风光互补发电控制系统的研究

吴学鹏，辛鹏，辛雷

（东北电力大学微通电力系统研究室，吉林 吉林 132012）

摘 要: 新能源领域中的风力发电技术和太阳能发电技术发展非常迅速，在远离大电网，人烟稀少，处于无电状态,路，将电压调整为额定输入电压，一并送到充电控制电路中。从而将风力发电机和太阳能硅板输用电负荷低且交通不便的情况下，利用本地区充裕的太阳能、风能建设风光互补发电方案是独立供电系统的最佳选择。针对风光互补发电单片机控制，简要的介绍了单片机的控制思路，以及系统的结构构成。

关键词: 风光互补；单片机；运行控制；风能；太阳能

0 引言

不可再生能源如煤，石油，天然气的大量消耗，不仅使人类面临资源枯竭的压力，同时也严重威胁着人类的生存环境，可再生能源的开发利用也就越来越显得重要。随着可再生能源的开发利用，风能和太阳能已经逐步走入了人类的生活，在日后的能源比例中将会发占据越来越重的比例。

在电能作为能量主要消耗形式的当今社会，风能和太阳能是绿色可再生能源，取之不尽，用之不竭。考虑风能和太阳能在多方面的互补特性，相对单一的风能、太阳能发电，风光互补发电系统将会是更经济合理，稳定，持续的发电模式。

本文结合风能、太阳能的特点，从风光互补发电系统的结构上分析系统在整个运行过程中能量产生、转换，储备和消费各个环节的工作方式，提出运行策略和各部分运行电路，结合微计算机控制技术，以单片机为核心设计简述风光互补发电的测量控制系统。

1 风光互补发电系统运行分析

系统采用微处理器对输入端、输出端、蓄电池和负载等进行跟踪检测、控制，同时显示各点参数值。系统中主要部分电路是由系统由风力发电机、太阳能输入控制电路，充电控制电路，油机输入交/直流变换电路，CPU控制检测保护电路，输出直流变换高频开关和逆变交流电路等五大部分电路组成。

以风力发电机和太阳能硅板为供电源，充分利用自然能源互补进行设计。风力发电机输出的交流电，经控制调节电路变换为直流电和太阳能光电转换输出的直流电，通过直流模块及外围电

出额定电压，通过模块钳位在蓄电池的正常充电电压范围内，给蓄电池进行充电储存。同时作为辅助备用电源，柴油发电机，可在自然资源欠缺情况下发送交流电，经过AC/DC模块变换电路，对蓄电池进行补充充电。 1.1 充电控制电路

充电控制电路主要由直流变换模块和均流控制电路两部分组成。从太阳能硅板和风力发电机控制电路输出的额定范围内的直流电压，通过五块并联的DC/DC模块调整额定输出电压供蓄电池组充电。DC/DC变换模块选用集成度高，适用电压范围为直流额定输出电压，抗电流冲击能力强。加之外围补偿电路，具有过流、过压、短路及温度保护功能。五个并联模块采用降额热备份设计，每个模块接一个并联工作控制回路，使各模块间能自主均流。实现了操作时可带电插拔。各模块处于最佳工作状态，以保证系统稳定、可靠、高效地工作。 1.2逆变电路

逆变电路采用MOS功率管作为逆变器桥式驱动电路中的功率放大器件，具有开关频率高，输入功率小，价格便宜等优点。启动逆变电路，继电器闭合，将限流电阻R短路。由升压电路为桥式功率放大电路提供直流电源。工作正常时，脉宽调制信号将会被送到由MOS管组成的桥式功率放大电路，将脉宽调制信号变成具有相同脉冲波形的交变电源。交变电源经逆变器输出变压器被耦合到逆变器输出变压器的副绕组。此外，再经采样变压器，将输出的电压反馈信号送到脉宽调制控制电路去执行负反馈调控。 1.3单片机控制电路

单片机要求总线内置，抗干扰能力强。在程序的支持下，不断采集各种电压、电流数据及状态数据并及时处理。连续采集四次，分别存储在不同的存储单元。运用算术平均值法和脉冲干扰平均值法进行数据处理。主要完成输入、电池组和输出的检

测控制，告警显示，使得整机工作更加安全可靠，功能齐全。

程序主要有3部分：初始化模块,主程序循环模块和中断处理模块。初始模块主要完成内部寄存器及自定义寄存器的定义赋值，完成对关键数据指针及状态数据的判断，使单片机程序正常运行。主程序循环模块负责采集各种功能的状态，并根据不同规定值切换其工作状态，采集各种数据并为数据处理做准备。中断处理模块由定时中断、键盘中断、外部复位中断组成。

2 硬件系统控制

通过上述主要控制电路看出，风光互补发电系统的运行控制是一个较复杂的过程控制，我们可以采用工业上较为成熟的过程控制技术对该系统的运行状况进行监测控制和优化管理。在风光系统中，最难掌握的就是将风能和太阳能进行优化控制，这就需要单片机和微计算机相互调节，使之平衡，达到稳定和持续的目的。

由于被控对象不同，且过程控制中的被检测参数也千差万别，单片机组成的控制系统也不尽相同。在操作控制系统中，单片机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统的过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作。

在风光互补控制系统中针对单片机控制主要是直接数字控制系统和计算机监督系统的结合。 2.1直接数字控制系统

直接数字控制系统（Direct Digital Control），简称DDC系统，就是利用单片机对多个被控参数进行巡回检测，将检测结果与设定值进行比较，然后按照一定的方法进行控制计算，输出信号到执行机构对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值

图1直接数字控制系统原理图

2.2计算机监督系统

计算机监督系统（Supervisory Conpuer Control）,简称SCC系统。在CC系统中，由监督计算机收集单片机采集到的系统控制参数，按照描述生产过程的属性模型计算出最佳的控制参数给顶值传送给DDC系统单片机，对系统过程进行最优控制。如图2

管理命令报告D/A转换人工监督给定值测量值多路开关DDC单片机A/D转换. . . . .多路开关M~. . . . .M~检测元件.. . . . ...生产过程...图2计算机监督系统原理图

2.3 系统的设计

结合风光互补发电系统的运行控制特点，我们采用类似SCC控制系统的方案对发电系统进行有效控制。底层是基于单片机的监控层，负责实现对系统设备的运行进行现场控制和参数设定，同时具备与上层通信的能力；上层是基于PC微机的管理层，主用用于现场采集数据的处理，同时根据采集数据分析结果，对控制参数进行合理的调整或设定。主要设计如图3

图3风光互补发电系统结构

3 软件系统控制

单片机系统中，可靠性是至关重要的，它是系统正常运行的基本保障。可靠性一方面取决月硬件的组成，另一方面取决于软件的结构。结合以上硬件设计方案对控制系统监控层进行了结构化程序设计。整个程序分为：主程序模块、数据采集子程序，按键处理子程序、显示刷新子程序、控制子程序以及通信子程序。

监控程序的主题设计为自主循环的串行顺序结构。初始化后，主程序将顺序调整数据采集子程序、显示刷新子程序、按键处理子程序、控制子程序和通信子程序，如图4

开 始 系统初始化 数据采集子程序 按键处理子程序 显示刷新子程序 控制子程序 通信处理子程序

图4 主程序流程图

4 小结

本文从风光互补发电系统的运行结构出发，分析系统的运行特点，归纳系统运行的控制策略，采用单片机实现对风机充电、太阳能充电和逆变电路的统一控制。结合微计算机控制和单片机控制为核心技术归纳风光互补系统控制策略，以保证系统运行控制的可靠性、发电系统稳定运行和有效的现场控制为目的，给管理人员提供可靠的数据分析平台。采用单片机控制系统监控，可以通过改变软件设置来满足发电系统的实际设计需要，对以后开发使用风能、太阳能有着深远的意义。

参考文献

[1] 孟克其劳、纪松波，风光互补正弦波逆变电源的智能化设计，

电力电子技术，2004.10

[2] 高锋，单片微机应用系统设计及实用技术，机械工业出版社，

2004

[3] 王宇，风光互补发电系统的研究与开发，硕士论文

[4] 钟勇，风光互补发电系统中蓄电池冲放电控制器的研究，硕士

论文

[5] 李维华，风光互补控制逆变器，可再生能源，2003.06

作者简介：

吴学鹏（1980-），男，吉林省吉林市人，汉族，硕士研究生，助教，主要研究方向为风光互补发电系统的应用。E-mail：2jackypp@163.com。

辛 鹏 （1981-），男，吉林省吉林市人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统及其自动化 E-mail：weibon@163.com。

辛 雷 （1982-），男，吉林省吉林市人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统及其自动化。

风光互补发电控制系统的研究

作者：作者单位：

吴学鹏， 辛鹏， 辛雷

东北电力大学微通电力系统研究室,吉林吉林,132012

1.学位论文 王健 并网型风光互补发电数据采集监测系统的研究与开发 2006

一套并网型风光互补发电系统的实际运行效果是否达到设计指标，是否符合实际的需求，如果没有实际运行数据验证，很难看出系统设计匹配的优劣。不同地区，太阳能、风能资源以及用电负荷情况有很大不同，如何评价系统及系统中主要部件的实际运行性能，进而对已安装的系统进行评估，最终给出不同地区最优系统设计方案是今后实施风光互补发电系统工程应解决的主要技术问题。为此，本文主要研究并网型风光互补系统数据采集监测系统。

本文在介绍并网型风光互补发电系统的工作原理、系统组成部分、各部分的工作特性的基础上，建立了一套由传感器、信号采集硬件电路和PC机组成的数据采集监测系统，该监测系统主要完成数据采集、处理、显示和数据的数据库保存、数据的通讯等功能。文中一方面对监测硬件系统从电路设计的原理做了详细的分析，同时对各硬件系统功能模块从实际功能角度做具体研究；另一方面与硬件系统相结合的分析监测软件系统的各功能模块实际工作流程以及细述PC机使用的Visual Basic可视化软件的特点。

本文所研究的以AT89C52为核心的单片机监测系统具有强大的数据采集功能，能够采集并网型风光互补发电系统的所有相关参数：风速、风向、辐射度、电流、电压、功率等；数据采集系统具有速度快、精度高、稳定性好、抗干扰能力强等特点；可采用多种通讯方式，满足不同系统的需求，以便实现近远程监控；PC采用具有较强人机互动界面VisualBasic与ACCESS数据库相结合的数据管理系统，简单、易懂，方便用户使用。 数据采集监测系统的开发对风光互补发电事业的研究有深远地指导意义。

2.学位论文 王宇 风光互补发电控制系统的研究与开发 2004

可再生能源的综合利用对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着重要的作用。在当前可利用的几种可再生能源中，太阳能和风能是利用比较广泛的两种。太阳能和风能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性，在电能作为能量主要能量消耗形式的当今社会，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供电方式。该供电方式在解决边远地区的能源供应问题中发挥着积极的作用。关于风光互补发电的推广应用，系统的优化设计和运行控制是两个研究重点，前者是根据系统应用地点的资源条件和负载特性对系统各个部件进行合理的选型以达到最小投资配置；后者则是通过对系统的动态运行分析，提出切实可行的运行控制策略，而后采取相应的技术手段实现系统可靠、高效地运行，减少系统的运行维护，也是体现系统设计初衷的有力保障。本文以可再生能源的综合利用为指导思想，结合风能、太阳能特点，从风光互补发电系统的结构上认真分析了系统在整个运行过程中能量产生、转换、储备和消费各个环节的工作方式，归纳提出了切实可行的运行控制策略，然后结合微计算机控制技术，以单片机为核心设计开发了风光互补发电的监测控制系统。开发出的控制系统成功地应用到实际的工程实践中，得到了很好的运行控制效果，与以往采用模拟分离元件构成的控制器件相比体现出有更好的可靠性和灵活适应性，可以通过控制系软件调整来满足风光互补发电系统设计上的要求。这有利于形成系列化的产品，达到推动风能、太阳能利用产业化、市场化的目的，并为最终因地制宜地开发利用风能太阳能提供必要的前提条件。由于风光互补发电系统的结构复杂，影响运行控制的因素很多，本文也只是在着重考虑经济性、可靠性的基础上进行控制系统的研发，若再从风光互补发电系统运行高效性方面考虑，控制系统还可以进一步完善，文章在这方面提出了相关建议，为风光互补发电系统运行控制的深入研究和控制系统的不断完善提供了参考。

3.学位论文 王涛 小型风光互补发电系统控制器的研究 2009

如何解决能源危机问题，已经成为全球关注的热点。在当前可利用的几种可再生能源中，太阳能和风能是应用比较广泛的两种。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供电方式。小型风光互补发电系统可以满足远离电网地区的独立供电的需求。

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、分析了风力发电、光伏发电以及蓄电池充电的控制策略，重点研究了最大功率点跟踪控制，并在此基础上，归纳总结出一套可行的总体控制方案。

3、设计了一个以dsPIC30F2010单片机为核心的小型风光互补发电系统控制器，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了硬件设计，在软件方面，采用功能块设计的方法，对AD采样、PWM控制、光伏充电、风机充电、卸载保护、PI控制、状态显示和过放保护等进行了软件编程。

4、对控制器进行了实验调试，实验结果表明本文研究开发的小型风光互补发电控制器结构简单，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。

4.期刊论文 王健.娄承芝.Wang Jian.Lou Chengzhi 风光互补发电数据采集管理系统研究 -计算机测量与控制2007,15(9)

介绍以AT89C52单片机为核心的风光互补发电数据采集系统,此系统将采集实时数据用于显示与存储,以便了解系统的运行情况,从而制定灵活实用的控制策略,使得光伏、风力互补发电效果达到最优;系统设计过程中,硬件方面采用多种高精度传感器以及GSM通讯模块;软件方面下位机采用汇编语言编写的稳定实时采集控制系统,上位机采用具有较强人机互动界面visual basic与ACCESS数据库相结合数据管理系统;以实际工程为背景,通过实时运行采集的数据,验证了此采集管理系统不仅可以稳定正常运行,而且将风光互补发电的优势达到最大化.

5.期刊论文 李绍武.LI Shao-wu 基于AVR单片机的风能太阳能控制器设计 -湖北民族学院学报（自然科学版）2010,28(2)

针对风能和太阳能互补发电中互补模块和逆变模块的控制问题,采用高性能低功耗的AVR单片机为核心,设计了一种风光互补发电控制器,并对控制器的结构和原理进行了详细的分析.PROTEUS仿真表明,该系统过程电压和输出电压稳定、操作方便、功能强大.

6.期刊论文 徐君鹏.王军锋 数字功率跟随技术在风光互补发电系统中的应用 -河南科技学院学报（自然科学版）2007,35(2)

风能、太阳能作为无污染的绿色能源具有广阔的发展前景,但是其随机性和不稳定性是风光互补发电系统中应尽可能克服的问题.本文介绍了以ATMEGA8单片机为核心组成风机和太阳能发电的功率跟随技术,以最大限度的利用风能和太阳能.

7.学位论文 钟勇 风光互补发电系统中蓄电池充放电控制器的研究 2006

可再生能源的综合利用对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着重要的作用。太阳能和风能是可再生能源中利用比较广泛的两种。太阳能和风能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性，在电能作为能量主要能量消耗形式的当今社会，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供电方式。该供电方式在解决边远地区的能源供应问题中发挥着积极的作用。由于风能和光能的随机性、间歇性，为满足稳定、持续的生活用电和生产的需要，一般加入蓄电池或超级电容等储能环节。风光互补发电系统可研究的内容很多，如风光互补系统的优化设计和运行控制、风光发电中最大功率（MPPT）控制、光伏发电中对太阳的自动跟踪控制、蓄电池直流供电、蓄电池逆变交流供电等。本文主要有以下特点：（1）进行风光互补发电对蓄电池充放电控制的研究；（2）以PIC16F874单片机为控制芯片，通过系统软件调整来满足对蓄电池智能充放电控制；（3）与以往采用模拟分离元件构成的控制器件相比体现出有更好的可靠性和灵活适应性；（4）有利于形成系列化的产品，达到推动风能、太阳能利用产业化、市场化的目的，并为最终因地制宜地开发利用风能太阳能提供必要的前提条件。由于风光互补发电系统的结构复杂，影响运行控制的因素很多，本文也只是在着重考虑蓄电池作为储能环节在整个风光互补系统的经济性、可靠性的基础上进行风光互补蓄电池充放电控制系统的研究，若再从风光互补发电系统运行高效性方面考虑，控制系统还可以进一步完善，文章在这方面提出了相关建议，为风光互补发电系统运行控制的深入研究和控制系统的不断完善提供了参考。

8.学位论文 张兴磊 离网型户用风光互补发电系统中全数字化逆变器的研究 2006

在全球范围内，人类赖以发展的以煤炭、石油、天然气为主的一次能源面临着枯竭的危险，其大规模利用给生态环境造成了难以修复的破坏。为此，人类把目光投向了新能源和可再生能源。其中风能和太阳能是研究较多、较成熟的新能源形式。风光互补发电系统充分利用了风能和太阳能在时间和地区上的互补性，能够提供稳定的电能输出，成为广大边远农牧区、边防哨所、海岛军民的用电首选。

逆变器是风光互补发电系统中电源转换的中枢环节，它的性能优劣直接影响了电能的质量甚至风光互补发电系统性能的好坏。本文在研究了风光互补发电系统在苏北地区的技术经济可行性的基础上，研究了一种以微芯公司最新一款单片机——dsPIC30F2010为主控芯片的全数字风光互补逆变器。该电源采用全桥逆变的电路拓扑结构，配以工频变压器和LC滤波器，利用先进算法的SPWM正弦脉宽调制技术，完善的驱动电路和PI调节器，从而产生高质量的正弦输出电压波形，减少了输出电压的谐波含量。从逆变环节的实验结果来看，产生的SPWM波波形稳定、可靠，输出电压波形失真度小、电压波动率小，逆变效率高。做成样机，模拟家庭用电情况，进行实际带载试验，输出电能稳定，保护及时可靠，从试验的结果来看，具有大规模推广使用的潜力。

9.期刊论文 舒杰.吴昌宏.张先勇.SU Jie.WU Chang-hong.ZHANG Xian-yong 基于GPRS的风光互补发电无线远程监测系统 -可再生能源2010,28(1)

采用ATmega128单片机以及SIM300模块设计了基于通用分组无线业务(GPRS)的无线数据采集系统,对风光互补发电系统进行远程数据监测,并将数据传送到计算机网络服务器.文章介绍了无线GPRS监测系统的硬件和软件原理及设计方案.

10.学位论文 刘文刚 风光互补发电系统中智能充电控制技术研究 2008

随着经济社会的发展,人类对能源的需求日益增加,传统的大量的化石能源的消耗导致了环境的污染和资源的枯竭,环境的承受力,能源的安全等一系列问题迫使人们改变依赖化石能源的格局,选择可再生能源。世界各国将可再生能源发展作为可持续性发展的基本原则。利用可再生能源发电可以缓解枯竭化石能源的大量消耗,有利于控制修复环境污染和用电安全。

在可再生能源发电中,风力和太阳能发电得到了迅速的发展。风光互补发电可以很好的克服风力或太阳能发电的随机性和间歇性。储能环节是风光互补发电系统中的重要组成部分,必须配备蓄电池进行储能。储能系统的好坏直接影响到整个风光互补发电系统的好坏。在实际的风光互补发电系统中,储能环节又是最易受损,最易消耗的部分,因此获得最佳的储能系统成为风/光电系统的重要目标。本文的主要工作包括：

1.阐述了国内外风光互补发电系统的研究状况,对风光互补发电系统的工作原理以及风力和太阳能光伏发电的工作特性进行了详细的论述；

2.在介绍铅酸蓄电池的电化学基础和充电装置的发展的基础上,分析了蓄电池的充放电特性,研究了恒流,恒压和快速充电等传统和现有的充电控制方法并比较了各自的优缺点,给出了相应的充电特性图；

3.详细介绍了模糊控制的理论基础,模糊控制器的重要组成；在此基础上对充电模糊控制器进行了设计,提出了采用两个带修正因子的规则自调整模糊控制器进行充电控制的思想,提高了智能充电控制系统的自适应能力；

4.分析智能充电控制的工作原理,并进行了相应的软、硬件电路设计。采用PIC单片机对蓄电池进行充电控制,更好的跟踪蓄电池最佳可接受充电电流曲线,可以实现智能、高效、快速充电；

本文所完成的工作通过仿真实验验证了模糊控制方法在蓄电池充电控制中的有效性,对智能充电控制的研究有一定的参考价值。本文最后还对今后的工作进行了展望。

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6541636.aspx

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下载时间：2010年11月4日