CN106357202A - 一种海岛生活舱用的风光柴发电控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海岛生活舱用的风光柴发电控制系统及控制方法，其特征在于：至少包括：安装有控制系统的PIC24H系列的16位单片机、检测元件；控制系统包括：控制光伏发电设备的光伏发电控制系统、控制风力发电设备的风力发电控制系统、以及控制柴油发电设备的柴油发电控制系统；检测元件包括：用于检测光伏发电设备输出端信号的第一电压传感器和第一电流传感器、用于检测风力发电设备输出端信号的第二电压传感器和第二电流传感器、用于检测蓄电池输出端信号的第三电压传感器和第三电流传感器、用于检测柴油发电设备输出端信号的第四电压传感器。

Description

一种海岛生活舱用的风光柴发电控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，特别是涉及一种海岛生活舱用的风光柴发电控制系统及控制方法。

背景技术

近年来，我国海洋经济迅猛发展，海洋开发得到了越来越多的重视。中国现有大量离岸岛礁，由于环境条件无法实现传统方式建造建筑，造成许多岛礁目前不具备居住条件。无需外接电力、无需淡水供给、保证热舒适性的海岛生活舱成套设备的研发将为海岛居住人员创造赖以生存的基本条件，该成套设备将风光柴互补复合发电系统、海水淡化及雨水利用装置、海水源热泵系统与生活舱集成化。将会为以海岛为基地的海洋开发利用提供服务平台，推动现代海洋产业快速发展。但是，众所周知，海岛生活舱成套设备必须基于电能才能够供电；因此，为了保证海岛生活舱成套设备的正常工作，设计开发一种稳定性高的海岛生活舱用的风光柴发电控制系统及控制方法显得是尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够满足海岛复杂环境、且具有高稳定性的海岛生活舱用的风光柴发电控制系统及控制方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种海岛生活舱用的风光柴发电控制系统，至少包括：

安装有控制系统的PIC24H系列的16位单片机、检测元件；其中：

所述控制系统包括：控制光伏发电设备的光伏发电控制系统、控制风力发电设备的风力发电控制系统、以及控制柴油发电设备的柴油发电控制系统；

所述检测元件包括：用于检测光伏发电设备输出端信号的第一电压传感器和第一电流传感器、用于检测风力发电设备输出端信号的第二电压传感器和第二电流传感器、用于检测蓄电池输出端信号的第三电压传感器和第三电流传感器、用于检测柴油发电设备输出端信号的第四电压传感器；所述第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器、第二电流传感器、第三电压传感器、第三电流传感器、第四电压传感器通过模数转换器与单片机的I/O端子电连接；

所述单片机的I/O端子分别与风力发电设备、柴油发电设备的控制端子电连接；所述单片机的I/O端子通过离网储能逆变一体机与光伏发电设备的控制端子电连接。

进一步：所述单片机依次通过光电隔离器、八通道的达林顿管ULN2803与控制风力发电设备、柴油发电设备、光伏发电设备的继电器线圈电连接。

进一步：还包括与单片机电连接的上位机。

进一步：所述上位机为显示器，所述单片机通过RS485总线与显示器连接。

进一步：所述模数转换器的型号为MAX197。

一种海岛生活舱用的风光柴发电控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤101、风力发电设备和光伏发电设备工作，并将产生的电能优先供给负载，当风力发电设备和光伏发电设备的发电量有结余时，将结余电能给蓄电池充电；第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器、第二电流传感器、第三电压传感器和第三电流传感器将检测结果发送至单片机；

步骤102、单片机通过对接收信号的分析判断，进而控制每个部件的工作状态；具体步骤为：

当蓄电池输出端的电压超出阈值M时，则开启海水淡化设备，此时光伏发电设备和风力发电设备为海水淡化设备供电；当蓄电池输出端的电压低于阈值M时，则关闭海水淡化设备，此时光伏发电设备和风力发电设备停止给海水淡化设备供电，进而为蓄电池充电；

当蓄电池输出端的电压低于阈值N时，则开启柴油发电设备为蓄电池充电，否则，关闭柴油发电设备；其中：阈值N<阈值M；

步骤103、当蓄电池输出端信号超出阈值范围时，则单片机控制报警器工作。

本发明具有的优点和积极效果是：

通过采用上述技术方案，本专利利用单片机智能控制风力发电设备、光伏发电设备、柴油发电设备的协调工作，进而保证海岛生活舱的正常稳定工作。

附图说明

图1是本发明优选实施例中风光柴发电系统的电路框图；

图2是本发明优选实施例中控制器部分的结构框图；

图3是本发明优选实施例中数字量输入的电路图；

图4是本发明优选实施例中数字量输出的电路图；

图5是本发明优选实施例中模拟量输入的电路图；

图6是本发明优选实施例中通信接口的电路图；

图7是本发明优选实施例的流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，一种海岛生活舱用的风光柴发电控制系统，目的是：建设10kW光伏发电系统、600W风力发电系统、10kW蓄电池储能系统、10kW柴油发电系统，形成包含风、光、柴储的微电网系统。该风光柴发电控制系统的示意图如图1所示。

太阳能发电设备(光伏发电设备)由两组5KW光伏板组成，每组光伏板通过一个光伏防雷汇流箱、一个5kW离网储能逆变一体机与蓄电池组连接；该离网储能逆变一体机也简称为逆变一体机；选用8节6V/300Ah蓄电池串联，组成48V/300Ah的电池组。600W风机输出、蓄电池组输出汇成48V直流母线，两个离网储能逆变一体机的输出、10kW柴油发电机连接到交流母线，为负载供电。

控制柜内设置有包含有单片机的控制器；单片机选择的是PIC24H系列的16位单片机；

单片机内安装有控制系统：所述控制系统包括：控制光伏发电设备的光伏发电控制系统、控制风力发电设备的风力发电控制系统、以及控制柴油发电设备的柴油发电控制系统；

为了保证该控制系统的正常工作，还包括检测元件；

所述检测元件包括：用于检测光伏发电设备输出端信号的第一电压传感器和第一电流传感器、用于检测风力发电设备输出端信号的第二电压传感器和第二电流传感器、用于检测蓄电池输出端信号的第三电压传感器和第三电流传感器、用于检测柴油发电设备输出端信号的第四电压传感器；所述第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器、第二电流传感器、第三电压传感器、第三电流传感器、第四电压传感器通过模数转换器与单片机的I/O端子电连接；

所述单片机的I/O端子分别与风力发电设备、柴油发电设备的控制端子电连接；所述单片机的I/O端子通过离网储能逆变一体机与光伏发电设备的控制端子电连接

上述控制器包括对检测元件采集数据的模数转换(A/D转换)、开关信号的输入、报警信号输出和风力发电机、离网储能逆变一体机、柴油机启停控制信号的输出功能。控制器的功能结构如图2所示。

上述控制器包括8路数字量输入、16路数字量输出，8路模拟量输入、与上位机(显示器)通讯电路。控制系统主控芯片(即单片机)采用Microchip公司推出的高性能PIC24H系列16位单片机，抗干扰性强，由于生活舱的设备舱空间较小，设备间距离较近，需要避免在海岛生活舱设备间里受到其他设备的干扰。

设计8路数字量输入，用于接收操作箱上的各种开关、按钮等指令。为了与单片机供电电压等级相匹配并且增加系统的抗干扰能力，采用四通道光电耦合器TLP521-4进行数字量隔离，这样可以有效的保证数字信号的准确性。数字量输入电路如图3所示；

设计16路数字量输出，起停控制信号包括：风力发电机起停控制信号、离网储能逆变一体机起停控制信号、柴油发电机起停控制信号等；指示灯报警信号包括：过电压、低电压、过电流、过温、离网储能逆变一体机故障、风机故障、柴油发电机故障、直流母线电压异常、交流母线电压异常、蓄电池电压过低、蓄电池电压过高等。

单片机输出信号一般是经过中间继电器放大后控制现场的执行动作和指示灯等。为了提高系统的抗干扰性，在数字量输出电路中同样使用光电隔离，一般单片机I/O口输出的数字量不能直接驱动继电器，选用了8通道的达林顿管ULN2803来驱动现场的继电器线圈控制开关的起停，数字量输出电路如图4所示；

设计8路模拟量输入，采集互补发电系统电压电流信号，包括光伏电池电压电流，风力发电电压电流，蓄电池电压电流，模拟量经过AD转换变成数字量输入到单片机中，由于单片机本身AD转换模块精度较低，选用并行12位A/D转换器MAX197来搭建模拟量输入电路。模拟量输入电路如图5所示；

用MAX3485来实现数据的发送和接收，这款芯片用于RS-485通信可靠性高，可以实现最高10Mbps的传输速率，3.3V电压标准使其可直接与单片机相连，图6显示的是通信接口电路；

风力发电逐时发电量依赖于该时刻的风速，将风能转化为电能；光伏发电逐时发电量依赖于该时刻太阳辐射强度的大小，将光能转换为电能，通过离网储能逆变一体机对蓄电池充电；蓄电池的逐时充电量或放电量依赖于该时刻的用电负荷及风力发电、光伏发电的发电量。蓄电池的放电深度设定为50％，控制方法如图7所示。

风光供电充足情况下，由风光供电，在充满蓄电池后有富余电量用于海水淡化；风光供电不足情况下，如果蓄电池电量大于90％则蓄电池供电，电池电量在50％～90％之间则维持原有供电状态，电池电量小于50％则切换柴油发电机为负载供电并为蓄电池充电，富余电量用于海水淡化(即电池电量上升至90％为柴油机的停止条件)。

为了充分利用风光资源，又确保系统安全可靠，保证在孤岛运行情况下能满足重要负荷持续供电，设置了两路负载供电线路。控制器检测蓄电池电压，设置当蓄电池电压降到低电压设定值时，控制器输出信号给执行单元，使常开触点闭合，常闭触点断开，切断蓄电池供电线路，同时切换到柴油机发电系统线路，给出控制信号启动柴油发电机发电，给予交流负载供电。同时风光持续给蓄电池充电，当蓄电池电压升到满电压设定值时，控制器输出信号，执行单元开关动作，恢复到蓄电池供电线路，切换回蓄电池供电线路。

若风光供电线路和柴油发电机任何一路出现故障，则控制器输出报警信号，使常闭开关断开，接触器线圈失电，接触器常闭触点断开，常开触点闭合，启动柴油机发电；

海岛生活舱用电设备主要分为四部分：(1)海水淡化系统(2)雨水收集系统(3)热泵空调系统(4)生活用电设备。海岛生活舱发电系统以光伏发电为主，风力发电作为补充，尽可能的利用太阳能和风能，少用柴油节约能源。考虑到海水淡化系统及空调系统感性负载比较多，应尽量避免同时启动。在控制策略上，可以在风光供电充足的情况下，富余电量用于海水淡化和雨水收集，将负载按重要性分为三级，优先保证发电系统给一级负荷供电，其次是二级负荷，在电量充足的情况下启动三级负荷，这样就可节约资源，保证系统稳定性。

上述优选实施例中：所述单片机依次通过光电隔离器、八通道的达林顿管ULN2803与控制风力发电设备、柴油发电设备、光伏发电设备的继电器线圈电连接。

还包括与单片机电连接的上位机。

所述上位机为显示器，所述单片机通过RS485总线与显示器连接。单片机与显示器的通信选用RS-485异步半双工工作方式。RS-485采用差分信号传输，抗噪声干扰性好，通信由海岛生活舱设备间传输到居住间上位机，因此采用RS-485通信即可；

所述模数转换器的型号为MAX197；

请参阅图7，一种海岛生活舱用的风光柴发电控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤101、风力发电设备和光伏发电设备工作，并将产生的电能优先供给负载，当风力发电设备和光伏发电设备的发电量有结余时，将结余电能给蓄电池充电；第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器、第二电流传感器、第三电压传感器和第三电流传感器将检测结果发送至单片机；

步骤102、单片机通过对接收信号的分析判断，进而控制每个部件的工作状态；具体步骤为：

当蓄电池输出端的电压超出阈值M时，则开启海水淡化设备，此时光伏发电设备和风力发电设备为海水淡化设备供电；当蓄电池输出端的电压低于阈值M时，则关闭海水淡化设备，此时光伏发电设备和风力发电设备停止给海水淡化设备供电，进而为蓄电池充电；

当蓄电池输出端的电压低于阈值N时，则开启柴油发电设备为蓄电池充电，否则，关闭柴油发电设备；其中：阈值N<阈值M；

步骤103、当蓄电池输出端信号超出阈值范围时，则单片机控制报警器工作。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种海岛生活舱用的风光柴发电控制系统，其特征在于：至少包括：

安装有控制系统的PIC24H系列的16位单片机、检测元件；其中：

所述控制系统包括：控制光伏发电设备的光伏发电控制系统、控制风力发电设备的风力发电控制系统、以及控制柴油发电设备的柴油发电控制系统；

所述检测元件包括：用于检测光伏发电设备输出端信号的第一电压传感器和第一电流传感器、用于检测风力发电设备输出端信号的第二电压传感器和第二电流传感器、用于检测蓄电池输出端信号的第三电压传感器和第三电流传感器、用于检测柴油发电设备输出端信号的第四电压传感器；所述第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器、第二电流传感器、第三电压传感器、第三电流传感器、第四电压传感器通过模数转换器与单片机的I/O端子电连接；

所述单片机的I/O端子分别与风力发电设备、柴油发电设备的控制端子电连接；所述单片机的I/O端子通过离网储能逆变一体机与光伏发电设备的控制端子电连接。

2.根据权利要求1所述海岛生活舱用的风光柴发电控制系统，其特征在于：所述单片机依次通过光电隔离器、八通道的达林顿管ULN2803与控制风力发电设备、柴油发电设备、光伏发电设备的继电器线圈电连接。

3.根据权利要求1所述海岛生活舱用的风光柴发电控制系统，其特征在于：还包括与单片机电连接的上位机。

4.根据权利要求3所述海岛生活舱用的风光柴发电控制系统，其特征在于：所述上位机为显示器，所述单片机通过RS485总线与显示器连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述海岛生活舱用的风光柴发电控制系统，其特征在于：所述模数转换器的型号为MAX197。

6.一种基于权利要求5所述海岛生活舱用的风光柴发电控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤101、风力发电设备和光伏发电设备工作，并将产生的电能优先供给负载，当风力发电设备和光伏发电设备的发电量有结余时，将结余电能给蓄电池充电；第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器、第二电流传感器、第三电压传感器和第三电流传感器将检测结果发送至单片机；

步骤102、单片机通过对接收信号的分析判断，进而控制每个部件的工作状态；具体步骤为：

当蓄电池输出端的电压超出阈值M时，则开启海水淡化设备，此时光伏发电设备和风力发电设备为海水淡化设备供电；当蓄电池输出端的电压低于阈值M时，则关闭海水淡化设备，此时光伏发电设备和风力发电设备停止给海水淡化设备供电，进而为蓄电池充电；

当蓄电池输出端的电压低于阈值N时，则开启柴油发电设备为蓄电池充电，否则，关闭柴油发电设备；其中：阈值N<阈值M；

步骤103、当蓄电池输出端信号超出阈值范围时，则单片机控制报警器工作。