CN108418252A - 一种无线传感器的混合能量收集装置和运行方法 - Google Patents

一种无线传感器的混合能量收集装置和运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种无线传感器的混合能量收集装置和运行方法，本装置包括太阳能和风能收集子系统，还有中心处理器、PWM和储能电容。中心处理器控制两个子系统，收集的太阳能和风能存储于储能电容，为无线传感器节点供电。其运行方法为光伏电池和风力发电机分别将太阳能和风能转换为电能，分别存于太阳能存储模块和风能存储模块，所存电能达到最大，输出至储能电容。同时中心处理器根据光伏电池输出电压运行模糊逻辑控制方法，使光伏电池工作于最大功率点，同时中心处理器根据风力发电机的当前功率运行局部优化方法，调整风力发电机转速，使风力发电机工作于最大功率点。本发明同时收集光能和风能，为无线传感器网络提供能源，持续可靠工作。

Description

一种无线传感器的混合能量收集装置和运行方法
技术领域
本发明属于无线传感技术领域，具体涉及一种无线传感器的混合能量收集装置和运行方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，微机电系统，片上系统，无线通信和低功耗嵌入式的普及，无线传感器网络的应用范围变得越来越广泛。
能源是无线传感器网络所必需的,也成为无线传感器网络的研究的核心问题之一。现有的无线传感器能量收集方式均为单一方式，如有些方案是用光伏电池收集太阳能为无线传感器节点供电，另一些方案则是用风力发电机收集风能供电。
为了让无线传感器网络持续正常工作，就需要采取有效的方法源源不断地为各节点供应能量。目前的无线传感器供电装置只能由单一的某种环境能源收集能量，当节点所处环境的此能源缺乏(如夜间光伏电池只能停止工作)，该节点就无法不停顿地可靠工作。
我们生活的环境中存在大量的形式各样的能源。例如风能和太阳能是人类较早利用的可再生能源，同时也是地球上最为丰富的自然能源。全世界风能资源总量达到了全年2×1012kw，而太阳每秒钟照射到地球的能量相当于500万吨煤的能量供给。
不同的环境条件下自然能源存在的情况不同，如果节点能在其当前所处的环境中从不同的自然能源中收集获得所需的能量，即可最大程度地保证节点长期稳定工作。
发明内容
本发明的目的是设计一种无线传感器的混合能量收集装置，包括太阳能收集子系统和风能收集子系统，还有中心处理器、脉冲宽度调制器(PWM)和储能电容。中心处理器控制太阳能收集子系统和风能收集子系统，收集的太阳能和风能存储于储能电容为无线传感器节点供电。
本发明的另一目的是设计一种无线传感器的混合能量收集装置的运行方法，光伏电池将太阳能转换为电能储于太阳能存储模块，当该模块所存电能达到最大，输出至储能电容。同时中心处理器中的模糊逻辑控制模块根据光伏电池的输出电压运行模糊逻辑控制方法，使光伏电池工作于最大功率点。风力发电机收集到的风能转换为电能储存于风能存储模块中。当风能存储模块所存能量达到最大，输出至储能电容储存。同时中心处理器根据风力发电机的当前功率运行局部优化方法，调整风力发电机转速，使风力发电机工作于最大功率点。
本发明设计的一种无线传感器的混合能量收集装置，包括太阳能收集子系统和风能收集子系统，还有中心处理器、脉冲宽度调制器(PWM)和储能电容。
所述风能收集子系统包括风力发电机、整流器、升压变换器、风能储存器，风力发电机输出端安装有电流传感器、电压传感器和转速传感器，电流传感器、电压传感器和转速传感器的输出信号线接入中心处理器的信号输入端，中心处理器的控制信号接入脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器连接风力发电机控制其转速，风力发电机输出的电能经过整流器和升压变换器接入风能存储模块，风能存储模块经风能二极管接入储能电容。当所述风能存储模块收集的能量达到最大值，风能二极管导通，风能存储模块内的能量输出至储能电容储存；
所述太阳能收集子系统包括光伏电池、具有MPPT(Maximum Power PointTracking最大功率点跟踪)的升压变换器和太阳能存储模块；光伏电池输出端安装有光伏电池电压传感器，光伏电池电压传感器的输出信号线接入中心处理器的信号输入端，中心处理器的控制信号接入脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器连接具有MPPT的升压变换器控制光伏电池的输出电压，光伏电池输出的电能经过具有MPPT的升压变换器接入太阳能存储模块，太阳能存储模块再经太阳能二极管接入储能电容。当所述太阳能存储模块收集的能量达到阈值，太阳能二极管导通，太阳能存储模块内的能量输出至储能电容储存。
所述储能电容连接可充电的锂电池，最终本能量收集装置多余的能量存储于可充电锂电池。
本发明设计的一种无线传感器的混合能量收集装置的运行方法如下：所述无线传感器的混合能量收集装置与无线传感器网络的某个节点安置于某固定点。当本装置的安装点有光时太阳能收集子系统工作，光伏电池将太阳光的能量转换为电能储存于太阳能存储模块中。当太阳能存贮模块所存贮的电能达到其最大值时，太阳能二极管导通，太阳能存贮模块存贮的电能输出至储能电容储存。同时中心处理器中的模糊逻辑控制模块根据光伏电池的输出电压运行模糊逻辑控制方法，获得对光伏电池的控制信号接入脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器控制调整光伏电池的工作点电压，使光伏电池工作于最大功率点。当本装置的安装点有风时风能收集子系统工作，其中的风力发电机收集到的风能转换为电能储存于风能存储模块中。当所述风能存储模块收集的能量达到其最大值，风能二极管导通，风能存储模块内的能量输出至储能电容储存。同时中心处理器根据风力发电机的当前功率运行局部优化方法，获得风力发电机参考转速，控制信号接入脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器控制风力发电机转速，使风力发电机工作于最大功率点。
当所述储能电容连接可充电锂电池，所述储能电容的电能达到临界最大值时，向可充电锂电池充电，多余的能量存储于可充电锂电池。
本发明一种无线传感器的混合能量收集装置的运行方法中对太阳能收集子系统的模糊逻辑控制方法的具体步骤如下：
Ⅰ、确定模糊逻辑控制模块的变量
确定模糊逻辑控制模块的输入变量输出误差E、输出误差变化率Ec，输出变量输出电压矫正量dU和最大功率点条件E＝0。
Ⅱ、输入变量模糊化
将步骤Ⅰ确定的输入变量定义为模糊子集，并选取适当的隶属度函数；
Ⅲ、模糊推理运算
模糊逻辑控制模块根据太阳能收集子系统的光伏电池P-V(功率-电压)特性曲线进行分析,得出最大功率点跟踪(MPPT)的逻辑控制规则，调节光伏电池输出电压矫正量dU,使光伏电池工作在最大功率输出状态。
Ⅳ、确定光伏电池工作点输出电压矫正量dU
根据步骤Ⅱ确定的模糊子集和隶属度函数，计算输出变量的具体数值，即解模糊，本发明采用面积重心法解模糊；根据步骤Ⅲ所得输出电压矫正量dU的值进行调整。
所述步骤Ⅰ确定模糊逻辑控制模块的变量，具体包括如下子步骤：
Ⅰ-1、确定模糊逻辑控制模块的输入变量
模糊逻辑控制模块的输入变量为输出误差E、输出误差变化率Ec，第k次采样所得的此二输入变量E(k)和Ec(k)定义为：
Ec(k)＝E(k)-E(k-1)
其中，P(k)和U(k)分别为光伏电池的输出功率及输出电压的第k次采样值，P(k-1)和U(k-1)分别为光伏电池的输出功率及输出电压的第k-1次采样值。
E即为光伏电池P-V特性曲线上连续采样的两点连线的斜率值，Ec即为单位时间斜率的变化值。
Ⅰ-2、确定模糊逻辑控制模块的输出变量
模糊逻辑控制模块的输出变量为光伏电池输出电压矫正量dU，dU的值为正值、负值或为零，根据模糊逻辑控制模块的当前决策调整输出电压矫正量dU的值。
Ⅰ-3、确定模糊逻辑控制模块的最大功率点条件
E(k)＝0，即光伏电池工作在最大功率输出状态。
所述步骤Ⅱ输入变量模糊化，包括如下子步骤：
Ⅱ-1、输入变量定义为模糊子集
将输入变量E和Ec分别定义为5个模糊子集，即语言变量，如下：
E＝{NB,NS,ZE,PS,PB}
Ec＝(NBc,NSc,ZEc,PSc,PBc)
其中，{NB,NS,ZE,PS,PB}分别表示负大，负小，零，正小，正大，(NBc,NSc,ZEc,PSc,PBc)分别表示Ec的负大，负小，零，正小，正大值。
Ⅱ-2、选取适当的隶属度函数
根据光伏电池特征，采用均匀分布的三角形隶属度函数来确定输入变量(E,Ec)和输出变量dU的不同取值与相应语言变量之间的隶属度。其中，三角形隶属度函数的解析式为：
上式中x是输入变量(E,Ec)的值。三角形隶属度函数中根据模糊子集中E和Ec，将a的值确定为模糊子集ZE的边界值、a＝0，将c的值确定为模糊子集PB的边界值，c为E的最大正值，b的值确定为模糊子集NB的边界值，b为E的绝对值最大的负值。
所述步骤Ⅲ模糊推理运算，包括如下子步骤：
Ⅲ-1、当E(k)>0,Ec(k)<0时，P由左侧向PMPP靠近；则输出电压矫正量dU为正，以靠近最大功率点；
Ⅲ-2、当E(k)>0，Ec(K)≥0时，P由左侧远离PMPP；则输出电压矫正量dU为正，以靠近最大功率点；
Ⅲ-3、当E(k)<0，Ec(k)≥0时，P由右侧向PMPP靠近；则输出电压矫正量dU应为负，以继续靠近最大功率点；
Ⅲ-4、当E(k)<0，Ec(k)<0，P由右侧远离PMPP；则输出电压矫正量dU为负，以靠近最大功率点；
Ⅲ-5、当E(k)＝0，工作点处于最大功率点，dU＝0。
所述步骤Ⅳ确定输出电压矫正量dU，包括如下子步骤：
Ⅳ-1、面积重心法解模糊
面积重心法的计算公式如下：
式中，DeltaD为模糊逻辑控制模块输出的电压矫正值。根据给出的隶属度函数，E，Ec，按照取值对应于相应的语言变量，该语言变量在隶属度函数中对应的数值区间的中心值即为Ui，μ(Ui)是对应于Ui权值；Ui为对电压的第i次采样，n为共采样n次。
Ⅳ-2、根据dU的值进行调整
输出电压的高低主要取决于PWM波的占空比D，因此输出电压矫正量dU相应取决于占空比的变化量。占空比的变化量为模糊逻辑控制模块给出的DeltaD，由变量E和Ec发生变化时相应DeltaD的变化规则，进而调整dU的值，使系统工作在最大功率点上。
Ⅳ-3、引入反馈机制，加快调整
中心处理器3～8秒为周期检测太阳能子系统输出电压US和电流IS，然后计算输出功率PS＝USIS。在m个周期得到输出功率P的m组数值(P1,P2……Pm)，m为4～6的整数。求出m组功率数值的平均值Pav＝(P1+P2+…Pm)/m。求当前平均值Pavn与上一次m个周期测得的平均值Pavl的差。
如果平均值差Pc＝Pavn-Pavl>0，将平均值差Pc的值加入到模糊子集PB中。
如果平均值差Pc＝Pavn-Pavl＝0，将平均值差Pc的值加入到模糊子集ZE中。
如果平均值差Pc＝Pavn-Pavl<0，将平均值差Pc的值加入到模糊子集NB中。
通过中心处理器的不断检测，将平均值差Pc反馈至模糊子集中，加快调整dU的值，使系统工作在最大功率点上。
本发明一种无线传感器的混合能量收集装置的运行方法中对风能收集子系统的局部择优方法的具体步骤如下：
①、选择初始参数
①-1、选择风力发电机初始的参考转速ωref
依据经验选取风力发电机的参考转速ωref初始值，此初始值不影响最大功率点跟踪结果；
①-2、选择初始步长ωstep
将风力发电机的参考转速ωref等分为8～12个子区间，区间长度作为单位初始步长ωstep。
选择初始步长的时候设置三个备选值ωstep＝{ωstep1,ωstep2,ωstep3}，三个备选值的级差为10rad/s，即ωstep2-ωstep1＝10rad/s，ωstep3-ωstep2＝10rad/s。
①-3、测量风力发电机的输出功率
测量风力发电机的输出电压U和输出电流I，并根据公式P＝UI，得到风力发电机的输出功率P。
②、调整风力发电机的参考转速，使风能收集子系统工作在最大功率点
按选取的初始步长ωstep增加或减少风力发电机的参考转速ωref，并同步测量风力发电机的输出功率；
②-1、计算符号函数Sign(Δp)和Sign(Δω)
当风速为某值时，ΔP＝Pk-Pk-1，Δω＝ωk-ωk-1；
Pk为k时刻的功率采样值，Pk-1为k-1时刻的功率采样值；
ωk为k时刻的转速采样值，ωk-1为k-1时刻的转速采样值；
②-2、改变参考转速
风力发电机开始运行时，初始的参考转速ωref(1)为步骤①-1所选取的值。
之后按步骤①-2选取的初始步长ωstep增加或减少风力发电机的转速ωref，得到改变后的第二个转速值ωref(2)；
当①-2选取了3个备选初始步长，根据当前功率变化情况从中选一个增加或减少风力发电机的转速ωref，以加快使系统工作在最大功率点上。
之后按下式依次得到改变的参考转速，
第n次的转速ωref(n)＝ωref(n-1)+Sign(ΔPn)Sign(Δωn)ωstep，n≥3，ΔPn＝Pn-Pn-1，Δωn＝ωn-ωn-1；
此时风力发电机的运行点为(ωn,Pn)，即风力发电机的运行在P-ω特征曲线的(ωn,Pn)处。
②-3、每次改变风力发电机的参考转速ωref，同步测量风力发电机输出功率；
③、最大功率点的确定
反复执行步骤②，当Sign(Δp)＝0或Sign(Δω)＝0，即达到最大功率点(ωmax,Pmax)，停止执行局部择优方法。当风速改变时，返回执行步骤②。
与现有技术相比，本发明一种无线传感器的混合能量收集装置和运行方法的优点为：1、本装置使无线传感器能同时收集环境中最普遍存在的光能和风能，并均转换成电能存储于储能电容，解决无线传感器网络能源供应，尽最大可能保证无线传感器网络持续正常可靠工作；2、采用模糊逻辑控制方法，控制调整光伏电池的输出电压，使光伏电池工作于最大功率点；3、采用局部择优方法，只需根据当前风力发电机的输出功率和电机转速，即可调节风力发电机转速，使其工作于最大功率点；4、本发明结构简单，控制方便，易于推广应用。
附图说明
图1为本无线传感器的混合能量收集装置实施例结构示意图；
图2为无线传感器的混合能量收集装置的运行方法实施例中对太阳能最大功率点跟踪-模糊逻辑控制算法流程图；
图3为为无线传感器的混合能量收集装置的运行方法实施例中风能最大功率点跟踪-局部择优方法流程图。
具体实施方式
下面根据实施例和其附图进一步详细描述本发明方案。所述的示例在附图中示出，以下的实施例和参考附图的描述是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
无线传感器的混合能量收集装置实施例
本无线传感器的混合能量收集装置实施例如图1所示，包括太阳能收集子系统和风能收集子系统，还有中心处理器、脉冲宽度调制器(PWM)和储能电容。本例的中心处理器为MSP430芯片。
本例风能收集子系统包括风力发电机、整流器、升压变换器、风能储存器，风力发电机输出端安装有电流传感器、电压传感器和转速传感器，电流传感器、电压传感器和转速传感器的输出信号线接入中心处理器的信号输入端，中心处理器的控制信号接入脉冲宽度调制器PWM，脉冲宽度调制器连接风力发电机控制其转速，风力发电机输出的电能经过整流器和升压变换器接入风能存储模块，风能存储模块经风能二极管接入储能电容。
本例太阳能收集子系统包括光伏电池、具有MPPT(Maximum Power PointTracking最大功率点跟踪)的升压变换器和太阳能存储模块；光伏电池输出端安装有光伏电池电压传感器，光伏电池电压传感器的输出信号线接入中心处理器的信号输入端，中心处理器的控制信号接入脉冲宽度调制器PWM，脉冲宽度调制器连接具有MPPT的升压变换器控制光伏电池的输出电压，光伏电池输出的电能经过具有MPPT的升压变换器接入太阳能存储模块，太阳能存储模块再经太阳能二极管接入储能电容。当所述太阳能存储模块收集的能量达到阈值，太阳能二极管导通，太阳能存储模块内的能量输出至储能电容储存。
本例储能电容连接可充电的锂电池，最终本能量收集装置多余的能量存储于锂电池。
无线传感器的混合能量收集装置的运行方法实施例
本无线传感器的混合能量收集装置的运行方法为在上述无线传感器的混合能量收集装置实施例上运行，具体如下：
所述无线传感器的混合能量收集装置与无线传感器网络的某个节点安置于某固定点。当本装置实施例的安装点有光时太阳能收集子系统工作，光伏电池将太阳光的能量转换为电能储存于太阳能存储模块中。当太阳能存贮模块所存贮的电能达到其最大值时，太阳能二极管导通，太阳能存贮模块存贮的电能输出至储能电容储存。同时中心处理器中的模糊逻辑控制模块根据光伏电池的输出电压运行模糊逻辑控制方法，获得对光伏电池的控制信号接入脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器控制调整光伏电池的工作点电压，使光伏电池工作于最大功率点。当本装置实施例的安装点有风时风能收集子系统工作，其中的风力发电机收集到的风能转换为电能储存于风能存储模块中。当所述风能存储模块收集的能量达到其最大值，风能二极管导通，风能存储模块内的能量输出至储能电容储存。同时中心处理器根据风力发电机的当前功率运行局部优化方法，获得对风力发电机的参考转速，控制信号接入脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器控制风力发电机转速，使风力发电机工作于最大功率点。
本例储能电容的电能达到临界最大值时，向可充电的锂电池充电，多余的能量存储于锂电池。
本无线传感器的混合能量收集装置的运行方法实施例中对太阳能收集子系统的模糊逻辑控制方法的流程图如图2所示，具体步骤如下：
Ⅰ、确定模糊逻辑控制模块的变量
具体包括如下子步骤：
Ⅰ-1、确定模糊逻辑控制模块的输入变量
模糊逻辑控制模块的输入变量为输出误差E、输出误差变化率Ec，第k次采样所得的此二输入变量E(k)和Ec(k)定义为：
Ec(k)＝E(k)-E(k-1)
其中，P(k)和U(k)分别为光伏电池的输出功率及输出电压的第k次采样值，P(k-1)和U(k-1)分别为光伏电池的输出功率及输出电压的第k-1次采样值。
E即为光伏电池P-V特性曲线上连续采样的两点连线的斜率值，Ec即为单位时间斜率的变化值。
Ⅰ-2、确定模糊逻辑控制模块的输出变量
模糊逻辑控制模块的输出变量为光伏电池输出电压矫正量dU，dU的值为正值、负值或为零，根据模糊逻辑控制模块的当前决策调整输出电压矫正量dU的值。
Ⅰ-3、确定模糊逻辑控制模块的最大功率点条件
E(k)＝0，即光伏电池工作在最大功率输出状态。
Ⅱ、输入变量模糊化
将步骤Ⅰ确定的输入变量定义为模糊子集，并选取适当的隶属度函数；
本例步骤Ⅱ输入变量模糊化，包括如下子步骤：
Ⅱ-1、输入变量定义为模糊子集
将输入变量E和Ec分别定义为5个模糊子集，即语言变量，如下：
E＝{NB,NS,ZE,PS,PB}
Ec＝(NBc,NSc,ZEc,PSc,PBc)
其中，{NB,NS,ZE,PS,PB}分别表示负大，负小，零，正小，正大，(NBc,NSc,ZEc,PSc,PBc)分别表示Ec的负大，负小，零，正小，正大值。
Ⅱ-2、选取适当的隶属度函数
根据光伏电池特征，采用均匀分布的三角形隶属度函数来确定输入变量(E,Ec)和输出变量dU的不同取值与相应语言变量之间的隶属度。其中，三角形隶属度函数的解析式为：
上式中x是输入变量(E,Ec)的值。三角形隶属度函数中根据模糊子集中E和Ec，将a的值确定为模糊子集ZE的边界值、a＝0，将c的值确定为模糊子集PB的边界值，c为E的最大正值，b的值确定为模糊子集NB的边界值，b为E的绝对值最大的负值。
Ⅲ、模糊推理运算
模糊逻辑控制模块根据太阳能收集子系统的光伏电池P-V(功率-电压)特性曲线进行分析,得出最大功率点跟踪(MPPT)的逻辑控制规则，调节光伏电池输出电压矫正量dU,使光伏电池工作在最大功率输出状态。
本例步骤Ⅲ模糊推理运算，包括如下步骤：
Ⅲ-1、当E(k)>0,Ec(k)<0时，P由左侧向PMPP靠近；则输出电压矫正量dU为正，以靠近最大功率点；
Ⅲ-2、当E(k)>0，Ec(K)≥0时，P由左侧远离PMPP；则输出电压矫正量dU为正，以靠近最大功率点；
Ⅲ-3、当E(k)<0，Ec(k)≥0时，P由右侧向PMPP靠近；则输出电压矫正量dU应为负，以继续靠近最大功率点；
Ⅲ-4、当E(k)<0，Ec(k)<0，P由右侧远离PMPP；则输出电压矫正量dU为负，以靠近最大功率点；
Ⅲ-5、当E(k)＝0，工作点处于最大功率点，dU＝0。
Ⅳ、确定光伏电池工作点输出电压矫正量dU
根据步骤Ⅱ确定的模糊子集和隶属度函数，计算输出变量的具体数值，即解模糊，本发明采用面积重心法解模糊；根据步骤Ⅲ所得输出电压矫正量dU的值进行调整。
本例步骤Ⅳ确定输出电压矫正量dU，包括如下步骤：
Ⅳ-1、面积重心法解模糊
面积重心法的计算公式如下：
式中，DeltaD为模糊逻辑控制模块输出的电压矫正值。根据给出的隶属度函数，E，Ec，按照取值对应于相应的语言变量，该语言变量在隶属度函数中对应的数值区间的中心值即为Ui，μ(Ui)是对应于Ui权值。Ui为对电压的第i次采样，n为共采样n次.
Ⅳ-2、根据dU的值进行调整
输出电压的高低主要取决于PWM波的占空比D，因此输出电压矫正量dU相应取决于占空比的变化量。占空比的变化量为模糊逻辑控制模块给出的DeltaD，由变量E和Ec发生变化时相应DeltaD的变化规则，进而调整dU的值，使系统工作在最大功率点上。
Ⅳ-3、引入反馈机制，加快调整
本例中心处理器以5秒为周期检测太阳能子系统输出电压US和电流IS，然后计算输出功率PS＝USIS。在5个周期得到输出功率P的5组数值(P1,P2,P3,P4,,P5)，求出5组功率数值的平均值Pav＝(P1+P2+P3+P4+P5)/5。求当前平均值Pavn与上一次5个周期测得的平均值Pavl的差。
如果平均值差Pc＝Pavn-Pavl>0，将平均值差Pc的值加入到模糊子集PB中。
如果平均值差Pc＝Pavn-Pavl＝0，将平均值差Pc的值加入到模糊子集ZE中。
如果平均值差Pc＝Pavn-Pavl<0，将平均值差Pc的值加入到模糊子集NB中。
通过中心处理器的不断检测，将平均值差Pc反馈至模糊子集中，加快调整dU的值，使系统工作在最大功率点上。
本无线传感器的混合能量收集装置的运行方法实施例中对风能收集子系统的局部择优方法的流程如图3所示，具体步骤如下：
①、选择初始参数
①-1、选择风力发电机初始的参考转速ωref
依据经验选取风力发电机的参考转速ωref初始值，此初始值不影响最大功率点跟踪结果；
①-2、选择初始步长ωstep
将风力发电机的参考转速ωref等分为10个子区间，区间长度作为单位初始步长ωstep。
选择初始步长的时候设置三个备选值ωstep＝{ωstep1,ωstep2,ωstep3}，三个备选值的级差为10rad/s，即ωstep2-ωstep1＝10rad/s，ωstep3-ωstep2＝10rad/s。
①-3、测量风力发电机的输出功率
测量风力发电机的输出电压U和输出电流I，并根据公式P＝UI，得到风力发电机的输出功率P。
②、调整风力发电机的参考转速，使风能收集子系统工作在最大功率点
按选取的初始步长ωstep增加或减少风力发电机的参考转速ωref，并同步测量风力发电机的输出功率；
②-1、计算符号函数Sign(Δp)和Sign(Δω)
当风速为某值时，ΔP＝Pk-Pk-1，Δω＝ωk-ωk-1；
Pk为k时刻的功率采样值，Pk-1为k-1时刻的功率采样值；
ωk为k时刻的转速采样值，ωk-1为k-1时刻的转速采样值；
②-2、改变参考转速
风力发电机开始运行时，初始的参考转速ωref(1)为步骤①-1所选取的值。
之后，根据当前功率变化情况，从步骤①-2选取的3个备选初始步长中选一个增加或减少风力发电机的转速ωref，得到改变后的第二个转速值ωref(2)；
之后按下式依次得到改变的参考转速，
第n次的转速ωref(n)＝ωref(n-1)+Sign(ΔPn)Sign(Δωn)ωstep，n≥3，ΔPn＝Pn-Pn-1，Δωn＝ωn-ωn-1；
此时风力发电机的运行点为(ωn,Pn)，即风力发电机的运行在P-ω特征曲线的(ωn,Pn)处。
②-3、每次改变风力发电机的参考转速ωref，同步测量风力发电机输出功率；
③、最大功率点的确定
反复执行步骤②，当Sign(Δp)＝0或Sign(Δω)＝0，即达到最大功率点(ωmax,Pmax)，停止执行局部择优方法。当风速改变时，返回执行步骤②。
可见，本发明的装置具有结构简单，能量收集效率高的特点。可以对无线传感器网络提供能源并进行能源管理，在很大程度上解决了无线传感器的能源供应问题。本发明的方法易于实现，时间复杂度低，具有很好的可移植性。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线传感器的混合能量收集装置，包括太阳能收集子系统和风能收集子系统，其特征在于：
还有中心处理器、脉冲宽度调制器和储能电容；
所述风能收集子系统包括风力发电机、整流器、升压变换器、风能储存器，风力发电机输出端安装有电流传感器、电压传感器和转速传感器，电流传感器、电压传感器和转速传感器的输出信号线接入中心处理器的信号输入端，中心处理器的控制信号接入脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器连接风力发电机控制其转速，风力发电机输出的电能经过整流器和升压变换器接入风能存储模块，风能存储模块经风能二极管接入储能电容；
所述太阳能收集子系统包括光伏电池、具有MPPT的升压变换器和太阳能存储模块；光伏电池输出端安装有光伏电池电压传感器，光伏电池电压传感器的输出信号线接入中心处理器的信号输入端，中心处理器的控制信号接入脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器连接具有MPPT的升压变换器控制光伏电池的输出电压，光伏电池输出的电能经过具有MPPT的升压变换器接入太阳能存储模块，太阳能存储模块再经太阳能二极管接入储能电容。
2.根据权利要求1所述的无线传感器的混合能量收集装置，其特征在于：
所述储能电容连接可充电锂电池。
3.根据权利要求1或2所述的无线传感器的混合能量收集装置的运行方法，其特征在于：
所述无线传感器的混合能量收集装置与无线传感器网络的某个节点安置于某固定点；当本装置的安装点有光时太阳能收集子系统工作，光伏电池将太阳光的能量转换为电能储存于太阳能存储模块中；当太阳能存贮模块所存贮的电能达到其最大值时，太阳能二极管导通，太阳能存贮模块存贮的电能输出至储能电容储存；同时中心处理器中的模糊逻辑控制模块根据光伏电池的输出电压运行模糊逻辑控制方法，获得对光伏电池的控制信号接入脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器控制调整光伏电池的工作点电压，使光伏电池工作于最大功率点；当本装置的安装点有风时风能收集子系统工作，其中的风力发电机收集到的风能转换为电能储存于风能存储模块中；当所述风能存储模块收集的能量达到其最大值，风能二极管导通，风能存储模块内的能量输出至储能电容储存；同时中心处理器根据风力发电机的当前功率运行局部优化方法，获得风力发电机的参考转速，控制信号接入脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器控制风力发电机的转速，使风力发电机工作于最大功率点。
4.根据权利要求3所述的无线传感器的混合能量收集装置的运行方法，其特征在于：
当所述储能电容连接可充电锂电池，所述储能电容的电能达到临界最大值时，向可充电锂电池充电，多余的能量存储于可充电锂电池。
5.根据权利要求3所述的无线传感器的混合能量收集装置的运行方法，其特征在于：
对太阳能收集子系统的模糊逻辑控制方法的具体步骤如下：
Ⅰ、确定模糊逻辑控制模块的变量
确定模糊逻辑控制模块的输入变量输出误差E、输出误差变化率Ec，输出变量输出电压矫正量dU和最大功率点条件E＝0；
Ⅱ、输入变量模糊化
将步骤Ⅰ确定的输入变量定义为模糊子集，并选取适当的隶属度函数；
Ⅲ、模糊推理运算
模糊逻辑控制模块根据太阳能收集子系统的光伏电池P-V(功率-电压)特性曲线进行分析,得出最大功率点跟踪(MPPT)的逻辑控制规则，调节光伏电池输出电压矫正量dU,使光伏电池工作在最大功率输出状态；
Ⅳ、确定光伏电池工作点输出电压矫正量dU
根据步骤Ⅱ确定的模糊子集和隶属度函数，计算输出变量的具体数值，即解模糊，采用面积重心法解模糊；根据步骤Ⅲ所得输出电压矫正量dU的值进行调整。
6.根据权利要求5所述的无线传感器的混合能量收集装置的运行方法，其特征在于：
所述步骤Ⅰ确定模糊逻辑控制模块的变量，具体包括如下子步骤：
Ⅰ-1、确定模糊逻辑控制模块的输入变量
模糊逻辑控制模块的输入变量为输出误差E、输出误差变化率Ec，第k次采样所得的此二输入变量E(k)和Ec(k)定义为：
Ec(k)＝E(k)-E(k-1)
其中，P(k)和U(k)分别为光伏电池的输出功率及输出电压的第k次采样值，P(k-1)和U(k-1)分别为光伏电池的输出功率及输出电压的第k-1次采样值；
E即为光伏电池P-V特性曲线上连续采样的两点连线的斜率值，Ec即为单位时间斜率的变化值；
Ⅰ-2、确定模糊逻辑控制模块的输出变量
模糊逻辑控制模块的输出变量为光伏电池输出电压矫正量dU，dU的值为正值、负值或为零，根据模糊逻辑控制模块的当前决策调整输出电压矫正量dU的值；
Ⅰ-3、确定模糊逻辑控制模块的最大功率点条件
E(k)＝0，即光伏电池工作在最大功率输出状态。
7.根据权利要求5所述的无线传感器的混合能量收集装置的运行方法，其特征在于：
所述步骤Ⅱ输入变量模糊化，包括如下子步骤：
Ⅱ-1、输入变量定义为模糊子集
将输入变量E和Ec分别定义为5个模糊子集，即语言变量，如下：
E＝{NB,NS,ZE,PS,PB}
Ec＝(NBc,NSc,ZEc,PSc,PBc)
其中，{NB,NS,ZE,PS,PB}分别表示负大，负小，零，正小，正大，(NBc,NSc,ZEc,PSc,PBc)分别表示Ec的负大，负小，零，正小，正大值；
Ⅱ-2、选取适当的隶属度函数
根据光伏电池特征，采用均匀分布的三角形隶属度函数来确定输入变量(E,Ec)和输出变量dU的不同取值与相应语言变量之间的隶属度；其中，三角形隶属度函数的解析式为：
上式中x是输入变量(E,Ec)的值；三角形隶属度函数中根据模糊子集中E和Ec，将a的值确定为模糊子集ZE的边界值、a＝0，将c的值确定为模糊子集PB的边界值，c为E的最大正值，b的值确定为模糊子集NB的边界值，b为E的绝对值最大的负值。
8.根据权利要求5所述的无线传感器的混合能量收集装置的运行方法，其特征在于：
所述步骤Ⅲ模糊推理运算，包括如下子步骤：
Ⅲ-1、当E(k)>0,Ec(k)<0时，P由左侧向PMPP靠近；则输出电压矫正量dU为正，以靠近最大功率点；
Ⅲ-2、当E(k)>0，Ec(K)≥0时，P由左侧远离PMPP；则输出电压矫正量dU为正，以靠近最大功率点；
Ⅲ-3、当E(k)<0，Ec(k)≥0时，P由右侧向PMPP靠近；则输出电压矫正量dU应为负，以继续靠近最大功率点；
Ⅲ-4、当E(k)<0，Ec(k)<0，P由右侧远离PMPP；则输出电压矫正量dU为负，以靠近最大功率点；
Ⅲ-5、当E(k)＝0，工作点处于最大功率点，dU＝0。
9.根据权利要求5所述的无线传感器的混合能量收集装置的运行方法，其特征在于：
所述步骤Ⅳ确定输出电压矫正量dU，包括如下子步骤：
Ⅳ-1、面积重心法解模糊
面积重心法的计算公式如下：
式中，DeltaD为模糊逻辑控制模块输出的电压矫正值；根据给出的隶属度函数，E，Ec，按照取值对应于相应的语言变量，该语言变量在隶属度函数中对应的数值区间的中心值即为Ui，μ(Ui)是对应于Ui权值；Ui为对电压的第i次采样，n为共采样n次；
Ⅳ-2、根据dU的值进行调整
输出电压的高低主要取决于PWM波的占空比D，因此输出电压矫正量dU相应取决于占空比的变化量；占空比的变化量为模糊逻辑控制模块给出的DeltaD，由变量E和Ec发生变化时相应DeltaD的变化规则，进而调整dU的值，使系统工作在最大功率点上；
Ⅳ-3、引入反馈机制，加快调整
中心处理器3～8秒为周期检测太阳能子系统输出电压US和电流IS，然后计算输出功率PS＝USIS；在m个周期得到输出功率P的m组数值(P1,P2……Pm)，m为4～6的整数；求出m组功率数值的平均值Pav＝(P1+P2+…Pm)/m；求当前平均值Pavn与上一次m个周期测得的平均值Pavl的差；
如果平均值差Pc＝Pavn-Pavl>0，将平均值差Pc的值加入到模糊子集PB中；
如果平均值差Pc＝Pavn-Pavl＝0，将平均值差Pc的值加入到模糊子集ZE中；
如果平均值差Pc＝Pavn-Pavl<0，将平均值差Pc的值加入到模糊子集NB中；
通过中心处理器的不断检测，将平均值差Pc反馈至模糊子集中，加快调整dU的值，使系统工作在最大功率点上。
10.根据权利要求3所述的无线传感器的混合能量收集装置的运行方法，其特征在于：
所述对风能收集子系统的局部择优方法的具体步骤如下：
①、选择初始参数
①-1、选择风力发电机初始的参考转速ωref
依据经验选取风力发电机的参考转速ωref初始值，此初始值不影响最大功率点跟踪结果；
①-2、选择初始步长ωstep
将风力发电机的参考转速ωref等分为8～12个子区间，区间长度作为单位初始步长ωstep；
选择初始步长的时候设置三个备选值ωstep＝{ωstep1,ωstep2,ωstep3}，三个备选值的级差为10rad/s，即ωstep2-ωstep1＝10rad/s，ωstep3-ωstep2＝10rad/s；
①-3、测量风力发电机的输出功率
测量风力发电机的输出电压U和输出电流I，并根据公式P＝UI，得到风力发电机的输出功率P；
②、调整风力发电机的参考转速，使风能收集子系统工作在最大功率点
按选取的初始步长ωstep增加或减少风力发电机的参考转速ωref，并同步测量风力发电机的输出功率；
②-1、计算符号函数Sign(Δp)和Sign(Δω)
当风速为某值时，ΔP＝Pk-Pk-1，Δω＝ωk-ωk-1；
Pk为k时刻的功率采样值，Pk-1为k-1时刻的功率采样值；
ωk为k时刻的转速采样值，ωk-1为k-1时刻的转速采样值；
②-2、改变参考转速
风力发电机开始运行时，初始的参考转速ωref(1)为步骤①-1所选取的值；
之后按步骤①-2选取的初始步长ωstep增加或减少风力发电机的转速ωref，得到改变后的第二个转速值ωref(2)；
当①-2选取了3个备选初始步长，根据当前功率变化情况从中选一个增加或减少风力发电机的转速ωref，以加快使系统工作在最大功率点上；
之后按下式依次得到改变的参考转速，
第n次的转速ωref(n)＝ωref(n-1)+Sign(ΔPn)Sign(Δωn)ωstep，n≥3，ΔPn＝Pn-Pn-1，Δωn＝ωn-ωn-1；
此时风力发电机的运行点为(ωn,Pn)，即风力发电机的运行在P-ω特征曲线的(ωn,Pn)处；
②-3、每次改变风力发电机的参考转速ωref，同步测量风力发电机输出功率；
③、最大功率点的确定
反复执行步骤②，当Sign(Δp)＝0或Sign(Δω)＝0，即达到最大功率点(ωmax,Pmax)，停止执行局部择优方法；当风速改变时，返回执行步骤②。
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