[发明专利]一种风光水互补发电系统控制装置及方法

权利要求书

1.一种风光水互补发电系统控制装置，其特征在于：该装置包括风力发电设备控制电路、微水力发电设备控制电路、太阳能发电设备控制电路、电压电流检测电路、电压频率测量电路、继电器驱动电路、MOSFET驱动电路、稳压电路、存储有控制程序的单片机以及单片机外围电路；所述的风力发电设备控制电路和微水力发电设备控制电路分别包括电磁制动电路、整流滤波电路和BUCK电路，风力发电设备及微水力发电设备输出的电压电流分别通过电磁制动电路、整流滤波电路和BUCK电路后输入到直流母线；太阳能发电设备输出的电压电流直接通过BUCK电路输入到直流母线；从直流母线出来的电压电流分别经继电器后连接至逆变器、直流负载以及蓄电池；所述的电压电流检测电路分别检测风力发电设备控制电路和微水力发电设备控制电路中整流滤波电路与BUCK电路间的电压电流信号，同时检测太阳能发电设备输出的电压电流信号以及蓄电池的充放电电压电流信号，将检测到的四路电压电流模拟信号经A/D转换后输入至单片机中；利用所述的电压频率测量电路分别测量风力发电设备以及微水力发电设备输出的交流电压频率，将电压频率测量电路的输出信号输入至单片机中；将单片机输出的脉冲宽度调制信号经MOSFET驱动电路后分别与风力发电设备、微水力发电设备以及太阳能发电设备控制电路中的BUCK电路的输入端相连接；将单片机输出的继电器控制信号经继电器驱动电路后与直流负载、逆变器以及蓄电池电路上的继电器相连接；利用所述的稳压电路将蓄电池的端电压稳压后分别为MOSFET驱动电路、继电器驱动电路、单片机及其外围电路供电。

2.如权利要求1所述的一种风光水互补发电系统控制装置，其特征在于：所述的单片机为AVR系列单片机。

3.如权利要求1所述的一种风光水互补发电系统控制装置，其特征在于：所述的单片机外围电路包括液晶显示电路、键盘阵电路、串口通讯驱动电路、无线通讯电路和故障报警电路。

4.如权利要求3所述的一种风光水互补发电系统控制装置，其特征在于：所述的无线通讯电路为插拔式的无线通讯电路，使用插头连接至单片机外围电路中的串口通讯驱动电路。

5.一种采用如权利要求1所述装置的风光水互补发电系统控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)利用实验及神经网络估算的方法获得蓄电池工作电压、电流与剩余电量的关系表，按照规则N＝(V*10-110)*36+|2*I|将剩余电量存储至电量数组的第N位，其中V和I分别为蓄电池的工作电压和电流；

2)利用电压电流检测电路检测蓄电池的工作电压和电流，根据检测到的电压、电流值查找出电量存储数组中当前蓄电池电压和电流对应的剩余电量；

3)根据蓄电池剩余电量以及蓄电池工作电流来判断系统工作状态：

a.当蓄电池剩余电量SOC≥0.98且蓄电池工作电流I_B≥0时，此时风力发电设备、微水力发电设备和太阳能发电设备同时向蓄电池和负载供电，且蓄电池充满，记为系统工作状态I；

b.当蓄电池剩余电量SOC≥0.98且蓄电池工作电流I_B＜0时，此时风力发电设备、微水力发电设备、太阳能发电设备和蓄电池同时向负载供电，蓄电池电量充裕，记为系统工作状态II；

c.当蓄电池剩余电量0.05≤SOC＜0.98，I_B≥0时，此时风力发电设备、微水力发电设备和太阳能发电设备同时向蓄电池和负载供电，蓄电池电量不足，记为系统工作状态III；

d.当蓄电池剩余电量0.05≤SOC＜0.98，I_B＜0时，此时风力发电设备、微水力发电设备、太阳能发电设备和蓄电池同时向负载供电，蓄电池电量不足，记为系统工作状态IV；

e.当蓄电池剩余电量SOC＜0.05时，此时蓄电池电量过低，记为系统工作状态V；

利用蓄电池的剩余电量和工作电流计算出剩余使用时间，调用LCD驱动程序，将剩余使用时间和系统工作状态显示在液晶屏上；

4)根据系统工作状态调节各发电设备的发电量：

f.在系统工作状态I时，通过调节单片机脉冲宽度调制波的占空比，按顺序依次减小风力发电设备、微水力发电设备以及太阳能发电设备的发电量，维持蓄电池工作电流I_B＝0；

g.在系统工作状态II、系统工作状态III或系统工作状态IV时，通过调节单片机脉冲宽度调制波的占空比，对各发电设备均进行最大功率追踪控制；

h.在系统工作状态V时，单片机通过继电器驱动电路关断直流负载和逆变器侧的继电器，同时通过调节单片机脉冲宽度调制波的占空比，对各发电设备均进行最大功率追踪控制，直至剩余电量SOC＞0.1时，再控制直流负载和逆变器侧的继电器闭合。

6.如权利要求5所述的一种风光水互补发电系统控制方法，其特征在于：所述的最大功率追踪控制包括如下步骤：

1)使用厂家提供的风力发电设备及微水力发电设备的转速功率曲线分别计算出它们的最佳叶尖速比λ_{opt_风}和λ_{opt_水}以及最大利用系数C_{pmax_风}和C_{pmax_水}，通过电压频率测量电路测量出风力发电设备输出的电压频率f_风和微水力发电设备输出的电压频率f_水，通过电压检测电路测量风力发电设备经整流滤波电路后的电压V_风和微水力发电设备经整流滤波电路后的电压V_水，通过电流检测电路测量风力发电设备经整流滤波电路后的电流I_风和微水力发电设备经整流滤波电路后的电流I_水；

2)使用公式分别计算出在当前风速和流速下达到最大效率时风力发电设备经整流滤波后的电流和微水力发电设备经整流滤波后的电流与通过电流检测电路测量的风力发电设备经整流滤波后的电流I_风和微水力发电设备经整流滤波后的电流I_水相比较，使用PI控制法分别改变风力发电机控制电路和微水力发电机控制电路对应的单片机脉冲宽度调制波占空比，实现风力发电设备和微水力发电设备的转速调节，直至电流差ΔI＝0；公式中：ρ为风或水的密度，R为风力发电设备或微水力发电设备的叶轮半径，n_p为风力发电设备或微水力发电设备的发电机极对数，f为频率f_风或f_水，V为电压V_风或V_水；

3)根据厂家提供的太阳能发电设备在环境温度为25°，光照强度为1000W/m²时对应的最优电压值，计算达到该电压下对应的脉冲宽度调制波占空比，赋给初始值D_n-1，并读入此时太阳能发电设备的输出功率P_n-1，然后给占空比一个ΔD增值，读入此时的功率P_n，与前一时刻功率P_n-1比较，若差值大于或等于0，则继续给占空比ΔD增值，若差值小于0，则给占空比-ΔD增值，如此往复循环，使光伏阵列动态的工作在最大功率点上。