CN103746639B - 一种风光互补移动基站智能供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风光互补移动基站智能供电系统，该系统包括风力发电机、太阳能电池板、风光互补控制器、蓄电池和逆变器，风力发电机和太阳能电池板均与风光互补控制器连接；风光互补控制器通过蓄电池与直流负载和交流负载连接；逆变器设置在蓄电池与交流负载之间；在风光互补控制器上设有转换接口。本发明采用先进的MPPT功率跟踪技术,保证风能和太阳能的最高利用；可对各基站动力及环境参数进行远程集中监控，及时掌握系统实时信息及故障信息。具有防浪涌、防短路、防反接、防过载等多重保护功能。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种控制系统，具体地说是一种风光互补移动基站智能供电系统。
背景技术
移动通信基站的分布面较广,供电状况参差不齐,所以对于不同的环境,电源设备的配置应灵活掌握。基站一般均为无人值守站,故在考虑设备选型方面,大多数用户选用维护量和腐蚀性较小的阀控电池、具有监控接口的高频开关整流电源、具有监控接口并在交流电断电恢复后能自动开机的空调；带有计量的交流配电屏等。
基站设备的耗电量随各个GSM厂家产品的不同而有所差异,一般为4kW左右,光端机及微波设备耗电量为400~500W。基站节能已经成为目前通信系统降低能耗的重要手段。
对于运营商和设备商来说,绿色移动网络的部署是一项复杂的系统工程,而非简单的降低网络能耗。绿色移动网络应该同时满足节能、节材、节地、节人力的多重需求,在减少CO2排放的同时节省总运营成本,实现绿色环保与经济效益的双赢目标。因此，需要一种可对基站动力及环境参数进行远程集中监控，及时掌握系统实时信息及故障信息，进行实时控制的能供电系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种风光互补移动基站智能供电系统。该系统采用先进的MPPT功率跟踪技术,保证风能和太阳能的最高利用；具有防浪涌、防短路、防反接、防过载等多重保护功能。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种风光互补移动基站智能供电系统，其特征在于：该系统包括风力发电机、太阳能电池板、风光互补控制器、蓄电池和逆变器，风力发电机和太阳能电池板均与风光互补控制器连接；风光互补控制器通过蓄电池与直流负载和交流负载连接；逆变器设置在蓄电池与交流负载之间；在风光互补控制器上设有转换接口。
本发明中，所述风光互补控制器包括变换器和单片机，风力发电机通过变换器与蓄电池连接；太阳能电池板和蓄电池均与单片机连接；单片机通过变换器与蓄电池连接。
单片机芯片为PIC16F877A，单片机与电压采样电路、电流采样电路、功率管驱动电路、保护电路、通讯电路、辅助电源电路连接；电压采样电路测量太阳能电池板输出电压、风力发电机整流输出电压、蓄电池端电压；电流采样电路测量光伏充电电流和风力发电充电电流。
本发明中，控制芯片为PIC16F877A单片机，它负责整个系统的控制工作，是控制核心部分，其外围电路包括电压、电流采样电路，功率管驱动电路，保护电路，通讯电路，辅助电源电路等。能提供多协议接口，实现远程透明传输(无限制数据传输)、短信发送、语音拨号等功能。外部协议接口有：网络接口、232、485协议串口、CDMA20003G网络接口、2路输入2路输出IO接口、zigbbe、红外接口，同时提供支持用户自定义接口，根据用户的需求设计相应的接口方式。
对于基站现场出现的故障，容易造成局域通信网络的通信中断等问题，本发明可对各基站动力及环境参数进行远程集中监控，及时掌握系统实时信息及故障信息。
本发明的优点和功能如下：
（1）可远程查看风和光的状态并且能根据设置的参数进行自动的转换；采用先进的MPPT功率跟踪技术,保证风能和太阳能的最高利用；可电脑远程监控和设置参数；（2）在手机有信号的地方进行控制，自动判断白天和黑夜；（3）查看蓄电池的剩余容量状态和蓄电池电压的放电保护模式；（4）具有防浪涌、防短路、防反接、防过载等多重保护功能；（5）能够自动和手动控制风机刹车，还具有温度补偿功能，和温度探头自动识别功能，不会造成过量补偿；（6）提供多协议接口，实现远程透明传输(无限制数据传输)、短信发送、语音拨号等功能。
本发明结构稳定可靠，能够实现光伏发电和风力发电的最大功率点跟踪控制，满足蓄电池分段式充电以及过充、过放保护的要求，可对各基站动力及环境参数进行远程集中监控，及时掌握系统实时信息及故障信息，安全、经济、实用。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的电路结构示意图。
图3是三相永磁同步发电机硬件主电路结构图。
具体实施方式
一种风光互补移动基站智能供电系统，见图1和图2，该系统包括风力发电机1、太阳能电池板2、风光互补控制器3、蓄电池4、逆变器5和转换接口6，风力发电机和太阳能电池板均与风光互补控制器连接；风光互补控制器通过蓄电池与直流负载和交流负载连接；逆变器设置在蓄电池与交流负载之间；在风光互补控制器上设有转换接口。
光互补控制器包括变换器31和单片机32，风力发电机通过变换器与蓄电池连接；太阳能电池板和蓄电池均与单片机连接；单片机通过变换器与蓄电池连接。
单片机芯片为PIC16F877A，单片机与电压采样电路、电流采样电路、功率管驱动电路、保护电路、通讯电路、辅助电源电路连接；电压采样电路测量太阳能电池板输出电压、风力发电机整流输出电压、蓄电池端电压；电流采样电路测量光伏充电电流和风力发电充电电流。
PIC16F877A单片机为本系统的控制核心，对开关电源电路、电流检测电路、电压检测电路、DC／DC变换电路、卸载电路等模块电路进行控制。
主电路是由两个互相独立输出端并联的Buck电路组成，一路是光伏发电系统主电路，一路是风力发电系统主电路。控制电路是指控制主电路的控制回路，通常包括检测电路、驱动电路和保护电路等。风光互补控制器需要对太阳能电池板输出电压、风力发电机整流输出电压、蓄电池端电压、光伏充电电流和风力发电充电电流等进行实时检测，才能实现控制功能。蓄电池电流检测电路环节主要完成对蓄电池充电电流的检测。本设计中提供多协议接口，实现远程透明传输(无限制数据传输)、短信发送、语音拨号等功能。
在风光互补移动基站智能供电系统中，风力发电机组属于电能产生的一个部分，主要由风力机、传动机构和发电机等组成。
发电机在风力发电系统中承担着机械能到电能转化的过程，具体为风力机将风能转化为机械能，传动机构传递机械能，发电机把机械能转化为电能。它直接影响这个转换过程的性能、效率和供电质量。因此，选用可靠性高、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要任务。小型风光互补发电系统中的发电机一般有三相永磁同步发电机、直流发电机、电磁式交流发电机、爪极式发电机、磁阻式发电机和感应子式发电机等。
随着永磁材料的技术发展，永磁材料磁性能大大提高，加之三相永磁同步发电机体积较小、而且价格便宜，没有励磁绕组，不消耗励磁功率，因而有较高的效率，省去了换向装置和电刷，可靠性高，定子铁耗和机械损耗相对较小，使用寿命长；另外，起动阻力矩是用于微型、小型风电装置的低速永磁发电机的重要指标之一，它直接影响风力机的起动性能和低速运行性能，为了降低切向式永磁发电机的起动阻力矩，必须选择合适的齿数、极数配合，采用每极分数槽设计，分数槽的分母值越大，气隙磁导随转子位置越趋均匀，起动阻力矩也就越小，采用永磁同步发电机的小型风力发电机组一般采用直驱式结构，为了调节其输出功率，可以另加输出控制电路，即通过控制器来实现，因此在本实施例中使用三相永磁同步发电机。
三相永磁同步发电机硬件主电路结构如图3所示。风力发电机输出的三相交流电接U、V、W，经三相不控整流器整流和电容C0稳压后给蓄电池充电。图中SP、SN分别为太阳能电池板的正、负极接线端子，D1为防反充二极管，其作用是防止蓄电池电压和风力发电机的整流电压对太阳能电池阵列反向灌充，确保太阳能电池的单向导电性。R0是风力发电机的卸荷电阻，当风速过高时，风力发电机输出电压大于蓄电池过充电压，单片机输出脉冲（PWM）来控制Q3开通，使多余的能量被消耗在卸荷电阻上，从而保护蓄电池。二极管D2和保险丝F1是为了防止蓄电池接反，当蓄电池接反时，蓄电池通过D2与F1构成短路回路，烧毁保险丝而切断电路，从而保护控制器和蓄电池。主电路中间部分是两个输出并联的Buck型DC/DC变换器，为了抑制MOSFET管因过压、du/dt过流、di/dt产生的开关损耗，DC/DC变换器采用具有缓冲电路的Buck变换器。
太阳能光伏电池板是风光互补移动基站智能供电系统中另一个产生电能的部分，它负责将太阳光能转换成电能。
太阳能光伏电池板将光能转化为电能有三个主要过程：
首先，太阳能电池板吸收一定能量的光子后，在半导体内产生电子-空穴对，成为“光生载流子”，两者的电性相反；然后，电性相反的光生载流子被半导体P-N结所产生的静电场分离开；最后，光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正负极所收集，并在外电路中产生电流，从而获得电能。
光伏电池板的输出是非线性的，而且输出受光照强度、温度和负载特性的影响。实时控制调节光伏电池的输出电压，使其工作在最大功率点电压处，从而保证太阳能光伏电池板的输出功率保持最大值，这种控制方法就是最大功率点跟踪法。目前有两种光伏发电常用的最大功率点跟踪控制策略，即恒压控制法(ConstantVoltageTracking—CVT和扰动观察法(PerturbandObservemethods，P＆O)。
1)恒压控制法
在一定温度下，光伏电池板在不同光照强度下的最大功率点总是近似的处于某一恒定的电压值Vm附近，在这一点电池板输出的功率为Pm。因此，只需要通过负载阻抗的匹配，使得在光伏电池板的输出电压稳定在Vm附近，就可以实现最大功率点控制。但是在同样的光照强度下，最大功率点还受到温度的影响，也就是说，在不同温度下，Vm的值不是一个定值，尤其是在温度变化比较大的情况下，这种影响更为明显，这也是这种控制方法的缺陷所在。由于这种方法控制比较简单，容易实现，因此在温度变化不是很明显的情况下，经常被采用。
2）扰动观察法
扰动观察法的思想和本发明中的最大功率点搜索法相似，是目前常用的MPPT控制方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏电池端电压，井观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。这种控制方法的最大优点在于其结构简单，被测参数少。其缺点是由于始终有“扰动”的存在，其输出会有一定的微小波动，在最大功率跟踪过程中将导致些微功率损失，同样为了增加控制的精度，可以采用变步长扰动观察法。
上述两种控制方法各有优缺点，前者控制简单，但受温度影响较大，后者可以跟踪不同温度下的最大功率点，但是存在波动，不利于系统的稳定。根据实际需要，本发明将二者结合起来，控制思路为：首先根据经验值Vm，采用CVT启动，因为CVT法有良好的启动特性，然后采用扰动观察法，取得最大功率点，这样便获得一个最大功率点处的Vm，由于温度不可能突变，因此在一定时间内，光伏发电系统的Vm基本保持不便；然后采用CVT法，将系统的输出电压控制在测得的Vm附近。过一段时间后，重复上述步骤，即可实现光伏发电系统最大功率输出控制。
蓄电池是风光互补移动基站智能供电系统中必不可少的辅助设备。蓄电池在整个发电系统中主要起三个作用：一是储能，由于自然风和日照是不稳定的，在风、日照充足的条件下，可以存储供给负载后多余的电能，在风力、日照不佳的情况下，可以输出电能给负载；二是稳压，风力发电机的转速和输出电压的大小取决与风速的大小，由于自然风的变化极大，随机性强，使得电压浮动范围很大，通过蓄电池调节，供电电压可以保持稳定；三是风光互补，风力发电与光伏发电是两个独立发电系统，它们在某个时刻的发电强度有很大差别，利用蓄电池可以将二者产生的电能结合起来，实现二者的互补。蓄电池容量配置是否合理，对小型风光互补发电的技术经济指标影响很大，容量选小了，系统发出多余的电量得不到储存；容量选大了，一则增加投资，二则蓄电池可能会长期处于充电不足的状态，直接影响使用的效率和寿命。在常用的蓄电池中，主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池。其中铅酸蓄电池价格低廉、性能可靠、安全性高，且技术上又不断进步和完善。
蓄电池电池的过充和过放都会影响其寿命，当蓄电池放电严重，电压过低时，同样会损坏蓄电池，这时本发明采取的策略是通过继电器断开放电回路，当电压回复时，再重新打开放电回路。为了保持系统稳定工作，本发明还采用一个蓄电池放电电压滞环控制，防止蓄电池过放。
风光互补移动基站智能供电系统中，转换接口实现远程透明传输(无限制数据传输)、短信发送、语音拨号等功能。外部协议接口有：网络接口、232、485协议串口、CDMA20003G网络接口、2路输入1路输出IO接口、zigbbe、红外接口，同时提供支持用户自定义接口，根据用户的需求设计相应的接口方式。
内置数据转接模块，根据组合将网口传入数据由3G网络、232串口、IO口等不同的方式输出，从而实现更加灵活的控制，以网口接入IP摄像头为例：目前市场上的IP网络摄像头通过配置相关信息实现视频流的传输，数据经过智能多协议转换部分可以通过3G模块实现透传，实现远程传输，最终达到无线视屏流传输，亦可通过232串口转到PC终端，通过中继器、局域网最终实现多设备同时查看。
提供的多路接口为终端设备之间的相互传输提供了极大的便捷，在不同接口终端设备变动的情况下，根据拨动组合便可实现不同接口的不同收发功能。
网口接入设备通过网络模块做数据输入，PC外置信息输入，由CPU处理之后，经串口或IO口输出，从而实现PC控制各接口设备，并实施掌控各接口设备的运营情况。
IO2路输入接口，可外置智能开关系统，大型电器设备总闸继电器，实时掌控IO状态即设备运行状态，并将状态信息及时反馈到PC终端以及时统计、处理。
本发明可远程查看风和光的状态并且能根据设置的参数进行自动的转换；查看蓄电池的剩余容量状态和蓄电池电压的放电保护模式；具有防浪涌、防短路、防反接、防过载等多重保护功能；能够自动和手动控制风机刹车，还具有温度补偿功能，和温度探头自动识别功能，不会造成过量补偿。
Claims (1)
1.一种风光互补移动基站智能供电系统，其特征在于：该系统包括风力发电机（1）、太阳能电池板（2）、风光互补控制器（3）、蓄电池（4）和逆变器（5），风力发电机（1）和太阳能电池板（2）均与风光互补控制器（3）连接；风光互补控制器（3）通过蓄电池（4）与直流负载（11）和交流负载（12）连接；逆变器（5）设置在蓄电池（4）与交流负载（12）之间；在风光互补控制器（3）上设有转换接口（6）；所述风光互补控制器（3）包括变换器（31）和单片机（32），风力发电机（1）通过变换器（31）与蓄电池（4）连接；太阳能电池板（2）和蓄电池（4）均与单片机（32）连接；单片机（32）通过变换器（31）与蓄电池（4）连接；单片机（32）芯片为PIC16F877A，单片机（32）与电压采样电路、电流采样电路、功率管驱动电路、保护电路、通讯电路、辅助电源电路连接；电压采样电路测量太阳能电池板输出电压、风力发电机整流输出电压、蓄电池端电压；电流采样电路测量光伏充电电流和风力发电充电电流。
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