專利名稱：一種風光水互補發(fā)電系統(tǒng)控制裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種分布式可再生能源互補發(fā)電系統(tǒng)的控制裝置及方法，特別是涉及 一種風光水互補發(fā)電系統(tǒng)的控制裝置及方法。
背景技術：
當前不可再生能源日漸枯竭，環(huán)境污染嚴重，需要開發(fā)各種形式的可再生替代能 源。風、光、水由于儲量豐富、清潔無污染的特點，成為理想的可再生替代能源。而單獨的 風、光以及微水力資源的間歇性和季節(jié)性，不能提供穩(wěn)定連續(xù)的電能，需要開發(fā)各種形式的 互補式能源發(fā)電系統(tǒng)及其控制器，充分利用它們在時間、季節(jié)上的互補性，提高系統(tǒng)供電的 連續(xù)穩(wěn)定。我國微水力資源豐富，但有明顯的季節(jié)性，特別是北方地區(qū)，在冬春季節(jié)，河流水 量較小甚至結冰，導致很少或不能發(fā)電，不能提供連續(xù)穩(wěn)定的電能，限制了微水力資源的利 用。加入風光互補發(fā)電，一方面可以利用冬春季節(jié)風資源豐富的季節(jié)性優(yōu)勢，保證系統(tǒng)供電 的連續(xù)性；另一方面，我國各地區(qū)的用電量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性分布，夏秋用電量較大，加入 風光互補發(fā)電，可以在夏秋季節(jié)緩解微水力的發(fā)電壓力，保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。在目前使 用較多的風光互補發(fā)電系統(tǒng)中加入微水力發(fā)電，一方面可以更加充分的利用可再生能源； 另一方面，微水力的發(fā)電功率較風光互補發(fā)電更加穩(wěn)定，加入微水力發(fā)電，系統(tǒng)供電更加穩(wěn) 定可靠，且在一定程度上降低了發(fā)電成本。為了更高效的利用風光水資源固有的互補特性，需要開發(fā)風光水互補發(fā)電系統(tǒng)控 制裝置，根據(jù)自然條件實時協(xié)調(diào)各發(fā)電設備的發(fā)電狀態(tài)，進行合理的能量管理，為用戶提供 更高效連續(xù)穩(wěn)定的電能。目前現(xiàn)有的風光水互補發(fā)電控制器，主要有以下不足1)簡單的 將三種資源連接在一起，沒有充分利用三種能源各自的特點，實現(xiàn)三種發(fā)電設備的發(fā)電效 率同時最大化；2)使用蓄電池的端電壓來估算剩余電量，判斷蓄電池及系統(tǒng)的工作狀態(tài)， 但蓄電池的剩余電量不僅與蓄電池端電壓有關，更與蓄電池充放電電流密切相關。隨著蓄 電池充放電電流的變化，特別是在充放電電流較大的情況下，蓄電池端電壓已經(jīng)不能準確 的反映鉛蓄電池的剩余電量，導致對系統(tǒng)工作狀態(tài)的判斷失誤，使控制效果變差甚至失效; 3)不能顯示蓄電池的剩余使用時間，用戶不能得到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，不能根據(jù)實際情況合 理的安排用電時間；4)不能靈活的實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控，給需要對多個發(fā)電設備 進行遠程監(jiān)控的中小型電場，以及需要系統(tǒng)發(fā)電數(shù)據(jù)的研究單位帶來不便力)僅根據(jù)蓄電 池端電壓對系統(tǒng)進行保護處理，電壓大于設定值后就切除發(fā)電設備，使用蓄電池單獨給負 載供電，沒有從系統(tǒng)整體的角度對系統(tǒng)進行工作狀態(tài)判斷，動態(tài)合理的調(diào)節(jié)各發(fā)電設備的 工作狀態(tài)，不能最大效率的利用可再生能源。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上開發(fā)需求及現(xiàn)有控制裝置中的不足，本發(fā)明提供一種風光水互補發(fā)電系 統(tǒng)控制裝置及方法，充分利用三種能源各自的特點，利用蓄電池剩余電量判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)；從系統(tǒng)整體的角度動態(tài)合理的調(diào)節(jié)各發(fā)電設備的發(fā)電量，最大效率的利用可再生能源； 使用LCD液晶顯示屏實時顯示系統(tǒng)電量剩余使用時間；使用可插拔無線通訊電路靈活的實 現(xiàn)系統(tǒng)遠程監(jiān)控。本發(fā)明的技術方案是—種風光水互補發(fā)電系統(tǒng)控制裝置包括風力發(fā)電設備控制電路、微水力發(fā)電設 備控制電路、太陽能發(fā)電設備控制電路、電壓電流檢測電路、電壓頻率測量電路、繼電器驅 動電路、MOSFET驅動電路、穩(wěn)壓電路、一個存儲程序的單片機以及單片機外圍電路；所述的 風力發(fā)電設備控制電路和微水力發(fā)電設備控制電路分別包括電磁制動電路、整流濾波電路 和BUCK電路，風力發(fā)電設備及微水力發(fā)電設備輸出的電壓電流分別通過電磁制動電路、 整流濾波電路和BUCK電路后輸入到直流母線；太陽能發(fā)電設備輸出的電壓電流直接通過 BUCK電路輸入到直流母線；從直流母線出來的電壓電流分別經(jīng)繼電器后連接至逆變器、直 流負載以及蓄電池；利用所述的電壓電流檢測電路分別檢測風力發(fā)電設備控制電路和微水 力發(fā)電設備控制電路中整流濾波電路與BUCK電路間的電壓電流信號，同時檢測太陽能發(fā) 電設備輸出的電壓電流信號以及蓄電池的充放電電壓電流信號，將檢測到的四路電壓電流 模擬信號經(jīng)AD轉換后輸入至單片機中；利用所述的電壓頻率測量電路分別測量風力發(fā)電 設備以及微水力發(fā)電設備輸出的交流電壓頻率，將電壓頻率測量電路的輸出信號輸入至單 片機中；將單片機輸出的脈沖寬度調(diào)制信號經(jīng)MOSFET驅動電路后分別與風力發(fā)電設備、微 水力發(fā)電設備以及太陽能發(fā)電設備控制電路中的BUCK電路的輸入端相連接；將單片機輸 出的繼電器控制信號經(jīng)繼電器驅動電路后與直流負載、逆變器以及蓄電池電路上的繼電器 相連接；利用所述的穩(wěn)壓電路將蓄電池的端電壓穩(wěn)壓后分別為MOSFET驅動電路、繼電器驅 動電路、單片機及其外圍電路供電。本發(fā)明使用的單片機為AVR系列單片機；單片機外圍電路包括液晶顯示電路、鍵 盤陣電路、串口通訊驅動電路、無線通訊電路和故障報警電路；所述的無線通訊電路為插拔 式的無線通訊電路，使用插頭連接至單片機外圍電路中的串口通訊驅動電路。本發(fā)明提供的一種風光水互補發(fā)電系統(tǒng)控制方法，包括如下步驟1)利用實驗及神經(jīng)網(wǎng)絡估算的方法獲得蓄電池工作電壓、電流與剩余電量的關系 表，按照規(guī)則N = (V^lO-IlO) *36+1 2*11將剩余電量存儲至電量數(shù)組的第N位，其中V和I 分別為蓄電池的工作電壓和電流； 2)利用電壓電流檢測電路檢測蓄電池的電壓和電流，根據(jù)檢測到的電壓、電流值 查找出電量存儲數(shù)組中當前蓄電池電壓和電流對應的剩余電量；3)根據(jù)蓄電池剩余電量以及蓄電池工作電流來判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)a.當蓄電池剩余電量SOC彡0.98且蓄電池工作電流Ib彡0時，此時風力發(fā)電設 備、微水力發(fā)電設備和太陽能發(fā)電設備同時向蓄電池和負載供電，且蓄電池充滿，記為系統(tǒng) 工作狀態(tài)I ；b.當蓄電池剩余電量SOC彡0.98且蓄電池工作電流Ib < 0時，此時風力發(fā)電設 備、微水力發(fā)電設備、太陽能發(fā)電設備和蓄電池同時向負載供電，蓄電池電量充裕，記為系 統(tǒng)工作狀態(tài)II ；c.當蓄電池剩余電量0. 05 ( SOC < 0. 98，Ib ^ 0時，此時風力發(fā)電設備、微水力 發(fā)電設備和太陽能發(fā)電設備同時向蓄電池和負載供電，蓄電池電量不足，記為系統(tǒng)工作狀態(tài) III ；d.當蓄電池剩余電量0. 05 ( SOC < 0. 98，Ib < 0時，此時風力發(fā)電設備、微水力 發(fā)電設備、太陽能發(fā)電設備和蓄電池同時向負載供電，蓄電池電量不足，記為系統(tǒng)工作狀態(tài) IV ；e.當蓄電池剩余電量SOC <0.05時，此時蓄電池電量過低，記為系統(tǒng)工作狀態(tài)V;利用蓄電池的剩余電量和工作電流計算出剩余使用時間，調(diào)用LCD驅動程序，將 剩余使用時間和系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示在液晶屏上；4)根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)各發(fā)電設備的發(fā)電量f.在系統(tǒng)工作狀態(tài)I時，通過調(diào)節(jié)單片機脈沖寬度調(diào)制波的占空比，按順序依次 減小風力發(fā)電設備、微水力發(fā)電設備以及太陽能發(fā)電設備的發(fā)電量，維持蓄電池工作電流
Ib = O;g.在系統(tǒng)工作狀態(tài)II、系統(tǒng)工作狀態(tài)III或系統(tǒng)工作狀態(tài)IV時，通過調(diào)節(jié)單片機 脈沖寬度調(diào)制波的占空比，對各發(fā)電設備均進行最大功率追蹤控制(MPPT)；h.在系統(tǒng)工作狀態(tài)V時，單片機通過繼電器驅動電路關斷直流負載和逆變器側的 繼電器，同時通過調(diào)節(jié)單片機脈沖寬度調(diào)制波的占空比，對各發(fā)電設備均進行最大功率追 蹤控制，直至剩余電量SOC > 0. 1時，再控制直流負載和逆變器側的繼電器閉合。上述方法中所述的最大功率追蹤控制方法包括如下步驟1)使用廠家提供的風力發(fā)電設備及微水力發(fā)電設備的轉速功率曲線分別計算出 它們的最佳葉尖速比λ。pt—^p λ。pt j以及最大利用系數(shù)Cpmax—風和Cpmax j，通過電壓頻率測 量電路測量出風力發(fā)電設備輸出的電壓頻率fM和微水力發(fā)電設備輸出的電壓頻率f*，通 過電壓檢測電路測量風力發(fā)電設備經(jīng)整流濾波電路后的電壓νΛ和微水力發(fā)電設備經(jīng)整流 濾波電路后的電壓V ρ通過電流檢測電路測量風力發(fā)電設備經(jīng)整流濾波電路后的電流IΛ 和微水力發(fā)電設備經(jīng)整流濾波電路后的電流I# ；2)使用公式
權利要求
1.一種風光水互補發(fā)電系統(tǒng)控制裝置，其特征在于該裝置包括風力發(fā)電設備控制電 路、微水力發(fā)電設備控制電路、太陽能發(fā)電設備控制電路、電壓電流檢測電路、電壓頻率測 量電路、繼電器驅動電路、MOSFET驅動電路、穩(wěn)壓電路、存儲有控制程序的單片機以及單片 機外圍電路；所述的風力發(fā)電設備控制電路和微水力發(fā)電設備控制電路分別包括電磁制動 電路、整流濾波電路和BUCK電路，風力發(fā)電設備及微水力發(fā)電設備輸出的電壓電流分別通 過電磁制動電路、整流濾波電路和BUCK電路后輸入到直流母線；太陽能發(fā)電設備輸出的電 壓電流直接通過BUCK電路輸入到直流母線；從直流母線出來的電壓電流分別經(jīng)繼電器后 連接至逆變器、直流負載以及蓄電池；所述的電壓電流檢測電路分別檢測風力發(fā)電設備控 制電路和微水力發(fā)電設備控制電路中整流濾波電路與BUCK電路間的電壓電流信號，同時 檢測太陽能發(fā)電設備輸出的電壓電流信號以及蓄電池的充放電電壓電流信號，將檢測到的 四路電壓電流模擬信號經(jīng)A/D轉換后輸入至單片機中；利用所述的電壓頻率測量電路分別 測量風力發(fā)電設備以及微水力發(fā)電設備輸出的交流電壓頻率，將電壓頻率測量電路的輸出 信號輸入至單片機中；將單片機輸出的脈沖寬度調(diào)制信號經(jīng)MOSFET驅動電路后分別與風 力發(fā)電設備、微水力發(fā)電設備以及太陽能發(fā)電設備控制電路中的BUCK電路的輸入端相連 接；將單片機輸出的繼電器控制信號經(jīng)繼電器驅動電路后與直流負載、逆變器以及蓄電池 電路上的繼電器相連接；利用所述的穩(wěn)壓電路將蓄電池的端電壓穩(wěn)壓后分別為MOSFET驅 動電路、繼電器驅動電路、單片機及其外圍電路供電。
2.如權利要求1所述的一種風光水互補發(fā)電系統(tǒng)控制裝置，其特征在于所述的單片 機為AVR系列單片機。
3.如權利要求1所述的一種風光水互補發(fā)電系統(tǒng)控制裝置，其特征在于所述的單片 機外圍電路包括液晶顯示電路、鍵盤陣電路、串口通訊驅動電路、無線通訊電路和故障報警 電路。
4.如權利要求3所述的一種風光水互補發(fā)電系統(tǒng)控制裝置，其特征在于所述的無線 通訊電路為插拔式的無線通訊電路，使用插頭連接至單片機外圍電路中的串口通訊驅動電路。
5.一種采用如權利要求1所述裝置的風光水互補發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于該方 法包括如下步驟1)利用實驗及神經(jīng)網(wǎng)絡估算的方法獲得蓄電池工作電壓、電流與剩余電量的關系表， 按照規(guī)則N = (V^lO-IlO) *36+1 2*1將剩余電量存儲至電量數(shù)組的第N位，其中V和I分 別為蓄電池的工作電壓和電流；2)利用電壓電流檢測電路檢測蓄電池的工作電壓和電流，根據(jù)檢測到的電壓、電流值 查找出電量存儲數(shù)組中當前蓄電池電壓和電流對應的剩余電量；3)根據(jù)蓄電池剩余電量以及蓄電池工作電流來判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)a.當蓄電池剩余電量SOC彡0.98且蓄電池工作電流Ib彡0時，此時風力發(fā)電設備、微 水力發(fā)電設備和太陽能發(fā)電設備同時向蓄電池和負載供電，且蓄電池充滿，記為系統(tǒng)工作 狀態(tài)I ；b.當蓄電池剩余電量SOC彡0.98且蓄電池工作電流Ib < 0時，此時風力發(fā)電設備、微 水力發(fā)電設備、太陽能發(fā)電設備和蓄電池同時向負載供電，蓄電池電量充裕，記為系統(tǒng)工作 狀態(tài)II ；c.當蓄電池剩余電量0.05 ( SOC <0. 98, Ib ^O時，此時風力發(fā)電設備、微水力發(fā)電設 備和太陽能發(fā)電設備同時向蓄電池和負載供電，蓄電池電量不足，記為系統(tǒng)工作狀態(tài)III ；d.當蓄電池剩余電量0.05( SOC < 0.98，Ib < 0時，此時風力發(fā)電設備、微水力發(fā)電 設備、太陽能發(fā)電設備和蓄電池同時向負載供電，蓄電池電量不足，記為系統(tǒng)工作狀態(tài)IV;e.當蓄電池剩余電量SOC< 0. 05時，此時蓄電池電量過低，記為系統(tǒng)工作狀態(tài)V ； 利用蓄電池的剩余電量和工作電流計算出剩余使用時間，調(diào)用LCD驅動程序，將剩余使用時間和系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示在液晶屏上；4)根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)各發(fā)電設備的發(fā)電量f.在系統(tǒng)工作狀態(tài)I時，通過調(diào)節(jié)單片機脈沖寬度調(diào)制波的占空比，按順序依次減小 風力發(fā)電設備、微水力發(fā)電設備以及太陽能發(fā)電設備的發(fā)電量，維持蓄電池工作電流Ib = 0 ；g.在系統(tǒng)工作狀態(tài)II、系統(tǒng)工作狀態(tài)III或系統(tǒng)工作狀態(tài)IV時，通過調(diào)節(jié)單片機脈沖 寬度調(diào)制波的占空比，對各發(fā)電設備均進行最大功率追蹤控制；h.在系統(tǒng)工作狀態(tài)V時，單片機通過繼電器驅動電路關斷直流負載和逆變器側的繼電 器，同時通過調(diào)節(jié)單片機脈沖寬度調(diào)制波的占空比，對各發(fā)電設備均進行最大功率追蹤控 制，直至剩余電量SOC > 0. 1時，再控制直流負載和逆變器側的繼電器閉合。
6.如權利要求5所述的一種風光水互補發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于所述的最大 功率追蹤控制包括如下步驟1)使用廠家提供的風力發(fā)電設備及微水力發(fā)電設備的轉速功率曲線分別計算出它們 的最佳葉尖速比λ。pt—風和λ。pt—水以及最大利用系數(shù)Cpmax—風和Cpmax—水，通過電壓頻率測量電 路測量出風力發(fā)電設備輸出的電壓頻率和微水力發(fā)電設備輸出的電壓頻率f*，通過電 壓檢測電路測量風力發(fā)電設備經(jīng)整流濾波電路后的電壓微水力發(fā)電設備經(jīng)整流濾波 電路后的電壓V ρ通過電流檢測電路測量風力發(fā)電設備經(jīng)整流濾波電路后的電流IΛ和微 水力發(fā)電設備經(jīng)整流濾波電路后的電流I# ；2)使用公式/=Pmcf… 分別計算出在當前風速和流速下達到最大效率時風力發(fā)電設備經(jīng)整流濾波后的電流和微水力發(fā)電設備經(jīng)整流濾波后的電流，與通過電流檢 測電路測量的風力發(fā)電設備經(jīng)整流濾波后的電流IΛ和微水力發(fā)電設備經(jīng)整流濾波后的電 流相比較，使用PI控制法分別改變風力發(fā)電機控制電路和微水力發(fā)電機控制電路對應 的單片機脈沖寬度調(diào)制波占空比，實現(xiàn)風力發(fā)電設備和微水力發(fā)電設備的轉速調(diào)節(jié)，直至 電流差ΔΙ = 0 ；公式中ρ為風或水的密度，R為風力發(fā)電設備或微水力發(fā)電設備的葉輪 半徑，ηρ為風力發(fā)電設備或微水力發(fā)電設備的發(fā)電機極對數(shù)，f為頻率f Λ或f*，V為電壓V風$ ν水；3)根據(jù)廠家提供的太陽能發(fā)電設備在環(huán)境溫度為25°，光照強度為1000W/m2時對應 的最優(yōu)電壓值，計算達到該電壓下對應的脈沖寬度調(diào)制波占空比，賦給初始值Dlri，并讀入 此時太陽能發(fā)電設備的輸出功率Plri，然后給占空比一個AD增值，讀入此時的功率？ ，與前 一時刻功率Plri比較，若差值大于或等于0，則繼續(xù)給占空比Δ D增值，若差值小于0，則給 占空比-Δ D增值，如此往復循環(huán)，使光伏陣列動態(tài)的工作在最大功率點上。
全文摘要
一種風光水互補發(fā)電系統(tǒng)控制裝置及方法，屬于再生能源利用技術領域。本發(fā)明包括風力發(fā)電設備控制電路、微水力發(fā)電設備控制電路、太陽能發(fā)電設備控制電路、電壓電流檢測電路、電壓頻率測量電路、繼電器驅動電路、MOSFET驅動電路、穩(wěn)壓電路、一個存儲程序的單片機以及單片機外圍電路。該方法利用蓄電池工作電壓和電流估測蓄電池剩余電量，并利用剩余電量和蓄電池工作電流判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)控制各發(fā)電設備發(fā)電量；特別在蓄電池充滿時，不切除發(fā)電設備和蓄電池，控制發(fā)電設備單獨為負載供電，可更充分的利用可再生能源。實時顯示系統(tǒng)電量剩余使用時間，使用戶合理分配用電量；使用可插拔無線通訊電路，可靈活實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。
文檔編號F03D7/00GK102118049SQ201110008498
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權日2011年1月14日
發(fā)明者呂永哲, 安學利, 李少華, 蔣東翔, 蔣勇, 陳杰 申請人:清華大學