本发明涉及一种供电系统，综合应用了无线通信技术、网络技术及自动控制原理，是清洁能源与建筑节能技术在农村建筑中的应用，具体涉及一种基于无线射频的太阳能与风能互补供电系统及其工作方法。
背景技术：
当前，农村住宅基本处于无建筑设计的自发建设状态，未能充分考虑气候、朝向、通风等环境因素，也没有很好地利用可再生能源。另一方面，农村住宅仍使用分散式采暖方式，采暖能耗浪费严重。农村的住宅外墙、屋面和门窗等仍采用常规作法，房屋围护结构保温性能差，外墙和屋面传热系数大大超出建筑节能设计标准的限值，致使采暖能耗浪费严重。因此，开展农村建筑节能技术研究具有很强的现实意义。
针对目前我国农村建筑能耗大、地域广、人口众多的特点，本发明研发了一种实用的新能源应用技术-太阳能与风能互补供电系统。
技术实现要素：
本发明的目的是为克服上述问题，提出一种基于无线射频的太阳能与风能互补供电系统及其工作方法。
技术方案：本发明的技术方案所述一种基于无线射频的太阳能与风能互补供电系统，包括监控管理中心、rf无线射频网络和若干农户监控节点；所述监控管理中心包括工控pc机和rf射频通信模块，所述pc机与rf射频通信模块通过串口连接进行数据交换；所述农户监控节点包括太阳能电池板、风力发电机、风光互补控制单元、电力主控单元和rf射频通信模块，所述太阳能电池板和风力发电机的输出端与风光互补控制单元的输入端连接，所述风光互补控制单元将太阳能电池板发出的直流电、风力发电机输出的交流电转换为直流电平输出给电力主控单元，公共电网与电力主控单元的供电输入端连接，rf射频通信模块与电力主控单元建立双向通信连接；所述监控管理中心与农户监控节点分别利用各自的rf射频通信模块通过rf无线射频网络建立通信连接。
进一步地，所述风光互补控制单元包括太阳能发电接口、风力发电接口及控制电路，所述风力发电模块包括风力发电接口、桥式整流滤波器、dc/dc变换器一，太阳能发电模块包括太阳能发电接口和dc/dc变换器二，所述风力发电机的输出端与桥式整流滤波器的输入端连接，桥式整流滤波器的输出端与dc/dc变换器一的输入端连接，dc/dc变换器一的输出端与控制电路的输入端连接，太阳能电池板的输出端与dc/dc变换器二的输入端连接，所述dc/dc变换器二的输出端与控制电路的输入端连接。
进一步地，所述电力主控制单元包括微控制器、蓄电池、充电电路、逆变升压电路、lcd控制模块和rf射频通信模块，公共电网经过整流滤波电路后分为两路，一路经降压电路后与充电电路的输入端连接，另一路经转换开关与家用负载连接；风光互补控制单元的输出端与充电电路的输入端连接，充电电路的输出端与蓄电池组的输入端连接，蓄电池的输出端经dc/dc变换器与逆变升压电路的输入端连接，所述逆变升压电路的输出端与转换开关连接；所述充电电路、蓄电池、转换开关、lcd控制模块、射频通信模块均由微控制器监测控制。
进一步地，所述蓄电池组与逆变升压电路之间还设有电压检测电路，所述电压检测电路与微控制器连接。电压检测电路实时采集蓄电池输出的直流电压，若满足输出条件，则将电能送至逆变升压电路中，并在微控制器的lcd中显示升压后的电压值；若不满足，则将供电回路切换至公共电网。
进一步地，所述转换开关为一种固态继电器。
进一步地，所述蓄电池的供电输出端还连接主dc/dc变换器和辅助dc/dc变换器。
进一步地，所述lcd控制模块包括控制模式设定、系统参数监测、过程参数报警和自动控制参数设定。
进一步地，所述农户监控节点中的射频通信模块利用i2c接口与电力主控单元相连。
上述技术方案可以看出，本发明的有益效果为：
(1)本发明所述的一种基于无线射频的太阳能风能互补供电系统，充分利用太阳能与风能这种清洁能源，将公共电网作为备用电源，在允许的条件下，还可以将剩余电力回馈到电网中，获得电费补偿，有效改善农村供电与用电效率，减少农村用电对供电网的依赖性，提高农村用电的自给率和节能效率，进而有效地缓解农村电能的供需矛盾，是一种积极的新型用电模式，可大大缓解广大农村地区的用电紧张的局面，既可用于新建农村村镇，也可用于既有建筑群的节能改造，其节能率高，易得用户接受，
(2)本发明所述的一种基于无线射频的太阳能与风能互补供电系统，可以在一定程度上减少太阳能电池组件的数量，降低供电系统的成本，基于无线射频的监控网络，底层控制具有互操作性、高可靠性、安装费用低以及控制系统便于维护等优点，中间通信具有间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输特点，能够满足村镇节能监控管理中心与现场各农户节能监控装置的通信要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2为本发明农户监控节点的结构示意图；
图3为本发明风光互补控制单元的结构示意图；
图4为本发明的电力主控单元的示意图；
图5为本发明的工作流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示，进一步阐述上述技术方案。
如图1-5所示的一种基于无线射频的太阳能与风能互补供电系统，包括监控管理中心1、rf无线射频网络2和若干农户监控节点3；
所述监控管理中心1包括工控pc机和rf射频通信模块，所述pc机与rf射频通信模块通过串口连接进行数据交换；
监控管理中心1的主要功能为：①系统运行工况监测：显示系统中每个农户的太阳能/风力供电装置的工作状态。②远程设置住户的系统工作模式。③住户报警处理：接收住户实时报警信息后，对其进行处理。可以通过历史报警记录表查看历史报警记录信息，并具有报警记录打印功能。除此之外，还可实现班报表、日报表、月报表的显示与打印。
村镇监控中心节点硬件设计思路如下：
节能监控中心由一台pc机和一个rf射频通信模块组成，pc机同rf射频通信模块通过串口(rs232)相连，进行数据交换，pc机可通过上位机图形用户界面(gui)对农户节点进行监测和控制。其rf射频通信模块选用德州仪器msp430f233微控制器，配以cc1101射频收发器，亦开辟了数据发送/接收的软件fifo数据缓冲区以更好地中转数据。
农户监控节点3的主要功能如下：①太阳能与风力发电系统与公共电网的连续供电管理；②系统运行工况显示；③故障报警；④定时向监控中心上传数据信息。具体地，所述农户监控节点3包括太阳能电池板31、风力发电机32、风光互补控制单元33、电力主控单元34和rf射频通信模块，所述太阳能电池板31和风力发电机32的输出端与风光互补控制单元33的输入端连接，所述风光互补控制单元33将太阳能电池板31发出的直流电、风力发电系统32发出的交流电转换为直流电输出给电力主控单元34，公共电网4与电力主控单元34的供电输入端连接，rf射频通信模块与电力主控单元34建立双向通信连接；所述监控管理中心1与农户监控节点3分别利用各自的rf射频通信模块通过rf无线射频网2络建立通信连接。其中，风力发电机32主要包括风力发电机、三相永磁同步发电机、桥式滤波整流器、dc/dc变换器几个部分，其中风力发电机驱动永磁同步发电机发电，所发出的交流电经整流后送至蓄电池342。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。太阳能发电与风力发电共用一个蓄电池组。
所述风光互补控制单元33包括风力发电模块331、太阳能发电模块332、控制电路333，所述风力发电模块331包括风力发电接口3311、桥式整流滤波器3312、dc/dc变换器一3313，太阳能发电模块332包括太阳能发电接口3321和dc/dc变换器二3322，所述风力发电接口3311的输出端与桥式整流滤波器3312的输入端连接，桥式整流滤波器3312的输出端与dc/dc变换器一3313输入端连接，dc/dc变换器一3313的输出端与控制电路333的输入端连接，太阳能电池的板3321的输出端与dc/dc变换器二3322的输入端连接，所述dc/dc变换器二3322的输出端与控制电路333的输入端连接。
风光互补控制单元33将太阳能及风能两种转换后的电能存储在蓄电池342中。风光互补控制单元33将太阳能发电回路和风力发电回路的输出转换为12v直流电平输出给电力主控单元34。二者之间采用i2c连接以实现数据和控制指令的交互。工作原理具体如下：在每个农户的屋顶安装太阳能电池板31和户用小型风力发电机32，风光互补控制单元33分别将太阳能电池板31和风力发电机32输出的电能储存于蓄电池342中；电力主控单元34控制太阳能与风力互补发电系统与市电的供电，并行为住户提供连续的电能，优先使用清洁能源，即当太阳能与风力互补发电系统的电能供应不足时，自动切换到公共电网4为住户供电；农户监控节点3利用rf射频通信模块通过rf无线射频网络2与监控管理中心1进行通信。
本实施例中所述电力主控单元34包括微控制器341、蓄电池342、充电电路343、逆变升压电路344、lcd控制模块345和rf射频通信模块，公共电网4经过整流滤波电路5后分为两路，一路经降压电路6后与充电电路343的输入端连接，另一路经转换开关7与家用负载8连接；风光互补控制单元33的输出端与充电电路343的输入端连接，充电电路343的输出端与蓄电池组342的输入端连接，蓄电池342的输出端与逆变升压电路344的输入端连接，所述逆变升压电路344的输出端与转换开关7连接；所述充电电路343、蓄电池342、转换开关7、lcd控制模块345、射频通信模块均由微控制器341检测并控制。
微控制器341的选择：在本发明中，根据监测与控制系统的需求，电力主控单元34选用了texasinstrument(德州仪器)生产的c2000系列微控制器作为住户节点核心硬件，辅以rf射频通信模块，设计了监控网络的各节点，以实现节能监控的目标。
整流降压电路：公共电网4交流电整流后变为直流电，在夜间低谷电价时段为蓄电池342充电，当光照强度及风力不足时，蓄电池342仍可发挥作用。三相桥式全控整流电路合闸启动过程或电流断续时，为使电路工作正常，本发明采用双脉冲触发方式确保同时导通的两个晶闸管均有脉冲，该触发方式要求的触发电路输出功率小，产生较陡的脉冲前沿。
逆变升压电路：蓄电池342中的直流电经过逆变器变换为交流电后，方能满足生产生活的需要。本发明采用逆变和升压电路相结合的设计思想，减少电流传输中的损耗。设计思路为先将低电压直流电转换为低电压交流电，再转换为高电压交流电。输出交流电流的基波有效值iui和直流电流id的关系如以下公式所示。
逆变电路设计中，在交流侧设置串联电容，以吸收电路换流时负载电感中存储的能量，交流侧负载为变压器，该种型式为电流型逆变电路。
蓄电池342：蓄电池342是光伏与风力发电系统中的关键设备，用来存储太阳能光伏阵列、风力发电机产生的电能并向负载电路提供电能。仅考虑光伏发电时，蓄电池342容量可按下列公式计算得出。
c＝(d*f*po)/(l*u*ka)
公式中，c为蓄电池容量(a·h)；d为最长无日照时间(h)；f为放电效率修正系数；p0为平均容量(kw)；l为电池的保养维护率；u为蓄电池放电深度；ka为交流回路损失率。仅考虑风力发电时，蓄电池组的总容量可按以下公式计算：
总容量＝(每日用电时间×用电器总功率×1.67)÷蓄电池组电压
风光互补供电时，可以按下述方法来估算2个系统所提供的电量：(1)太阳能资源偏好的地区，将风力作为补充。太阳能电池板31发电提供的电量约为住户总用电量的三分之二，风力发电机32提供的电量约为住户总用电量的三分之一；(2)风力资源偏好的地区，将太阳能作为补充。风力发电机32发电提供的电量约为住户总用电量的三分之二，太阳能电池板31发电提供的电量约为住户总用电量的三分之一。总体来说，蓄电池342的功率要高于负载的功率4倍左右，才能保证系统正常工作，按照这个道理可以计算出蓄电池342的数量。
本实施例中所述蓄电池组342与逆变升压电路344之间还设有电压检测电路，所述电压检测电路与微控制器341连接。
本实施例中所述转换开关7为一种固态继电器。
本实施例中所述蓄电池342的供电输出端还连接主dc/dc变换器9和辅助dc/dc变换器10。其作用是进行能量调控，方便调节蓄电池和直流母线之间的能量流动，有效降低电能损耗，提高蓄电池342的使用寿命。
本实施例中所述lcd控制模块345包括控制模式设定、系统参数监测、过程参数报警和自动控制参数设定。控制模式设定：实现供电方式的自动/手动切换；系统参数监测：显示蓄电池电量、供电电流、供电电压、供电电源频率、工作回路指示等系统运行信息；过程参数报警：在系统运行过程中，住户故障进行实时报警，并将报警信号传至上位机。即对住户节点的蓄电池342电量、供电电流、供电电压、供电电源频率等异常状态进行报警；自动控制参数设定：对自动控制的各主要控制参数进行设置、修改。
本实施例中所述农户监控节点3中的射频通信模块利用i2c接口与电力主控单元34相连。
本实施例中电力主控单元34检测蓄电池342电压，控制转换开关选择供电回路，并根据工作时段控制充电电路343的通断。考虑到光照及风力均不足时，太阳能与风力互补供电系统无法发电，其供电具有不连续性。系统采用“分时电价”用电管理策略，在综合考虑用户用电需求和电网负荷水平的基础上，以削峰填谷为目标，在用电低谷时期，将蓄电池342作为负载，在谷电价时段对蓄电池342充电。例如，苏州的民用分时电价的时段划分为：8:00—21:00期间执行高峰电价0.5583元/kw·h，21:00—次日8:00期间执行低谷电价0.3583元/kw·h。在本发明中，当蓄电池342电量不足时，由公用电网4向用户负载供电并在低谷电价时段通过切换转换开关7进行节电管理，接通充电电路343向蓄电池342进行充电。依此方式，蓄电池342在低电价时段蓄电，在高电价时段向用户负载供电，可大大减少用户的电费支出。
实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价均落于本申请所附权利要求所限定的范围。