一种太阳能风力电能的微型智能配电控制系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种太阳能风力电能的微型智能配电控制系统，市电输入模块、风力发电输入模块及光伏发电输入模块的各自输出端分别连接开关切换模块的输入端，开关切换模块的输出端连接第一继电器的输入端及逆变模块的输入端，第一继电器的输出端经过充放保护模块连接蓄电池组的充放电端，蓄电池组的充放电端经过充放保护模块连接第二继电器的输入端，第二继电器的输出端连接逆变模块的输入端，控制模块采样端分别连接风力发电输入模块、光伏发电输入模块及蓄电池组，控制模块分别连接开关切换模块、过充放保护模块、第一继电器及第二继电器，控制模块连接指示灯模块，控制模块的输出端连接信息输出模块的输入端。延长蓄电池寿命。
【专利说明】-种太阳能风力电能的微型智能配电控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能配电领域，尤其涉及一种太阳能风力电能的微型智能配电控制系 统及方法。
【背景技术】
[0002] 世界各国尤其是发达国家高度重视以太阳能和风能为代表的新能源发展，通过增 加财政投资、减免税收、电力回购补偿等措施，鼓励刺激风力发电、太阳能光伏发电行业的 发展。太阳能、风力电能微型智能配电控制系统作为风光互补并网发电的核心，它控制着整 个发电系统使其合理稳定的运行。控制系统主要的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。
[0003] 根据发电系统的要求，控制器的控制程度以及功能特点不尽相同，但是目前的控 制系统对太阳能和风力电能的最大输出功率不能跟踪，利用效率低；只是对蓄电池的充电 过程进行简单管理，影响蓄电池的使用寿命；不能对用电负载进行控制；对于太阳能、风力 电能产生的多余能量进行直接卸载，这样会造成电能浪费，蓄电流充电不够充分。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种太阳能风力电能的微型智能配电控制系统，旨在解决蓄电池组寿 命短、不具备运程监控功能、能量卸载效果差、风电光伏电能利用率低的问题。
[0005] 本发明是这样实现的，一种太阳能风力电能的微型智能配电控制系统，该微型智 能配电控制系统包括市电输入模块、风力发电输入模块、光伏发电输入模块、开关切换模 块、逆变模块、控制模块、过充放保护模块、第一继电器、第二继电器、信息输出模块、蓄电池 组及指示灯模块，所述市电输入模块、风力发电输入模块及光伏发电输入模块的各自输出 端分别连接所述开关切换模块的输入端，所述开关切换模块的输出端连接所述第一继电器 的输入端及逆变模块的输入端，所述第一继电器的输出端经所述过充放保护模块连接所述 蓄电池组的充放电端，所述蓄电池组的充放电端经所述过充放保护模块连接所述第二继电 器的输入端，所述第二继电器的输出端连接所述逆变模块的输入端，所述控制模块采样端 分别连接所述风力发电输入模块、光伏发电输入模块及蓄电池组，所述控制模块分别连接 所述开关切换模块、过充放保护模块、第一继电器及第二继电器，所述控制模块连接所述指 示灯模块，所述控制模块的输出端连接所述信息输出模块的输入端。
[0006] 本发明的进一步技术方案是：所述控制模块采集电流、电压值来控制对所述蓄电 池组的充放电，并且根据采集的电流、电压来控制整个微型智能配电控制系统的状态。
[0007] 本发明的进一步技术方案是：该微型智能配电控制系统还包括远端的监控平台， 所述监控平台采用服务器，所述服务器端通过数据通信连接所述信息输出模块输出端。
[0008] 本发明的进一步技术方案是：所述市电输入模块包括输入接线端子、市电降压单 元及整流单元，所述输入接线端子上端连接市电，所述输入接线端子下端连接所述市电降 压单元的输入端，所述市电降压单元的输出端连接所述整流单元的输入端。
[0009] 本发明的进一步技术方案是：所述风力发电输入模块包括风力发电机、风电降压 单元、卸载单元、驱动单元及风电整流单元，所述风力发电机的电压输出端分别连接所述风 电降压单元的输入端及卸载单元的输入端，所述风电降压单元的输出端连接所述风电整流 单元的输入端，所述卸载单元的控制端连接所述控制模块，所述驱动单元输出端连接所述 风电整流单元控制端。
[0010] 本发明的进一步技术方案是：所述光伏发电输入模块包括太阳能电池板及稳压单 元，所述太阳能电池板的输出端连接所述稳压单元的输入端。
[0011] 本发明的进一步技术方案是：所述开关切换模块包括市电输入开关单元、风力电 能开关单元及光伏发电开关单元。
[0012] 本发明的进一步技术方案是：所述控制模块包括风电电压采样单元、风电充电电 流采样单元、光伏电压采样单元、光伏充电电流采样单元、蓄电池组电压采样单元及监测单 J Li 〇
[0013] 本发明的另一目的在于提供一种太阳能风力电能的微型智能配电控制方法，该微 型智能配电控制方法包括： A、 控制模块对风力电能、光伏电能进行控制为负载输出和蓄电池组充电； B、 在风力电能、光伏电能输出不能满足负载需要控制模块自动切换蓄电池组对负载配 送电能； C、 在蓄电池组输出的电压不能满足负载输出控制模块自动切换启用市电供电； 所述控制模块采集电流、电压值来控制对所述蓄电池组的充放电，并且根据采集的电 流、电压来控制整个微型智能配电控制系统的状态。
[0014] 本发明的进一步技术方案是：所述步骤A包括： A1、控制模块对一部分风力电能及光伏电能进行控制为负载输出； A2、控制模块对另一部分风力电能及光伏电能进行控制为蓄电池组充电； A3、在为蓄电池组充电时，控制模块采集蓄电池组的电压、并判断蓄电池组电压是否在 设定值，如大于设定值，则蓄电池组不需要充电并将电压卸载，如小于设定值，则执行下一
[K 少； A4、控制模块控制风力电能、光伏电能按优先级对蓄电池进行充电，其优先级为光伏电 能大于风力电能。
[0015] 本发明的有益效果是：采用双路功率变换电路输出，风力发电机输出和太阳能电 池板输出进行分开控制，两者互不干扰，当其中一路出现故障时，不影响另一路的工作，保 证了智能控制系统的稳定性；通过电压、电流检测技术，能够实时监测蓄电池组的充电电压 和充电电流，智能调整充电，确保蓄电池组的使用寿命，智能控制系统基于ARM微处理器芯 片的监控层采用先进的光辐射传感技术、超声波风速检测技术、差分电压检测技术实现风 速强弱、太阳光辐射强度、蓄电池电压情况、负荷要求等运行参数的实时监控，具备PWM (脉 宽调制）无极卸载，提高太阳能和风力电能利用效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是本发明实施例提供的太阳能风力电能的微型智能配电控制系统结构框图； 图2是本发明实施例提供的太阳能风力电能的微型智能配电控制方法的流程图； 图3是本发明实施例提供的风力发电输入模块结构框图； 图4是本发明实施例提供的风力发电输入模块电路图； 图5本发明实施例提供的风力发电输入模块中驱动单元电路图； 图6本发明实施例提供的采样电路图； 图7本发明实施例提供的卸载单元电路图； 图8本发明实施例提供的逆变模块电路图； 图9本发明实施例提供的光伏发电输入模块的电路图。
【具体实施方式】
[0017] 附图标记：2_光伏发电输入模块 3-市电输入模块 4-第一继电器 5-第二 继电器 6-逆变模块 7-过充放保护模块 8-蓄电池组 9-指示灯模块 10-开关 切换模块11-控制模块12-信息输出模块13-监控平台101-风力电能开关单元 102-光伏发电开关单元103-市电输入开关单元201-风力发电机202-风电降压单元 203-风电整流单元204-驱动单元205-卸载单元 图1示出了本发明提供的太阳能风力电能的微型智能配电控制系统，该微型智能配电 控制系统包括市电输入模块3、风力发电输入模块20、光伏发电输入模块2、开关切换模块 10、逆变模块6、控制模块11、过充放保护模块7、第一继电器4、第二继电器5、信息输出模块 12、蓄电池组8及指Tjv灯模块9,所述市电输入模块3、风力发电输入模块20及光伏发电输 入模块2的各自输出端分别连接所述开关切换模块10的输入端，所述开关切换模块10的 输出端连接所述第一继电器4的输入端及逆变模块6的输入端，所述第一继电器4的输出 端经所述过充放保护模块7连接所述蓄电池组8的充放电端，所述蓄电池组8的充放电端 经所述过充放保护模块7连接所述第二继电器5的输入端，所述第二继电器5的输出端连 接所述逆变模块6的输入端，所述控制模块11采样端分别连接所述风力发电输入模块20、 光伏发电输入模块2及蓄电池组8,所述控制模块11分别连接所述开关切换模块10、过充 放保护模块7、第一继电器4及第二继电器5,所述控制模块11连接所述指示灯模块9,所 述控制模块11的输出端连接所述信息输出模块12的输入端。采用双路功率变换电路输 出，风力发电机输出和太阳能电池板输出进行分开控制，两者互不干扰，当其中一路出现故 障时，不影响另一路的工作，保证了智能控制系统的稳定性；通过电压、电流检测技术，能够 实时监测蓄电池组的充电电压和充电电流，智能调整充电，确保蓄电池组的使用寿命，智能 控制系统基于ARM微处理器芯片的监控层采用先进的光辐射传感技术、超声波风速检测技 术、差分电压检测技术实现风速强弱、太阳光辐射强度、蓄电池电压情况、负荷要求等运行 参数的实时监控，具备PWM (脉宽调制）无极卸载，提高太阳能和风力电能利用效率。
[0018] 所述控制模块11采集电流、电压值来控制对所述蓄电池组8的充放电，并且根据 采集的电流、电压来控制整个微型智能配电控制系统的状态。
[0019] 该微型智能配电控制系统还包括远端的监控平台13,所述监控平台采用服务器， 所述服务器端通过数据通信连接所述信息输出模块12输出端。
[0020] 所述市电输入模块3包括输入接线端子、市电降压单元及市电整流单元，所述输 入接线端子上端连接市电，所述输入接线端子下端连接所述市电降压单元的输入端，所述 市电降压单元的输出端连接所述市电整流单元的输入端。
[0021] 所述风力发电输入模块20包括风力发电机201、风电降压单元202、卸载单元205、 驱动单元204及风电整流单元203,所述风力发电机201的电压输出端连接所述风电降压单 元202的输入端及卸载单元205的输入端，所述风电降压单元202的输出端连接所述风电 整流单元203的输入端，所述卸载单元204的控制端连接所述控制模块11，所述驱动单元 204输出端连接所述风电整流单元203控制端。
[0022] 所述光伏发电输入模块2包括太阳能电池板及稳压单元，所述太阳能电池板的输 出端连接所述稳压单元的输入端。
[0023] 所述开关切换模块10包括市电输入开关单元103、风力电能开关单元101及光伏 发电开关单元102。
[0024] 所述控制模块11包括风电电压采样单元、风电充电电流采样单元、光伏电压采样 单元、光伏充电电流采样单元、蓄电池组电压采样单元及监测单元。
[0025] 所述控制模块11采用ST的ARM7单片机STM32F407为核心。
[0026] 如图8所不，TL494的第11、12脚构成稳压取样、误差放大系统，正相输入端1脚 输入逆变器次级取样绕组整流输出的15V直流电压，经R11、R12分压，使第1脚在逆变器正 常工作时有近4. 7?5. 6V取样电压。反相输入端2脚输入5V基准电压（由14脚输出）。 当输出电压降低时，1脚电压降低，误差放大器输出低电平，通过PWM电路使输出电压升高。 正常时1脚电压值为5. 4V，2脚电压值为5V，3脚电压值为0. 06V。此时输出AC电压为 235V(方波电压）。第4脚外接R16、R14、C2设定死区时间。正常电压值为0. 01V。第5、6 脚外接C13、R15设定振荡器三角波频率为100Hz。正常时5脚电压值为1. 75V，6脚电压值 为3. 73V。第7脚为共地。第8、11脚为内部驱动输出三极管集电极，第12脚为TL494前 级供电端，此三端通过开关S控制TL494的启动/停止，作为逆变器的控制开关。当S1关 断时，TL494无输出脉冲，因此开关管VT4?VT6无任何电流。S1接通时，此三脚电压值为 蓄电池的正极电压。第9、10脚为内部驱动级三极管发射极，输出两路时序不同的正脉冲。 正常时电压值为1.8V。第13、14、15脚其中14脚输出5V基准电压，使13脚有5V高电平， 控制门电路，触发器输出两路驱动脉冲，用于推挽开关电路。第15脚外接5V电压，构成误 差放大器反相输入基准电压，以使同相输入端16脚构成高电平保护输入端。此接法中，当 第16脚输入大于5V的高电平时，可通过稳压作用降低输出电压，或关断驱动脉冲而实现保 护。在它激逆变器中输出超压的可能性几乎没有，故该电路中第16脚未用，由电阻R18接 地。
[0027] 如图7所示，卸载单元205包括电阻R45、二极管D17、电容C33、电阻R44及M0S管 Q4,电阻R4的一端接地，另一端分别连接电容C33的一端及M0S管的漏极，电容C33的另一 端连接电阻R45的一端及二极管D17的阳极，二极管D17的阴极、电阻R45的另一端及M0S 管的源极分别连接风力发电机。当风力很大，但没有到过速保护限定值时，风机仍需要对蓄 电池或负载进行供电，这是由于风机输出功率比较大，会对控制系统造成很大的冲击，需要 利用卸载电路来卸载一部分功率，从而减小由于风大对控制系统造成的冲击。下图为卸载 电路，其中R44为消耗电阻，将卸载的功率转化成热量。
[0028] 如图6所示，采样电路包括电阻R1、电阻R2、电压跟随器、电阻R99电阻R100及电 容C100,电阻R1的一端连接电阻R2的一端及电阻R99的一端，电阻R99另一端连接电压 跟随器的正输入端，电压跟随器的负输入端与输出端相连，电压跟随器输出端还连接电阻 R100的一端，电阻R100的另一端连接电容C100的一端及输出信号，电容C100另一端及电 阻R2的另一端接地。要对太阳能电池板输出电压、风力发电整流输出电压、蓄电池电压、太 阳能充电电流和风力发电充电电流等量进行实时检测，从而实现控制功能。电压检测电路 如下图，采样点电压由R1和R2分压后，经过一个电压跟随器输出，然后将输出送到单片机 的AD采样引脚。
[0029] 如图5所示，驱动单元204包括驱动芯片U5、电阻R32、电阻R35、电阻R33、电容 C57、电容C19、电容C24、稳压二极管D20,驱动芯片U5第三脚连接电容C24 -端及PWM信 号输入，电容C24另一端接地，驱动芯片U5的第二脚连接电阻R32 -端，电阻R32另一端接 5V电压，驱动芯片U5第八脚连接电阻R35 -端及电容C57 -端，驱动芯片U5第七脚连接 电阻R33的一端，驱动芯片U5连接稳压二极管D20的一端及电容C19的一端并输出信号， 电阻R35的另一端连接稳压二极管D20的另一端及电容C19的另一端并输出信号。驱动单 元采用TLP250光耦来隔离单片机的PWM信号和开关管驱动信号；+17V为光耦的供电的正 端17V，0V为供电的负端0V，采用电压17V供电是为了保证输出有足够的驱动能力；D20为 一个5V稳压管；驱动信号的输出g3接开关管的栅极g，E2接开关管的源极s。
[0030] 如图3、4所示，风力发电输入模块20包括风力发电机201、风电降压单元202、卸 载单元205、驱动单元204及风电整流单元203,所述风力发电机201的电压输出端连接所 述风电降压单元202的输入端及卸载单元205的输入端，所述风电降压单元202的输出端 连接所述风电整流单元203的输入端，所述卸载单元204的控制端连接所述控制模块11，所 述驱动单元204输出端连接所述风电整流单元203控制端。其中VD1-VD7为二极管，C1-C4 为整流滤波电容，R1-R4为均压电阻，L为滤波电感，R5为卸荷电阻，R6是限流电阻，VD7为 续流二极管，VT1和VT2为IGBT，C5是带极性的电容。风力发电机的交流电压经过保险丝输 入到三相不可控整流电路，通过电阻R1-R4和电容C1-C4组成滤波电路，在经过卸荷电路、 IGBT、续流二极管、滤波电感L和限流电阻R5给蓄电池充电。
[0031] 如图9所示，光伏发电输入模块2包括光伏电池板、绝缘栅双极型晶体管VT、电阻 R、电容C、二极管VD1、电感L、二极管VD、电阻R0及电池组E，光伏电池板一端分别连接电 阻R-端、二极管VD1的阴极及绝缘栅双极型晶体管VT的源极，二极管VD1的阳极与电阻 R的另一端连接电容C的一端，电容C的另一端与绝缘栅双极型晶体管VT的漏极分别连接 二极管VD的阳极及电感L的一端，电感L的另一端连接电阻R0的一端，电阻R0的另一端 连接电池组的正极，电池组的负极分别连接二极管VD的阴极及光伏电池板的另一端。
[0032] 如图2所示，本发明的另一目的在于提供一种太阳能风力电能的微型智能配电控 制方法流程图，详述如下： 步骤S1中，在微型智能配电控制系统中控制模块对风力电能、光伏电能进行控制分为 为负载输出和蓄电池组充电；在为蓄电池组充电时，在为蓄电池组充电时，控制模块采集蓄 电池组的电压、并判断蓄电池组电压是否在设定值，如大于设定值，则蓄电池组不需要充电 并将电压卸载，如小于设定值，控制模块控制风力电能、光伏电能按优先级对蓄电池进行充 电，其优先级为光伏电能大于风力电能。
[0033] 步骤S2中，在风力电能、光伏电能输出不能满足负载需要控制模块自动切换蓄电 池组对负载配送电能；使其能够在正常情况下运行正常。
[0034] 步骤S3、在蓄电池组输出的电压不能满足负载输出时，控制系统的控制模块自动 切换启用市电供电为逆变模块供电来完成负载的电能需要。该系统能根据日照的强弱、风 力的大小及负载的变化，不断的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负载或经逆变器送往交流负载；另一方面把多余的电能送往蓄电池组 中存储起来。当光伏发电量和风力发电量不能满足负载功率时，控制器自动将蓄电池组中 的电能调送往负载；当蓄电池中的电能也不足的情况下，控制器最后启动AC220V市电作为 供电电源。这样使供电系统在充电、放电或浮电等多种工况下交替运行，从而保证以风、光、 市电互补作为电源系统对负载供电的连续性和稳定性。
[0035] 所述控制模块采集电流、电压值来控制对所述蓄电池组的充放电，并且根据采集 的电流、电压来控制整个微型智能配电控制系统的状态。
[0036] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种太阳能风力电能的微型智能配电控制系统，其特征在于，该微型智能配电控制 系统包括市电输入模块、风力发电输入模块、光伏发电输入模块、开关切换模块、逆变模块、 控制模块、过充放保护模块、第一继电器、第二继电器、信息输出模块、蓄电池组及指示灯模 块，所述市电输入模块、风力发电输入模块及光伏发电输入模块的各自输出端分别连接所 述开关切换模块的输入端，所述开关切换模块的输出端连接所述第一继电器的输入端及逆 变模块的输入端，所述第一继电器的输出端经所述过充放保护模块连接所述蓄电池组的充 放电端，所述蓄电池组的充放电端经所述过充放保护模块连接所述第二继电器的输入端， 所述第二继电器的输出端连接所述逆变模块的输入端，所述控制模块采样端分别连接所述 风力发电输入模块、光伏发电输入模块及蓄电池组，所述控制模块分别连接所述开关切换 模块、过充放保护模块、第一继电器及第二继电器，所述控制模块连接所述指示灯模块，所 述控制模块的输出端连接所述信息输出模块的输入端。
2. 根据权利要求1所述的微型智能配电控制系统，其特征在于，所述控制模块采集电 流、电压值来控制对所述蓄电池组的充放电，并且根据采集的电流、电压来控制整个微型智 能配电控制系统的状态。
3. 根据权利要求1或2所述的微型智能配电控制系统，其特征在于，该微型智能配电控 制系统还包括远端的监控平台，所述监控平台采用服务器，所述服务器端通过数据通信连 接所述信息输出模块输出端。
4. 根据权利要求3所述的微型智能配电控制系统，其特征在于，所述市电输入模块包 括输入接线端子、市电降压单元及整流单元，所述输入接线端子上端连接市电，所述输入接 线端子下端连接所述市电降压单元的输入端，所述市电降压单元的输出端连接所述整流单 元的输入端。
5. 根据权利要求4所述的微型智能配电控制系统，其特征在于，所述风力发电输入模 块包括风力发电机、风电降压单元、卸载单元、驱动单元及风电整流单元，所述风力发电机 的电压输出端分别连接所述风电降压单元的输入端及卸载单元的输入端，所述风电降压单 元的输出端连接所述风电整流单元的输入端，所述卸载单元的控制端连接所述控制模块， 所述驱动单元输出端连接所述风电整流单元控制端。
6. 根据权利要求5所述的微型智能配电控制系统，其特征在于，所述光伏发电输入模 块包括太阳能电池板及稳压单元，所述太阳能电池板的输出端连接所述稳压单元的输入 端。
7. 根据权利要求6所述的微型智能配电控制系统，其特征在于，所述开关切换模块包 括市电输入开关单元、风力电能开关单元及光伏发电开关单元。
8. 根据权利要求7所述的微型智能配电控制系统，其特征在于，所述控制模块包括风 电电压采样单元、风电充电电流采样单元、光伏电压采样单元、光伏充电电流采样单元、蓄 电池组电压采样单元及监测单元。
9. 一种太阳能风力电能的微型智能配电控制方法，其特征在于，该微型智能配电控制 方法包括： A、 控制模块对风力电能、光伏电能进行控制为负载输出和蓄电池组充电； B、 在风力电能、光伏电能输出不能满足负载需要控制模块自动切换蓄电池组对负载配 送电能； C、在蓄电池组输出的电压不能满足负载输出控制模块自动切换启用市电供电； 所述控制模块采集电流、电压值来控制对所述蓄电池组的充放电，并且根据采集的电 流、电压来控制整个微型智能配电控制系统的状态。
10.根据权利要求9所述的微型智能配电控制方法，其特征在于，所述步骤A包括： A1、控制模块对一部分风力电能及光伏电能进行控制为负载输出； A2、控制模块对另一部分风力电能及光伏电能进行控制为蓄电池组充电； A3、在为蓄电池组充电时，控制模块采集蓄电池组的电压、并判断蓄电池组电压是否在 设定值，如大于设定值，则蓄电池组不需要充电并将电压卸载，如小于设定值，则执行下一 [K 少； A4、控制模块控制风力电能、光伏电能按优先级对蓄电池进行充电，其优先级为光伏电 能大于风力电能。
【文档编号】H02J7/35GK104113128SQ201410372730
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】李明, 吕志明, 胡小银 申请人:深圳市赛宝伦计算机技术有限公司