端通过电压电流互感器组连接采样模块的第一输入端，交流配电柜的输入端通过电压电流互感器连接采样模块的第二输入端，采样模块的第一输出端连接过零检测模块的输入端，过零检测模块的输出端连接连接ARM处理器的第一输入端，采样模块的第二输出端连接ARM处理器的第二输入端，电源电路的输出端连接ARM处理器的第三输入端，电源电路的输入端连接蓄电池的第一输出端，蓄电池的第二输出端连接直流总线电路的输入端，直流总线电路的输出端连接直流USB输出端口的输入端，直流USB输出端口的输出端连接用户，ARM处理器的第一输入输出端连接键盘与显示模块的输入输出端，ARM处理器的第二输入输出端连接存储器的输入输出端，ARM处理器的第四输入端连接复位与时钟电路的输出端，ARM处理器的第二输出端连接水轮发电机的启动控制端，ARM处理器的第三输入输出端连接以太网通讯模块的输入输出端，以太网通讯模块与上位机进行通讯；

所述的抽水蓄能模块的连接关系为：上游水箱和水轮发电机之间、水轮发电机和下游水箱之间、下游水箱和水泵之间、水泵和上游水箱之间通过管道连接；

所述的控制器，通过箱体进行一体化封装，在所述箱体的表面预留有七个端口，其中四个输入端，三个输出端，具体连接方式如下：第一输入端连接风力发电模块，第二输入端连接太阳能发电模块，第三、第四输入端连接水轮发电机组、一个输出端连接水泵，另一个输出端连接交流负载，又一个输出端连接直流负载；

一种风光水互补发电装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过电压电流互感器和采样模块实时采集逆变器模块输出端、交流配电柜输入端的三相相电压的瞬时值、三相线电流瞬时值；

步骤2：利用步骤1的采样数据，计算逆变器模块输出端和交流配电柜输入端的有功功率、无功功率、视在功率方法如下：

步骤2-1、接收步骤1采集的数据并将其放入内存：

步骤2-2、对采样模块采集到的三相相电压和三相线电流u_a、u_b、u_c、i_a、i_b、i_c进行由a、b、c三相到α-β两相的变换后，得到u_α、u_β和i_α、i_β，公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α\β}}\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α\β}}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中 $C_{\mathrm{\α\β}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

u_α、u_β分别表示α-β坐标系中的α相、β相电压值大小，i_α、i_β表示α-β坐标系中的α相、β相电流值大小

在α-β平面上将矢量

和

分别合成为电压矢量

和电流矢量

式中，表示α-β坐标系中的α相、β相电压矢量，

表示α-β坐标系中的α相、β相电流矢量，u、i分别为矢量

的模，分别为矢量

的相角；

将电流矢量

向电压矢量

及其法线上投影，计算三相电路瞬时有功电流i_p和三相电路瞬时无功电流i_q，公式如下：

式中，

表示

的相位差，且有

步骤2-3：计算三相电路总瞬时有功功率p、总瞬时无功功率q、总瞬时视在功率s，公式如下：

u与i_p的乘积为三相电路瞬时总有功功率p，u与i_q的乘积为三相电路瞬时总无功功率q，公式为：

p=ui_p，q=ui_q    (4)

把式(3)代入式(4)中得:

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\α}}& u_{\mathrm{\β}}\\ u_{\mathrm{\β}}& -u_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{pq}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中 $C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\α}}& u_{\mathrm{\β}}\\ u_{\mathrm{\β}}& -u_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]$

把式(1)代入式(5)中得：

p=u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c

$q=\frac{1}{\sqrt{3}}[(u_b-u_c)i_a+(u_c-u_a)i_b+(u_a-u_b)i_c]---\left(6\right)$

$s=\sqrt{p^2+q^2}$

步骤2-4：按照步骤2-3的方法分别计算出逆变器模块输出端的功率p_inverter，交流配电柜输入端的有功功率p_load；

步骤2-5：结束；

步骤3：将步骤2计算出的数据存入存储器，并利用各相电压瞬时值、电流瞬时值数据形成数据窗；所述的数据窗是指由一段时间内存储器中存储的各相电压瞬时值、电流瞬时值所组成，用于对设备进行监测的数据集合；

步骤4：将内存中的参数送键盘与显示模块，显示三相交流总线各相电压瞬时值，当前逆变器模块输出端的功率p_inverter，交流配电柜输入端的有功功率p_load以及当前的继电器连接和设备工作情况和系统运行状态；

步骤5：利用以太网通讯模块将步骤1和步骤2得到的数据传递给上位机通信；

步骤6：ARM控制器控制继电器的关断，逆变器模块、水轮发电机、水泵的投切，方法如下：

在忽略逆变器效率的情况下，逆变器模块输出端的功率p_inverter=∑p_Wind+∑P_PV其中，∑p_Wind为风力发电模块产生的功率，∑P_PV为太阳能发电模块产生的功率；

任何一个电力系统都存在一个功率关系的供求平衡，即只有当系统产生的功率和消耗的功率相等时，该电力系统才会稳定运行，即：

∑p_in=∑p_out    (12)

式中，∑p_in为系统产生的总功率，∑p_out为系统消耗的总功率，本发明中产生功率的设备有：风力发电模块、太阳能发电模块、水轮发电机，即：

∑p_in=∑p_Wind+∑p_PV+p_Water    （13）

式中，∑p_Wind为风力发电模块产生的功率，∑p_PV为太阳能发电模块产生的功率，p_Water为水轮发电机产生的功率；

本发明中消耗功率设备是的有：水泵和负载，即：

∑p_out=p_pump+∑p_load    (14)

式中，p_pump为水泵所消耗的功率，∑p_load为负载所消耗的功率；

步骤6-1：当 ${\∫}_{t_0}^{t_1}({\mathrm{\Σp}}_{\mathrm{PV}}+{\mathrm{\Σp}}_{\mathrm{Wind}})d_t>{\∫}_{t_0}^{t_1}{\mathrm{\Σp}}_{\mathrm{load}}{d}_t$ 成立(即 ${\∫}_{t_0}^{t_1}{p}_{\mathrm{inverter}}{d}_t>{\∫}_{t_0}^{t_1}{\mathrm{\Σp}}_{\mathrm{load}}{d}_t$ 成立)，同时满足 ${\∫}_{t_0}^{t_1}({\mathrm{\Σp}}_{\mathrm{PV}}+{\mathrm{\Σp}}_{\mathrm{Wind}}-{\mathrm{\Σp}}_{\mathrm{load}})d_t\≥\mathrm{\λ}{p}_{\mathrm{pump}}(t_1-t_0)$ 时，即风力发电模块、太阳能发电模块产生的功率大于负载所消耗的功率，且确保启动水泵后系统正常运行，应断开与水轮发电机相连接的继电器，闭合与水泵相连接的继电器，启动水泵消耗系统中多余的电能，将电能转化为水的势能存储起来；所述的λ为经验常数，取值为0.6～0.8，所述的t₁-t₀表示以t₀开始到t₁结束的一段时间，；

步骤6-2：当 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}({\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{PV}}+{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{Wind}})d_t<{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{load}}{d}_t$ (即 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}{p}_{\mathrm{inverter}}{d}_t<{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{load}}{d}_t$ 成立)成立，同时满足 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}({\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{load}}+{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{PV}}-{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{Wind}})d_t\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}{p}_{\mathrm{water}}(t_1-t_0)$ 时，即风力发电模块、太阳能发电模块产生的功率小于负载所消耗的功率，且确保启动水轮发电机后系统正常运行，应断开与水泵相连接的继电器，闭合与水轮发电机相连接的继电器，启动水轮发电机补充系统所需的电能，将水的势能转化成电能回馈到系统中；

步骤6-3：如均不满足步骤6-1与步骤6-2的条件，则水轮发电机和水泵都处于不运行状态；

步骤7：判断键盘是否有信号输入，如有键盘输入信号，则进行ARM控制器模式设置，所述的模式设置包括手动模式和自动模式两种，手动模式是指手动对水轮发电机和水泵进行测试，判断其是否正常工作，自动模式即为系统初始的设置模式，由ARM处理器对系统进行控制；如没有键盘输入信号，则执行步骤8；

步骤8：反复执行步骤2-步骤7。

本发明优点：采用本发明风光水互补发电装置及控制方法，可以对A、B、C三相独立进行导通和关断，能够使发电装置控制性能更稳定，操作更方便，系统的A/D转换通过锁相倍频后的电压过零信号启动，能保证同步采样，提高参数计算的精度。

附图说明

图1为一种风光水互补发电装置总结构框图；

图2为一种风光水互补发电装置控制器一体化封装框图；

图3为一种风光水互补发电装置交流总线及继电器组的电路原理图；

图4为一种风光水互补发电装置交流总线及继电器组与ARM处理器的电路原理图；

图5为一种风光水互补发电装置交流总线及继电器组与电压电流互感器组的电路连接原理图；

图6为一种风光水互补发电装置采样模块的电路原理图；

图7为一种风光水互补发电装置过零检测模块原理图；

图8为一种风光水互补发电装置锁相环倍频电路原理图；

图9为一种风光水互补发电装置存储器的电路原理图；

图10为一种风光水互补发电装置复位与时钟电路的电路原理图；

图11为一种风光水互补发电装置键盘与显示模块的电路原理图；

图12为一种风光水互补发电装置以太网通讯模块电路原理图；

图13为一种风光水互补发电装置电源电路原理图；

图14为一种风光水互补发电装置的控制方法流程图；

图15为一种风光水互补发电装置的控制方法的投切流程图；

图16为本发明一种风光水互补发电装置的控制方法的α-β坐标系中电压、电流矢量图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例中，一种风光水互补发电装置，如图1所示，各部件的型号如下：风力发电模块型号为FD4-3k，太阳能发电模块型号为5-230W，逆变器模块的型号为Sununo-TL6K，配电柜型号为PXT12dq，继电器采用HS3100ZK型固态继电器，电压电流互感器组包括3组电压互感器和3组电流互感器，其中，电压互感器的型号为TR1140-1C，电流互感器的型号为TP0140-1C，锁相环倍频电路采用74VHC4046MTC芯片和CD4040BCSJ芯片，ARM处理器的型号为LPC2388，电源电路采用TPS767D318芯片，蓄电池采用12V80Ah铅酸蓄电池，存储器采用IS61LV12816芯片，复位与时钟电路采用复位芯片MAX705，键盘与显示模块，其中显示模块采用T6963C型液晶控制器，以太网通信模块的型号为MAX232；

控制器的封装结构如图2所示，控制器与交流负载之间的电压为380V三相交流电压，控制器与直流负载之间的电压为5V直流电压；

交流总线及继电器组的电路原理图如图3所示，交流总线采用三相四线制，继电器组包括12个继电器，逆变器模块的四个输出端分别连接第一、第二、第三、第四继电器的输入端，第一、第二、第三、第四继电器的输出端分别连接交流总线的A相、B相、C相和N相，水泵的四个输出端分别连接第五、第六、第七、第八继电器的输入端，五、第六、第七、第八继电器的输出端分别连接交流总线的A相、B相、C相和N相，水轮发电机的四个输出端分别连接第九、第十、第十一、第十二继电器的输入端，第九、第十、第十一、第十二继电器的输出端分别连接交流总线的A相、B相、C相和N相，交流配电柜的四个输出端分别连接交流总线的A相、B相、C相和N相；

交流总线及继电器组与ARM处理器LPC2388的电路原理图如图4所示，LPC2388的GPIOP0.0端～GPIOP0.11端分别通过三极管放大电路与12个继电器的输入控制端连接，交流总线上的继电器组连接ARM芯片的I/O端，A污M处理器控制部分继电器的通断，来保持电能系统的生产供应平衡，具体方法为：ARM处理器控制对应的I/O口GPIOP0.0、GPIOP0.1、GPIOP0.2、GPIOP0.3输出高电平，GPIOP0.4、GPIOP0.5、GPIOP0.6、GPIOP0.7输出低电平，将水泵投入运行，同时确保水轮发电机关断，将系统中多余的电能转化为水的势能；ARM处理器控制控制对应的I/O口GPIOP0.0、GPIOP0.1、GPIOP0.2、GPIOP0.3输出低电平，GPIOP0.4、GPIOP0.5、GPIOP0.6、GPIOP0.7输出高电平，同时GPIOP0.12输出高电平，给出水轮发电机启停控制信号将水轮发电机投入运行，同时确保水泵关闭，将系统中水的势能转化为电能；

交流总线及继电器组与电压电流互感器组的电路连接原理图如图5所示，本实施例中，采用3组电压互感器Pt1、Pt2、Pt3和3组电流互感器ct1、ct2、ct3，Pt1的输入端连接A相电压，Pt2的输入端连接B相电压，Pt3的输入端连接C相电压，ct1的输入端连接A相电流，ct1的输入端连接B相电流，ct1的输入端连接C相电流；Pt1、Pt2、Pt3的输出端分别连接采集模块的ACVA、ACVB、ACVC端，ct1、ct2、ct3的输出端分别连接采样模块的ACCA、ACCB、ACCC端，采样模块的电路原理图如图6所示，ARM处理器通过电压、电流互感器组连接电网，采集并计算电网电压和电网电流值’

三相相电压和线电流经过电压互感器TR1140-1C和电流互感器TR0140-1C二次互感变换后，采样模块将经过电压、电流互感器变换后的信号经过由放大器TL084组成的跟随器电路、放大电路和偏置电路，调理成0～+3.3V范围的电压输入到ARM处理器进行A/D转换，A/D转换将这些模拟信号转换为数字信号；采样模块的电压信号输出端ACVA_IN、ACVB_IN、ACVC_IN输出电压信号，经过由放大器TL084组成的跟随器电路、RC滤波器电路、由放大器TL084组成的放大电路、偏置电路和光耦TLP521后连接过零检测模块中正弦波-方波变换电路的输入端ACVA_IN、ACVB_IN、ACVC_IN，将采集的正弦波电压信号转换为与正弦波电压信号同相的方波信号，正弦波-方波变换电路的输出端OVER_0_A、OVER_0_B、OVER_0_C连接ARM处理器的捕获端46脚、48脚和56脚，用于计算电压的频率，如图7所示；

锁相环倍频电路原理图如图8所示，正弦波-方波变换电路的输出端OVER_0_A同时连接锁相环电路的信号输入端SIGIN，锁相环倍频电路的输出端PLL连接ARM芯片的输入端102号引脚，用于启动ARM处理器的AD转换，保证了同步采样；

存储器的电路原理图如图9所示，存储器电路输出端41、17、6号引脚连接ARM处理器的42、84、133号引脚，存储器除了存储系统设置的各项参数外，还记录一定时段内的各相电压、电流、瞬时功率值；

复位与时钟电路的电路原理图如图10所示，复位与时钟电路输出端7号引脚连接ARM芯片的复位引脚，对ARM芯片进行复位；键盘的输入端连接ARM芯片的45、46、47、48、49、50号引脚；

键盘与显示模块的电路原理图如图11所示，液晶控制器输入端10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21号引脚连接ARM处理器中的92、93、94、95、40、41、34、35、155、157、87、89号引脚；键盘输入指令和系统的相关参数；

以太网通讯模块的电路原理图如图12所示，采用串行接口RS232协议，上位机通过以太网通信模块MAX232的引脚11、10与ARM处理器的115、117引脚相连，MAX232插口通过MAX232电缆与上位机串口相连，实现数据的传输，以太网通信模块将系统的电压、电流、功率等参数传给上位机，可以在上位机上通过相应软件，观察相应的波形，或者把数据保存至上位机的本地硬盘；

电源电路如图13所示，电源电路连接ARM处理器，供电电压为DC+5V，输出+1.8V和+3.3V的直流电压，满足ARM内核和I/O的供电需求；

本实施例一种风光水互补发电装置的控制方法，如图14所述，包括如下步骤：

步骤1：通过电压电流互感器和采样模块实时采集逆变器模块输出端、交流配电柜输入端的三相相电压的瞬时值、三相线电流瞬时值；

步骤2：利用步骤1的采样数据，计算，逆变器模块输出端和交流配电柜输入端的有功功率、无功功率、视在功率方法如下：

步骤2-1：接收步骤1采集的数据并将其放入内存；

步骤2-2：对采样模块采集到的三相相电压和三相线电流u_a、u_b、u_c、i_a、i_b、i_c进行由a、b、c三相到α-β两相的变换后，得到u_α、u_β和i_α、i_β，公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ u_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;}}\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;}}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中 $C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

u_α、u_β分别表示α-β坐标系中的α相、β相电压值大小，i_α、i_β表示α-β坐标系中的α相、β相电流值大小

如附图16所示，在α-β平面上将矢量和

分别合成为电压矢量和电流失量

式中

表示α-β坐标系中的α相、β相电压矢量，

表示α-β坐标系中的α相、β相电流矢量，u、i分别为矢量

的模，分别为矢量

的相角；

将电流矢量

向电压矢量

及其法线上投影，计算三相电路瞬时有功电流i_p和三相电路瞬时无功电流i_q，公式如下：

式中，表示

的相位差，且有

步骤2-3：计算三相电路总瞬时有功功率p、总瞬时无功功率q、总瞬时视在功率s，公式如下：

u与i_p的乘积为三相电路瞬时总有功功率p，u与i_q的乘积为三相电路瞬时总无功功率q，公式为：

p=ui_p，q=ui_q    (4)

把式(3)低入式(4)中得:

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\&alpha;}}& u_{\mathrm{\&beta;}}\\ u_{\mathrm{\&beta;}}& -u_{\mathrm{\&alpha;}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{pq}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中 $C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\&alpha;}}& u_{\mathrm{\&beta;}}\\ u_{\mathrm{\&beta;}}& -u_{\mathrm{\&alpha;}}\end{array}\right]$

把式(1)代入式(5)中得：

p=u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c

$q=\frac{1}{\sqrt{3}}[(u_b-u_c)i_a+(u_c-u_a)i_b+(u_a-u_b)i_c]---\left(6\right)$

$s=\sqrt{p^2+q^2}$

步骤2-4：按照步骤2-3的方法分别计算出逆变器模块输出端的功率p_inverter，交流配电柜输入端的有功功率p_load；

步骤2-5：结束；

步骤3：将步骤2计算出的数据存入存储器，并利用各相电压瞬时值、电流瞬时值数据形成数据窗；所述的数据窗是指由一段时间内存储器中存储的各相电压瞬时值、电流瞬时值所组成，用于对设备进行监测的数据集合；

步骤4：将内存中的参数送键盘与显示模块，显示三相交流总线各相电压瞬时值，当前逆变器模块输出端的功率p_inverter，交流配电柜输入端的有功功率p_load以及当前的继电器连接和设备工作情况和系统运行状态；

步骤5：利用以太网通讯模块将步骤1和步骤2得到的数据传递给上位机通信；

步骤6：ARM控制器控制继电器的关断，逆变器模块、水轮发电机、水泵的投切，如图15所示，方法如下：

由上面的步骤可以看出，在忽略逆变器效率的情况下，逆变器模块输出端的功率

p_inverter=∑p_Wind+∑P_PV

其中，∑p_Wind为风力发电模块产生的功率，∑P_PV为太阳能发电模块产生的功率。

任何一个电力系统都存在一个功率关系的供求平衡，即只有当系统产生的功率和消耗的功率相等时，该电力系统才会稳定运行，即：

∑p_in=∑p_out    (12)

式中，∑p_in为系统产生的总功率，∑p_out为系统消耗的总功率，本发明中产生功率的设备有：风力发电模块、太阳能发电模块、水轮发电机，即：

∑p_in=∑p_Wind+∑p_PV+p_Water    (13)

式中，∑p_Wind为风力发电模块产生的功率，∑p_PV为太阳能发电模块产生的功率，p_Water为水轮发电机产生的功率；

本发明中消耗功率设备是的有：水泵和负载，即：

∑p_out=p_pump+∑p_load    (14)

式中，p_pump为水泵所消耗的功率，∑p_load为负载所消耗的功率；

步骤6-1：当 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}({\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{PV}}+{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{Wind}})d_t>{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{load}}{d}_t$ 成立(即 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}{p}_{\mathrm{inverter}}{d}_t>{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{load}}{d}_t$ 成立)，同时满足 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}({\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{PV}}+{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{Wind}}-{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{load}})d_t\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}{p}_{\mathrm{pump}}(t_1-t_0)$ 时，即风力发电模块、太阳能发电模块产生的功率大于负载所消耗的功率，且确保启动水泵后系统正常运行，应断开与水轮发电机相连接的继电器，闭合与水泵相连接的继电器，启动水泵消耗系统中多余的电能，将电能转化为水的势能存储起来；所述的λ为经验常数，取值为0.6～0.8；

步骤6-2：当 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}({\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{PV}}+{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{Wind}})d_t<{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{load}}{d}_t$ (即 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}{p_{\mathrm{inverter}}d}_t<{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{load}}{d}_t$ 成立)成立，同时满足 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}({\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{load}}+{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{PV}}-{\mathrm{\&Sigma;p}}_{\mathrm{Wind}})d_t\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}{p}_{\mathrm{water}}(t_1-t_0)$ 时，即风力发电模块、太阳能发电模块产生的功率小于负载所消耗的功率，且确保启动水轮发电机后系统正常运行，应断开与水泵相连接的继电器，闭合与水轮发电机相连接的继电器，启动水轮发电机补充系统所需的电能，将水的势能转化成电能回馈到系统中；

步骤6-3：如均不满足步骤6-1与步骤6-2的条件，则水轮发电机和水泵都处于不运行状态；

步骤7：判断键盘是否有信号输入，如有键盘输入信号，则进行ARM控制器模式设置，所述的模式设置包括手动模式和自动模式两种，手动模式是指手动对水轮发电机和水泵进行测试，判断其是否正常工作，自动模式即为系统初始的设置模式，由ARM处理器对系统进行控制；如没有键盘输入信号，则执行步骤8；

步骤8：反复执行步骤2-步骤7。

Claims (5)

1.一种风光水互补发电装置，包括：风力发电模块、太阳能发电模块、控制器、上位机，其中，所述的控制器包括逆变器模块、采样模块、过零检测模块、ARM处理器、键盘与显示模块、存储器、复位与时钟电路、直流总线电路、直流USB输出端口和交流配电柜，其特征在于：所述的风光水互补发电装置还包括抽水蓄能模块，所述的抽水蓄能模块包括：上、下游水箱、水轮发电机及水泵，所述的控制器还包括：交流总线及继电器组、蓄电池和以太网通讯模块，其连接关系如下：风力发电模块的输出端连接逆变器模块的第一输入端和蓄电池的第一输入端，太阳能发电模块的输出端连接逆变器模块的第二输入端和蓄电池的第二输入端，逆变器模块的输出端连接交流总线及继电器组的第一输入端，交流总线及继电器组的第二输入端连接水轮发电机的输出端，交流总线及继电器组的第三输入端连接ARM处理器的第一输出端，交流总线及继电器组的第一输出端连接交流配电柜的输入端，交流配电柜的输出端连接用户，交流总线及继电器组的第二输出端连接水泵的输入端，逆变器模块的输出端通过电压电流互感器组连接采样模块的第一输入端，交流配电柜的输入端通过电压电流互感器组连接采样模块的第二输入端，采样模块的第一输出端连接过零检测模块的输入端，过零检测模块的输出端连接ARM处理器的第一输入端，采样模块的第二输出端连接ARM处理器的第二输入端，电源电路的输出端连接ARM处理器的第三输入端，电源电路的输入端连接蓄电池的第一输出端，蓄电池的第二输出端连接直流总线电路的输入端，直流总线电路的输出端连接直流USB输出端口的输入端，直流USB输出端口的输出端连接用户，ARM处理器的第一输入输出端连接键盘与显示模块的输入输出端，ARM处理器的第二输入输出端连接存储器的输入输出端，ARM处理器的第四输入端连接复位与时钟电路的输出端，ARM处理器的第二输出端连接水轮发电机的启动控制端，ARM处理器的第三输入输出端连接以太网通讯模块的输入输出端，以太网通讯模块与上位机进行通讯。

2.根据权利要求1所述的风光水互补发电装置，其特征在于：所述的抽水蓄能模块，其各部件的连接关系为：上游水箱和水轮发电机之间、水轮发电机和下游水箱之间、下游水箱和水泵之间、水泵和上游水箱之间通过管道连接。

3.根据权利要求1所述的风光水互补发电装置，其特征在于：所述的控制器，通过箱体进行一体化封装，在所述箱体的表面预留有七个端口，其中四个输入端，三个输出端，具体连接方式如下：第一输入端连接风力发电模块，第二输入端连接太阳能发电模块，第三、第四输入端连接水轮发电机组，一个输出端连接水泵，另一个输出端连接交流负载，又一个输出端连接直流负载。

4.根据权利要求1所述的风光水互补发电装置，其特征在于：所述的控制器采用独立直流总线结构，控制器中的蓄电池为控制器内部芯片提供稳定的供电电源，并在风、光、水三种能源都缺乏时为直流负载供电。

5.采用权利要求1所述的风光水互补发电装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过电压电流互感器和采样模块实时采集逆变器模块输出端、交流配电柜输入端的三相相电压的瞬时值、三相线电流瞬时值；

步骤2：利用步骤1的采样数据，计算逆变器模块输出端和交流配电柜输入端的有功功率、无功功率、视在功率；

步骤3：将步骤2计算出的数据存入存储器，并利用各相电压瞬时值、电流瞬时值数据形成数据窗；所述的数据窗是指由一段时间内存储器中存储的各相电压瞬时值、电流瞬时值所组成，用于对设备进行监测的数据集合；

步骤4：将内存中的参数送键盘与显示模块，显示三相交流总线各相电压瞬时值，当前逆变器模块输出端的功率，交流配电柜输入端的有功功率以及当前的继电器连接和设备工作情况和系统运行状态；

步骤5：利用以太网通讯模块将步骤1和步骤2得到的数据传递给上位机通信；

步骤6：ARM控制器控制继电器的关断，逆变器模块、水轮发电机、水泵的投切，方法如下：

系统产生的总功率∑p_in，公式如下：

∑p_in=∑p_Wind+∑p_PV+p_Water      (13)

式中，∑p_Wind为风力发电模块产生的功率，∑p_PV为太阳能发电模块产生的功率，p_Water为水轮发电机产生的功率；

系统消耗的总功率∑p_out，公式如下：

∑p_out=p_pump+∑p_load       (14)

式中，p_pump为水泵所消耗的功率，∑p_load为负载所消耗的功率；

步骤6-1：当 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}(\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{PV}}+\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{Wind}})d_t>{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{load}}{d}_t$ 成立，且

同时满足 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}(\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{PV}}+\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{Wind}}-\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{load}})d_t\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}{p}_{\mathrm{pump}}(t_1-t_0)$ 时，即风力发电模块、太阳能发电模块产生的功率大于负载所消耗的功率，且确保启动水泵后系统正常运行，应断开与水轮发电机相连接的继电器，闭合与水泵相连接的继电器，启动水泵消耗系统中多余的电能，将电能转化为水的势能存储起来；所述的λ为经验常数，取值为0.6～0.8；

步骤6-2：当 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}(\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{PV}}+\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{Wind}})d_t>{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{load}}{d}_t$ 成立，且

同时满足 ${\&Integral;}_{t_0}^{t_1}(\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{load}}-\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{PV}}-\mathrm{\&Sigma;}{p}_{\mathrm{Wind}})d_t\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}{p}_{\mathrm{water}}(t_1-t_0)$ 时，即风力发电模块、太阳能发电模块产生的功率小于负载所消耗的功率，且确保启动水轮发电机后系统正常运行，应断开与水泵相连接的继电器，闭合与水轮发电机相连接的继电器，启动水轮发电机补充系统所需的电能，将水的势能转化成电能回馈到系统中；

步骤6-3：如均不满足步骤6-1与步骤6-2的条件，则水轮发电机和水泵都处于不运行状态；

步骤7：判断键盘是否有信号输入，如有键盘输入信号，则进行ARM控制器模式设置，所述的模式设置包括手动模式和自动模式两种，手动模式是指手动对水轮发电机和水泵进行测试，判断其是否正常工作，自动模式即为系统初始的设置模式，由ARM处理器对系统进行控制；如没有键盘输入信号，则执行步骤8；

步骤8：反复执行步骤2-步骤7。

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