风光互补发电系统的远程监控系统及其监控方法与流程

本发明涉及风光互补发电系统的监控，具体为风光互补发电系统的远程监控系统及其监控方法。
背景技术：
：风光互补发电系统是一种合理的独立电源系统，这种合理性不仅体现在资源配置、技术方案等方面，而且其性价比、供电可靠性相对独立风力发电、独立光伏发电系统尤为突出，正是这些合理性保证了风光互补发电系统将取得较为可观的经济、社会效益。在我国，由于电网还不够普及，边远地区还有众多人口无电、缺电，这就需要通过建立一系列的风光混合发电电站来满足这些地区无电人口的基本用电需求。另外，在城市景观、庭园等低亮度照明要求情况下以及野外通信基站供电系统中，使用风光风光互补发电系统不仅能够节约资源、增加人文科技气息，而且可以取得良好的社会示范效应。现有的监控系统结构复杂，对光伏阵列和风力发电机的协调控制不合理，可靠性和稳定性较差，且无法实时的对其进行监测控制。技术实现要素：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种风光互补发电系统的远程监控系统及其监控方法，结构简单，设置合理，控制方便，能够实现远程实时监控。本发明是通过以下技术方案来实现：风光互补发电系统的远程监控系统，包括依次交互连接的基于Android的移动客户端、基于Java的上位机和混合发电控制器；所述的风光互补发电系统包括蓄电池，并联在蓄电池充电端的光伏阵列和风电发电机，连接在蓄电池供电端的负载；所述的混合发电控制器包括用于控制光伏阵列输出电压的光伏控制模块，用于控制风力发电机输出电压的风机控制模块，并联在蓄电池充电端的卸载负荷和第一继电器，串联在负载上的第二继电器，用于分别采集蓄电池电压、光伏阵列输出电压和风电发电机输出电压进行比较的单片机；单片机的输出端分别连接光伏控制模块、风机控制模块、第一继电器和第二继电器；当蓄电池电压不大于过放保护电压时，单片机控制第二继电器常闭点断开，断开负载；当蓄电池电压不小于过充保护电压时，单片机控制第一继电器常开点闭合，接通卸载负荷。优选的，基于Java的上位机包括与移动客户端交互连接的Android通信模块，与混合发电控制器交互连接的串口通信模块。优选的，所述的单片机上设置有采用ADC0809芯片的A/D采集电路，A/D采集电路用于采集蓄电池电压、光伏阵列输出电压和风电发电机输出电压。优选的，所述的单片机上设置有若干传感器，分别用于采集如下物理量的数字信号，风力发电机的风速、风向、电流和功率；太阳能光伏阵列的光照强度、温度、电流和功率；蓄电池的温度和电流；所述的基于Java的上位机接收通过单片机输出的物理量数字信号和控制信号进行监测、储存和显示；所述的基于Android的移动客户端用于显示和查看上位机中的物理量数字信号和控制信号。优选的，单片机的输出端通过采用ULN2003A芯片的继电器电路控制第一继电器和第二继电器。优选的，还包括用于给混合发电控制器供电的电源电路；所述的电源电路采用串联的L7812电压调节器和L7805电压调节器；L7812电压调节器的输入端连接蓄电池电压，输出端输出12V电压连接L7805电压调节器的输入端，L7805电压调节器输出端输出5V电压连接单片机的供电端。优选的，还包括用于显示混合发电控制器工作状态的显示电路；显示电路包括输入端分别连接在单片机输出端的六个显示支路；单片机采用STC89C52单片机；第一显示支路的输入端连接风力发电机的功率输出信号，输出端接地，输入端和输出端之间依次连接第一电阻、正向设置的第一二极管、正向设置的第一发光二极管；第二发光二极管反向并联在第一二极管和第一发光二极管两端；第二显示支路的输入端连接光伏阵列的功率输出信号，输出端接地，输入端和输出端之间依次连接第二电阻、正向设置的第三发光二极管；第四发光二极管反向并联在第三发光二极管两端；第三显示支路的输入端连接第二继电器闭合信号，输出端接5V电源，输入端和输出端之间依次连接正向设置的正向设置的第二二极管、第三电阻、第五发光二极管、第四电阻；第四显示支路的输入端连接第一继电器闭合信号，输出端接5V电源，输入端和输出端之间依次连接正向设置的正向设置的第三二极管、第五电阻、第六发光二极管、第六电阻；第五显示支路的输入端连接对应过放保护电压的电压输出信号，输出端接5V电源，输入端和输出端之间依次连接第七电阻和第七发光二极管；第五显示支路的输入端连接蓄电池的电压输出信号，输出端接地，输入端和输出端之间依次连接多组并联的第八电阻和第八发光二极管；每组对应不同的电压等级。优选的，蓄电池充电端分别通过防反充阻断二极管连接光伏阵列和风电发电机输出端；防反充阻断二极管的负极连接蓄电池输入端。风光互补发电系统的远程监控方法，基于本发明所述的监控系统，包括如下步骤，步骤1，单片机通过光伏控制模块和风机控制模块控制光伏阵列和风力发电机工作在最大功率点附近；步骤2，单片机采集蓄电池电压、光伏阵列输出电压和风电发电机输出电压进行比较；步骤3，当风力发电机或光伏阵列输出电压高于蓄电池端电压时，光伏控制模块和风机控制模块控制光伏阵列和风电发电机向蓄电池充电；步骤4，当蓄电池端电压达到过充保护电压时，单片机控制第一继电器闭合，接入卸载负荷，限制蓄电池电压；步骤5，当蓄电池端电压达到过放保护电压时，单片机控制第二继电器断开，切除负载，防止蓄电池过放电；当蓄电池电压大于过放恢复电压后，闭合第二继电器，继续为负载供电。优选的，单片机通过光伏控制模块和风机控制模块控制光伏阵列和风力发电机工作在最大功率点附近时，通过基于扰动观察与二次插值的风光互补发电系统最大功率跟踪控制算法实现。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明所述的系统，通过设置的混合发电控制器对蓄电池电压、光伏阵列输出电压和风电发电机输出电压进行采集后比较，通过单片机利用继电器对负载和卸荷负载进行控制，保证了对风光互补发电系统的控制，并且将采集到的数据和控制信号传输到上位机上进行显示和存储，能够被移动客户端方便的访问和调取，从而实现实时监测。进一步的，利用采集芯片对各个电压进行集中采集，通过单片机上设置的传感器实现各物理量的采集和传输，保证系统的安全稳定运行。进一步的，通过双电压调节器设置的电源电路，直接利用蓄电池为单片机提供供电电源。进一步的，通过包括多个支路的显示电路，实现混合发电控制器在设备端对控制信息的直接显示和指示。本发明所述的方法，通过对风光互补发电系统运行的电压数据进行采集与判断来进行相应的协调控制策略，即根据风力发电机、光伏阵列的输出功率、蓄电池端电压的变化情况与各级负载工作状况进行协调控制，通过对蓄电池的充放电控制以及对不同类型负载进行适当的投切操作，来实现风光互补发电系统的功率平衡，从而提高系统的稳定性与可靠性，实现对现场设备工作状况的实时监控。进一步的，二次插值法的多项式图形与系统功率曲线基本吻合，可以精确的进行特定范围内的最大功率点跟踪；两者结合的方法减小了扰动观察法在最大功率点附近震荡的现象，减小功率损失，能够快速精确的跟踪到最大功率点；改进的方法可以节省搜索所需时间，避免重复不必要的工作。附图说明图1为本发明实例所述系统的结构框图。图2为本发明实例所述系统中继电器的设置框图。图3为本发明实例所述系统中电源电路的电路图。图4为本发明实例所述系统中显示电路的电路图。图5为本发明实例所述物理量的数字信号采集框图。图6为本发明实例所述方法中光伏阵列最大功率点电压点的控制流程示意图。图7位为本发明实例所述方法中风力发电机最大功率点电压点的控制流程示意图。图中，1为第一继电器，2为第二继电器，3为蓄电池，4为负载，5为卸荷负载。具体实施方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。本发明风光互补发电系统的远程监控系统，如图1所示，包括依次交互连接的基于Android的移动客户端、基于Java的上位机和混合发电控制器；风光互补发电系统包括蓄电池，并联在蓄电池充电端的光伏阵列和风电发电机，连接在蓄电池供电端的负载；所述的负载包括通过逆变器连接在蓄电池上的交流负载和直接连接在蓄电池上的直流负载。其中，风力发电机采用水平轴风力发电机，利用风轮接收风能，并将其转换成机械能，再由传动轴将机械能输送出。光伏阵列采用单结晶光伏电池，利用PN结的光生伏打效应将光能转换为电能。蓄电池采用铅蓄电池。混合发电控制器由单片机实现控制，包括用于控制光伏阵列输出电压的光伏控制模块，用于控制风力发电机输出电压的风机控制模块，并联在蓄电池充电端的卸载负荷和第一继电器，串联在负载上的第二继电器，用于分别采集蓄电池电压、光伏阵列输出电压和风电发电机输出电压进行比较的单片机；单片机的输出端分别连接光伏控制模块、风机控制模块、第一继电器和第二继电器；如图2所示，当蓄电池3两端的电压不大于过放保护电压时，单片机控制第二继电器2常闭点断开，断开负载4；当蓄电池3两端的电压不小于过充保护电压时，单片机控制第一继电器1常开点闭合，接通卸载负荷5；所述基于Java的上位机用于接收单片机采集的蓄电池电压、光伏阵列输出电压和风电发电机输出电压，以及单片机发出的控制信号；并将接收到的电压和控制信号进行显示和存储；所述的基于Android的移动客户端用于显示和查看上位机中的电压和控制信号。混合发电控制器主要由单片机实现控制，单片机采用STC89C52单片机，它拥有技术成熟、成本低、高速度、可靠性好、低功耗、抗静电抗干扰能力强等特点。还包括电源电路、A/D采样电路、继电器电路和显示电路。A/D采样电路采用ADC0809芯片。负责采集太阳能电池板、风力发电机、蓄电池两端的电压。A/D采样电路采用ADC0809是一种嵌入式系统中常用的模数转换器，它有8条模拟信号输入通道，8位的数字信号输出通道，满足本系统要求。ADC0809的转换效率高、稳定性好，而且成本非常低。由于混合发电控制器需要实时采集太阳能电池板的电压、风力发电机端电压以及蓄电池端电压三个模拟信号，因而只使用了ADC0809芯片8个模拟信号输入通道中的三个。由于所测的开路电压高于ADC0809的工作电压5V，所以需要对输出端并联高精度电阻分压后输入到ADC0809芯片的输入通道中进行测量。继电器电路主要采用ULN2003A芯片来控制继电器的状态。ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。如图3所示，所述的电源电路采用两个L7812和L7805系列的电压调节器来分别提供电源。首先蓄电池电压经过L7812转变为12V电压，然后经过L7805将电压变为单片机可以用的5V电压。如图4所示，显示电路主要用LED灯来显示电路的工作状态。系统各工作指示灯亮灭反映了系统处于不同的工作状态。其具体说明如表1所示。表1系统工作指示灯说明亮灭系统工作状态WIND√×风力发电机有功率输出PV×√光伏阵列无输出(可认为夜晚来临)OUT√×负载开关闭合UNLOAD√×蓄电池电压过高，开始卸载LOWV√×蓄电池电压过低，延时并停止放电电量指示√×大致反映蓄电池当前电量使用时，混合发电控制器为风光互补发电系统的核心，混合发电控制器为风光互补发电系统提供蓄电池充电、放电管理功能，光伏阵列输出的直流电和风力发电机输出的交流电需整流，经过混合发电控制器对蓄电池充电，在蓄电池未充满时，混合发电控制器的作用是最大限度地对蓄电池充电，当蓄电池被充满时，混合发电控制器自动卸荷，使光伏阵列与风力发电机所发出的电能通过卸荷电阻消耗掉，从而防止蓄电池过充而损坏，蓄电池此时处于浮充状态当蓄电池放电至过放保护电压限时，混合发电控制器将发出蓄电池电量不足警告并切断蓄电池的放电回路，以防止蓄电池因过放电而损坏。如图2所示，当风力发电机或光伏阵列输出电压高于蓄电池端电压时，发电机或光伏阵列可以向蓄电池进行充电而当输入电压低于蓄电池端电压时，由于防反充阻断二极管的存在，使得能量只能由发电机或光伏阵列流向蓄电池，从而确保蓄电池在无风、无光情况下不会向风力发电机或光伏阵列反向供电。当蓄电池端电压达到过充保护电压时，如果继续对蓄电池进行充电则会引发蓄电池失水、干涸，影响使用寿命，同时从风机保护方面来说，过高的机端电压将会烧毁风力发电机，此时必须将卸荷负载接入系统，对蓄电池端电压加以限制。当蓄电池端电压达到过放保护电压时，如果蓄电池继续向负载供电将导致蓄电池深度放电。致使蓄电池容量无法恢复，同样影响使用寿命，所以此时需将负载从系统中切除，以防止蓄电池过度深放电。当蓄电池深度放电后，如得不到及时再充，会造成蓄电池容量损失，且难以恢复。在充电过程中有放电操作对蓄电池容量损失较大。因此须设立一个过放恢复电压，过放恢复电压控制参数是蓄电池深度过放电后允许蓄电池可以再次为负载提供电力的一个控制点参数。也就是说，蓄电池在经过深度放电后，只有在充电达到某一限值，即过放恢复电压，才可以继续向负载供电。如图5所示，基于Java的上位机设计主要监测风力发电机、太阳能光伏电池、混合发电控制器、蓄电池、交流直流负载的一些物理量。风力发电机主要监测风速、风向、电流、功率等物理量。太阳能光伏电池主要监测光照强度、温度、输出电压、电流、功率等参数。蓄电池主要监测室内温度、蓄电池端电压、电流等物理量。这次物理量的监测主要通过一些传感器将测得模拟信号转换为数字信号，通过单片机传送到上位机。基于Java的上位机包括用户界面模块、Android通信模块、串口通信模块和存储模块，用户界面模块、Android无线通信模块、串口通信模块通过上位机控制器与存储模块交互。基于Android的移动客户端用于通过Android无线通信模块显示和查看上位机中的电压和控制信号。最大功率跟踪控制采用基于扰动观察与二次插值的风光互补发电系统最大功率跟踪控制算法，能够快速精确的找到最大功率点，使系统稳定输出，提高发电效率。在此基础上得出最大功率点的电压(转速)，工作一个周期后，与前一时刻进行判断，是否进行下一次的搜索任务，以确保系统运行在最大功率点附近。基于扰动观察与二次插值的风光互补发电系统最大功率跟踪控制算法，如图6和图7，其实现步骤如下，(1)给定太阳能发电系统的步长ΔU与初始电压U0和初始电流I0及风力发电系统的步长Δω与初始转速ω0，然后测量太阳能发电系统的电压U1和电流I1或者风力发电系统的转速ω1，得到功率P1，采用扰动观察法搜索太阳能发电系统的最大功率点电压Um或风力发电系统的最大功率点转速ωm，如果该电压Um与前一周期的最大功率点电压Um-1的差值小于δ或者该转速ωm与前一周期的最大功率点转速ωm-1的差值小于δ，则停止搜索，δ为系统设定的最大功率点电压或者转速的临界值；(2)在步骤(1)的搜索结果中选取最大功率点附近的三个点电压U1’、U2’和U3’或者三个点转速ω1’，ω2’，ω3’，使其满足Um-N＜U1’、U2’、U3’＜Um+N或者ωm-N＜ω1’、ω2’、ω3’＜ωm+N，其中，N是最大功率点电压或者转速附近的一段范围，如果不满足，重新选取U1’、U2’和U3’或ω1’、ω2’和ω3’；(3)判断(U1'＜U2'＜U3')&(P2'＞P1',P2'＞P3')(ω1'＜ω2'＜ω3')&(P2'＞P1',P2'＞P3')是否成立，其中，P1’、P2’、P3’分别为最大功率点附近的三个点电压U1’、U2’、U3’或者三个点转速ω1’，ω2’，ω3’所对应的功率值，如果成立，则求出二次插值法图像的系数a，b，c，如果不成立，则令U3’＝U2’，U2’＝U1’，P3’＝P2’，P2’＝P1’，或者令ω3’＝ω2’，ω2’＝ω1’，P3’＝P2’，P2’＝P1’，然后则求出二次插值法图像的系数a，b，c，其中，对于太阳能发电系统，二次插值多项式的函数一般式为：L(U)＝aU2+bU+c，其中，对于风力发电系统，二次差值多项式的函数一般式为：L(ω)＝aω2+bω+c，其中，(4)根据公式Uref＝-2a/b或者ωref＝-2a/b计算二次插值法得到的最大功率点电压或转速；(5)t时间后，判断比较Uref-Um＜δ或ωref-ωm＜δ是否成立，如果成立，则输出风光互补发电系统的最大功率点Uref或者转速ωref，如果不成立，重复步骤(1)至步骤(4)直至Uref-Um＜δ或者ωref-ωm＜δ成立，其中，Um和ωm分别为扰动观察法得到的最大功率点电压和转速；采用扰动观察法搜索风光互补发电系统的最大功率点的方法包括以下步骤：(a)对于太阳能发电系统计算P1和P2，P1＝U1×I1，P2＝U2×I1，U2＝(U1+ΔU)，其中，P1为测量的电压U1所对应的功率值；对于风力发电系统计算P1＝kω13，P2＝kω23，ω2＝(ω1+Δω)，k＝4A×ρ×CT×π3×R3，其中，A为风力发电的扇叶面积，ρ为空气密度，CT为风能利用率，R为风轮半径，其中，P1为测量的转速ω1所对应的功率值；(b)判断P2和P1的关系，如果P1＞P2，且U1＞U2，或者P1＜P2，且U1＜U2或者P1＞P2，且ω1＞ω2，或者P1＜P2，且ω1＜ω2，则最大功率点电压Um＝U2+ΔU，最大功率点转速ωm＝ω2+Δω，如果P1＞P2，且U1＜U2，或者P1＜P2，且U1＞U2，或者P1＞P2，且ω1＜ω2，或者P1＜P2，且ω1＞ω2，则最大功率点电压Um＝U2-ΔU，最大功率点转速ωm＝ω2-Δω。当前第1页1 2 3