小型风光互补发电系统控制器研究.doc

小型风光互补发电系统控制器模块的研究学 院： 班 级： 指导老师： 组 长： 组 员： 风光互补发电系统控制器模块的研究摘要能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础。如今，日益严重的能源危机已经引起了全世界的重视。开发可再生、无污染的新能源迫在眉睫。在目前可利用的几种可再生能源中，太阳能和风能是应用较为广泛的两种。太阳能、风能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性，综合考虑太阳能和风能在多方面的互补特性而建立起来的风光互补发电系统是一种经济合理的发电方式。小型风光互补发电系统可以满足远离电网地区的独立发电需求。本论文的主要工作如下：1.分析了小型风光互补发电系统的结构，研究了小型风光互补发电系统各个组成部分的工作原理及其运行特性。2.设计了一个以AT89C52单片机为核心的小型风光互补发电系统控制器，对电流检测电路、电压检测电路、LCD显示电路等模块电路进行了硬件设计，在软件方面，采用功能块设计的方法，对光伏充电、风机充电、状态显示和负载发电等进行了软件编程。3.对控制器进行了仿真调试，仿真实验结果表明本文研究开发的小型风光互补发电系统控制器结构简单，能够实现光伏发电和风力发电的控制，满足蓄电池充电以及过充、过放保护的要求。关键词：风力发电；光伏发电；风光互补；蓄电池；参数检测；Research on Controller of Wind & Light complementary electricity-generating systemAbstractThe resource of energy is a important material basis of the development of the national economy and peoples living standard。Nowadays，how to solve the energy crisis has become a hotspot of global concern. Solar energy and wind energy are two kinds if widely used renewable energy in the current availability renewable energies. Solar energy and wind energy have complementary characteristics both in resource condition and technical application. Wind & Light complementary electricity-generating system thinking over there complementary characteristics is an economic and reasonable way of power supply. Especially, the small-scale Wind & Light complementary electricity-generating system can meet the needs of independent power supply required for people who live far away from the power grid.The main work of this paper is as follows:1. The structure of the small-scale Wind & Light complementary electricity-generating system is analyzed, and the discusses on principle and characteristics of operation for each part of the system are also carried out in the paper.2. A controller of small-scale Wind & Light complementary electricity-generating system is designed based on AT89C52 MCU. The hardware of several circuit modules on the controller are designed, such as current detection circuit, voltage detection circuit and LCD display circuit. The software is structured with subroutine modules, mainly including photovoltaic charging, wind charging, battery protection and so on.3. Simulation experiments and analyses are finished. The results indicate that the controller is reasonable and feasible, and can meet the needs of battery charging and protection.Key Words: Wind Generation; Photovoltaic Generation; Wind & Light complementary; Battery; Parameter detection;目 录1. 绪论11.1风光互补发电系统41.2风光互补技术原理51.3小型风光互补控制器62.小型风光互补控制器的设计8 2.1控制器的框图82.2控制器硬件电路设计82.3控制器软件设计 142.4控制器总电路图 173.小型风光互补控制器的模拟与仿真 183.1太阳能板供电状态 193.2风机供电状态 203.3蓄电池满电状态 213.4蓄电池电量过低状态 22结论23致谢25参考文献26附录271. 绪论1.1 风光互补发电系统1.1.1 风光互补发电系统的提出由于地域差别，在很多偏远地区，地广人稀，电网覆盖面有限，对在这些地区生活的和工作的人们而言，用电较为不便，而一般情况下这些地区用电负荷相对不大，因此可在这些地区采用独立的发电系统。现今常用的发电方案是柴油发电机，其优点是发电效率稳定，但由于偏远地区交通不便，导致柴油运输成本较高，难以保障持续发电，所以柴油发电机只能作为一种短时应急电源，要实现长期稳定的发电，只能依赖当地的自然能源。太阳能和风能是最普遍、开发程度也较高的自然资源，且两者在时间变化分布上有很强的互补性。综合利用风力发电和光伏发电技术而建立的风光互补发电系统无意识解决独立发电问题的最佳方案。最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致其使用寿命不长。 近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。 对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。1.1.2 风光互补发电系统的优点风光互补发电与单独的风力发电或光伏发电相比较，有以下优点：1）利用风能、太阳能的互补特性，可以获得比较稳定的总电能输出，系统有较高的供电稳定性和可靠性。2）在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。3）对混合发电系统进行合理的设计和匹配，可以基本上完全由风光互补系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油发电机等，并可获得较好的社会效益和经济效益。1.2 风光互补技术原理1.2.1风光互补发电技术原理简介风光互补是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。由风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。 风光互补发电站采用风光互补发电系统，风光互补发电站系统主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，将电力并网送入常规电网中。夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风机和太阳能更经济、科学、实用。适用于道路照明、农业、牧业、种植、养殖业、旅游业、广告业、服务业、港口、山区、林区、铁路、石油、部队边防哨所、通讯中继站、公路和铁路信号站、地质勘探和野外考察工作站及其它用电不便地区。1.2.2 风光互补发电系统结构风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成。 (1)风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电； (2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电； (3)逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量； (4)控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性； (5)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。图1-1 典型风光互补器件图1.3 小型风光互补控制器控制器是小型风光互补发电系统的核心，它控制着整个系统使其合理稳定地运行。控制器的主要功能是对蓄电池进行充电放电控制、保护、调节与分配系统输入输出电量和执行监控功能。根据发电系统的要求，控制器的复杂程度以及功能特点各不相同，一般具有的保护功能有：蓄电池过充保护、欠压保护、蓄电池反接保护等。目前电信的风光互补发电系统主要设备包括：太阳能电池板、风力发电机组、蓄电池组、卸载负载、控制器、逆变器、直流负载、交流负载。其典型结构如图1-1所示。图1-2 典型风光互补结构框图当前风光互补系统中普遍采用的控制策略是对蓄电池进行浮充充电的控制模式，即让负载尽可能多地消耗由太阳能电池和风力机组发出的点。一般通过检测蓄电池电压来确定其状态，若有系统功率输入大于负载功率，则给蓄电池充电；若输入功率不足，则蓄电池放电以保证负载运行。本次科研训练中，为简化电路结构，通过检测光伏发电和风机发电的电压与蓄电池电压进行充电判断，由蓄电池向负载供电。2. 小型风光互补控制器的设计2.1控制器的框图本文设计的小型风光互补控制器结构相对简单，主要可分为：单片机控制电路、电参数检测、状态显示电路等部分。系统框图如图2-1所示。图2-1 小型风光互补发电控制器框图2.2 控制器硬件电路设计2.2.1 单片机及其外围控制电路采用AT89C52作为控制器的主控芯片，该单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，适合于许多较为复杂的控制应用场合。其引脚图如图2-2所示。图2-2 AT89C52引脚图单片机工作原理：AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1和XTAL2为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC和VSS为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS和SCLS端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。PO口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据储存器或程序储存器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。P2口：在访问外部程序储存器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据储存器（如执行MOVXRI 指令）时，P2 口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口：除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3 口还接收一些用于Flash闪速储存器编程和程序校验的控制信号。单片机外围电路：图2-3 单片机外围电路2.2.2 ADC0808工作原理及内部结构 ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。 ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图2-4所示。各引脚功能如下：15和2628（IN0IN7）：8路模拟量输入端。8、14、15和1721：8位数字量输出端。22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。6（START）： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。7（EOC）： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。12（VREF（+）和16（VREF（-）：参考电压输入端11（Vcc）：主电源输入端。13（GND）：地。2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路图2-4 ADC0808引脚图 ADC0808外围电路如下：图2-5 ADC0808外围电路2.2.3 1602LCD显示电路1602LCD是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，引脚图如2-6所示，引脚功能说明如下表： 图2-6 1602LCD引脚图 1602LCD引脚功能表引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6EE(或EN)端为使能(enable)端，写操作时，下降沿使能。读操作时，E高电平有效7DB0低4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8DB1低4位三态、 双向数据总线 1位9DB2低4位三态、 双向数据总线 2位10DB3低4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双向数据总线 5位13DB6高4位三态、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光电源正极16BLK背光 电源负极显示屏外围电路：图2-7 显示屏外围电路本文设计电路包含电压实时监测，电量实时监测。2.3 控制器软件设计2.3.1 控制器软件流程图设计本文主程序设计思路是通过对光伏电源，风机电源，蓄电池电压的监测与比较，判断光伏电源，风机电源与蓄电池的电压高低从而对蓄电池进行充放电，最后通过单片机进行实现，流程图如下：图2-8 充电流程图图2-9 放电流程图当蓄电池电压过低时，关闭负载避免过度放电。2.3.2 控制器软件语言编写编写单片机的汇编语言程序，就是按照实际问题的要求和单片机的特点，决定应采用的计算方法和计算公式（也就是一般所说的算法），然后根据单片机的指令系统，按照尽可能节省数据存储单元、缩短程序长度和加快运行时间三个原则编写程序。具体步骤：1. 对实际问题进行抽象化处理，提炼成数学模型。 2. 确定解决该数学模型的算法。3. 程序模块分析。在分析复杂的实际问题时，往往需要把整个问题分成若干个功能块，画出层次图，确定各模块间的通信。4. 画出程序流程图，以图示形式表示解决具体问题的思路和方法。5. 分配内存工作单元和寄存器，即安排数据存放和进行运算处理的地方。6. 根据流程图编写程序。本文的软件是结合前文的总体控制方案设计的。在主程序的开始，首先初始化AD采样模块以及定时器等。然后检测光伏发电及风机发电电压，根据电压值进行是否充电判断。蓄电池的电压处于实时变化的状态，因此选择循环检测其电压值，根据蓄电池状态来选择进入不同的模式。根据流程图通过c语言编写相应程序，代入单片机进行调试，直至成功。具体程序详见附录。2.4控制器总电路图电路总图如图2-10所示：图2-10 电路总图图中，左侧单片机AT89C52负责整体电路的控制。液晶显示器LCD模块负责实时显示蓄电池电压状态及蓄电池剩余电压百分比。3色发光二极管分别表示蓄电池工作状态、光伏充电状态和风机充电状态。3路电压值在电路中也有相应显示。3. 小型风光互补控制器的模拟与仿真本次科研训练选择使用单片机仿真软件Proteus对结果进行仿真模拟测试，首先在仿真软件中构建正确的原理图。然后给单片机添加应用程序，载入需要仿真的Hex文件，进行虚拟仿真调试。实际操作中，控制器模块需接受风机、太阳能电池板、蓄电池三路电信号，在仿真过程中模拟了这三路信号，通过调节滑动变阻器的值改变电参数大小，从而得出不同状态下的仿真结果。图3-1 模拟电信号3.1 太阳能板供电状态图3-2 太阳能板供电状态仿真测试太阳能板给蓄电池供电，如图中所示，可检测到蓄电池电量还有47%，电压为2.39V，此时风机提供的电压为2.05V，太阳能充电电压2.65V，蓄电池处于接收风机充电状态。工作灯亮。太阳能充电灯亮。3.2 风机供电状态图3-2 风机供电状态风机给蓄电池供电，如图中所示，可检测到蓄电池电量还有49%，电压为2.39V，此时风机提供的电压为2.70V，光伏电压2.10V，蓄电池处于接收风机充电状态。工作灯亮。风机充电灯亮。3.3 蓄电池满电状态图3-3 蓄电池满电状态蓄电池电压5v，电量显示100%，蓄电池电量饱和。风机、太阳能充电暂停。3.4 蓄电池电量过低状态图3-4 蓄电池电量不足状态蓄电池不能工作，电量还剩10%，为保证足够剩余电量支持控制器运行，暂停负载工作，风机，太阳能充电同时发挥作用，迅速补充蓄电池剩余电量。结 论本文从小型风光互补供电系统的结构出发，分析了小型风力发电、光伏发电以及蓄电池的充放电特点，根据实际要求，设计了一个小型风光互补供电系统的控制器。设计的风光互补控制器有以下特点：（1）风力发电、光伏发电相互独立，可分别或同时对蓄电池进行供电，符合在各种环境下为蓄电池供电的要求。（2）实时监控蓄电池的电压电量，掌握蓄电池的充放电状态。风能和太阳能都是清洁能源，随着光伏发电技术、风力发电技术的日趋成熟及实用化进程中产品的不断完善，为风光互补发电系统的推广应用奠定了基础。风光互补发电系统推动了我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设。由于时间有限，且我们对于各类单片机的知识积累还有待提高，因此本次设计的控制器也在各方面存在了不足之处：（1）本次设计的控制器仅简单地通过电压检测的方法进行充放电的判断，而在实际大规模生产应用的风光互补发电系统控制器一般通过供电放电功率进行相应的调控。这一点在我们设计的系统中未能得到实现，有待进一步优化提高。（2）由于制作实物的经验不足，本次实验最终使用了仿真测试的方法验证系统的可行性，未能做出能稳定运行的实物，导致本次实验情况仅限于实验室，很多现实中可能存在的因素未能考虑周到。在今后的学习、科研生涯中，我们会更重视实际的操作，将书本知识用于现实。（3）风力发电及光伏发电充电虽初步实现，但依旧存在很大的优化空间，要将风光互补供电系统用于现实，必须详细考虑优化、损耗、综合效益等方面。（4）控制器稳定性还有待提高。风力发电、光伏发电技术受到了国内外科研工作者和应用技术人员的关注，与此同时，小型风光互补发电系统的应用也越来越广泛，但其中仍有很多技术问题需要深入的研究，主要有以下几个方面：（1） 系统的稳定性。（2） 蓄电池的充放电策略需要更深入的研究。（3） 风力发电和光伏发电的互补利用控制策略可以进一步的改进和优化。相信随着广大科研人员的不懈努力，小型风力发电、光伏发电技术的提高，控制策略的进一步改进和优化，这些问题一定能够得到解决，从而使这项技术更好地造福于社会。这深深地激励着我们，让我们在学习、科研的道路上更加努力，不断提高自己，为科学技术的发展贡献一份力量。致 谢 本论文是在张文清老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我们。从课题的选择到最终完成，张老师都始终给予我们细心的指导和不懈的支持。在此谨向张老师致以诚挚的感谢和崇高的敬意。参 考 文 献1 田浩. 风光互补并网发电系统的研究与开发D中国优秀硕士学位论文全文数据库2 王宇. 风光互补发电控制系统的研究与开发D天津大学 3 李爽. 风/光互补混合发电系统优化设计D中国科学院电工研究所4 杨欣. 51单片机应用实例详解D清华大学出版社5 徐爱钧. 单片机原理实用教程基于Proteus虚拟仿真D电子工业出版社6 周润景. 单片机电路设计、分析与制作D机械工业出版社7 江世明. 基础Proteus的单片机应用技术D电子工业出版社8 杨居义. 单片机课程设计实例教程D清华大学出版社附 录#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned int adcdata4 = 0;sbit RS = P15; sbit RW = P16; sbit E = P17; sbit ST = P27;sbit OE = P25;sbit ALE = P26;/sbit EOC = P20;sbit CLK = P21;sbit ADDA = P22;sbit ADDB = P23;sbit ADDC = P24;sbit BAT = P11;sbit SQL = P10;sbit FUN = P12;void delay(uint time) uint m,n; for(m = time;m 0;m-) for(n = 240;n 0;n-); void write_com_1602(uchar command) E = 0; RW = 0; RS = 0; P3 = command; delay(2); E = 1; delay(4); E = 0; void write_data_1602(uchar datum) E = 0; RW = 0; RS = 1;P3 = datum;delay(2); E = 1; delay(4); E = 0; void init() write_com_1602(0X38);/write_com_1602(0X0C);write_com_1602(0X06);/write_com_1602(0X01);/write_com_1602(0X80);/void select_addr(uchar num)switch(num)case 0:ADDA = 0; ADDB = 0; ADDC = 0; break;case 1:ADDA = 1; ADDB = 0; ADDC = 0; break;case 2:ADDA = 0; ADDB = 1; ADDC = 0; break;case 3:ADDA = 1; ADDB = 1; ADDC = 0;break;default: break; void adctest(void)char i;for(i=0; i3; i+)select_addr(i);delay(1);ST = 0;OE = 0;ALE = 1;ST = 1;ALE = 0;ST = 0;/while(!EOC);delay(1);OE = 1;delay(20);adcdatai = P0;adcdatai =