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智能风光互补电源的设计

发布日期:2012-04-01   作者:哈尔滨理工大学电气与电子工程学院 商庆华 丁成功 刘平 李金佳 杨坤 程鹏   浏览次数:41136
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【摘   要】:本文设计的智能风光互补电源具有智能化管理及无线远程监控等优点。该电源具有GPRS和WIFI双通信接口。主要研究了PWM技术驱动的蓄电池充放电控制电路、利用DSP和霍尔传感器对风光互补电源运行信息进行实时采样的数据检测电路以及利用GPRS和WIFI无线通讯模块的远程数据监测电路。经测试表明,本文设计的智能风光互补电源工作稳定、可靠,能够实时监测到电源运行的关键数据和故障状态,实现了对风光互补电源的远程监测和控制。

1引言
化石能源短缺和环境污染加剧是各国面临的两大难题,大力发展使用清洁能源可以有效缓解能源危机并减少环境污染。近几年来,风能和太阳能等可再生能源方面的开发利用发展十分迅速。风能与太阳能都是取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,而且风能与太阳能发电具有无污染和安全性高等许多优势,两者在时间和空间上具有很强的互补性,因此风光互补电源的设计引起了国内外专家学者的普遍重视。风光互补电源的应用领域十分广泛,如邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站以及边远地区等不适合架设市电电线的地方都可以应用风光互补电源来满足对电能的需求。但是目前的风光互补电源一般都不具备智能化管理与远程监控等特点,用户不能实时掌握电源的运行情况和故障信息等[1,2]。本文设计的智能风光互补电源能够对风力发电机、太阳能电池板、蓄电池和负载等的电压和电流进行实时采样,并通过GPRSWIFI无线通讯模块将风光互补电源的关键信息发送给远程监控中心或者用户,监控者可以根据实际需要发送控制命令调节电源的工作状态,从而对风光互补电源进行智能化管理,这样电源可以长时间无人值守的工作,并且运行安全稳定可靠。
2智能风光互补电源结构设计
本文设计的智能风光互补电源由三相风力发电机、太阳能电池板、蓄电池充放电控制电路、铅酸蓄电池、逆变器、耗能负载以及无线通讯模块构成[3,4]。电源结构设计框图如图1所示。
                                     
1 电源结构框图
其中,风力发电机和光伏电池板用来把风能和太阳能转换为电能;蓄电池充放电控制电路用来对蓄电池进行有效的充电与放电管理和控制,从而使蓄电池不会过充电和过放电;蓄电池是存储电源的核心部件,负责储存电能以及为电源的电路提供工作电源等,逆变器主要是把直流电转换为交流电,为交流负载提供电能;无线通讯模块可以把风光互补电源的运行信息发送到远程监控中心,从而使电源可以无人值守的工作,并且用户可以远程掌握电源的工作状态、故障信息等。
3蓄电池充放电控制电路设计
蓄电池充放电控制电路负责整个电源系统能量的调节与分配,良好的蓄电池充放电控制电路可以有效延长蓄电池的使用寿命,避免蓄电池因为过充电而损坏或者过放电导致风光互补电源系统瘫痪,使系统可以更加稳定的运行。本文设计的蓄电池充放电控制电路采用风能和太阳能互补充电的方式,对蓄电池进行智能充电,并具有多种保护功能[5,6]。电路原理图如图2所示。 
                     
2 蓄电池充放电控制电路
利用PWM技术驱动功率开关管Q2Q4Q5的导通或关闭,可以实现对蓄电池智能互补式充电;驱动功率开关管Q1Q3的导通,可以实现风力发电机和太阳能电池板的智能卸荷,把风力发电机和太阳能电池板多余的电量消耗掉,从而使风力发电机和太阳能电池板在蓄电池充满电时不会被损坏,还可以设置卸荷点,让电压恒定在卸荷电压点;具有太阳能电池板防反接和防反冲保护、风力发电机防反冲保护、蓄电池过压保护、欠压保护、反接保护等功能;具有状态指示功能,如LED2亮时风力发电机在充电,LED1亮时太阳能电池板在充电,LED5亮时蓄电池在充电,LED6亮时蓄电池在放电,LED4亮时风力发电机在卸荷,LED3亮时太阳能电池板在卸荷;蓄电池放电部分采用光耦驱动继电器的方法,用单片机控制光耦的导通与关断从而实现智能控制蓄电池放电状态,实现对蓄电池过放电保护。
4数据检测电路设计
本文设计的数据检测电路采用霍尔传感器对电源的关键运行信息进行采样、显示和发送等。电路框图如图3所示。
                        
数据采集系统原理图
该电路以TMS320F2812 DSP和霍尔传感器为核心,对太阳能电池板和风力发电机的输出电压、电流值进行检测,从而可以计算出太阳能电池板和风力发电机的工作状态以及光照强度和风力等级;对蓄电池的充放电电压、电流进行检测,从而可以知道蓄电池所处的工作状态;对负载的电压、电流进行检测,从而可以知道负载的瞬时工作状态与功耗等。最后全部的采集数据经过DSP进行运算处理后通过GPRSWIFI无线通讯模块发送给监控中心或者用户,这样便于远程监控风光互补电源的工作状态,不需要现场看守人员,使系统应用范围更加广泛[78,9]
(1)电压检测电路设计
交流电压传感器TAV61具有动态范围宽,精度高,线性好,价格低等优点,因此本文选用TAV61对逆变器的输出电压和负载两端电压进行检测。电路如图4所示。 
            
4 交流电压检测电路
直流电压检测电路主要是对太阳能电池板输出的直流电压、风力发电机经过整流滤波后的输出直流电压、蓄电池两端的电压进行检测;可以用精密电阻分压的方法或者光耦电压传感器检测,电路结构简单。
(2)电流检测电路设计
电流检测电路包括直流电流检测和交流电流检测两部分。直流电流检测主要是对太阳能电池板的输出电流和蓄电池的充放电电流进行检测;交流电流检测主要对逆变器和负载的电流进行检测。本文选用精密霍尔电流传感器LT58-S7对各种电流进行检测,该传感器的原边和副边之间高度绝缘,低温漂,宽频带,反应快,抗干扰能力强,无插入损失,具有抗电流过载能力,广泛用于直流、交流和脉冲电流的测量。利用LT58-S7分别设计了直流电流检测电路和交流电流检测电路。交流电流检测电路设计了过流保护电路,当输出过流时单片机GPIOF1脚为高电平,单片机检测到GPIOF1脚为高电平则立即切断输出,从而可以避免逆变器因过载而损坏[8,9]。交流电流检测与保护电路和直流电流检测电路分别如图5和图6所示。
                       
5 交流电流检测与保护电路
                   
6 直流电流检测电路
(3)无线通讯电路设计
本文将远距离数据采集技术和无线数据传输技术相结合,设计了基于DSPGPRSWIFI无线通讯模块的风光互补电源数据采集与无线发送电路,该电路通用性强,可以很好地应用于工业测控系统中,提高测控系统的灵活性并且可以很好的解决现代测控技术在环境恶劣地区及不宜连线环境中应用的技术难题。风光互补电源的运行信息由单片机进行采集,然后通过RS232串口把采集来的数据送给无线通讯模块发送到远程监控中心。本文设计的智能数据采集管理系统选用SIM300GSM/GPRS通讯模块。SIM300集成了完整的射频电路和GSM基带处理器,非常适合于开发一些基于GSMGPRS的无线数据传输业务、智能远程测量等系统,应用范围十分广泛。SIM300提供标准的RS232串行接口,与DSP通信可以只使用TXDRXDGND3个引脚,通过使用AT指令,单片机控制GPRSWIFI以短消息的方式将数据信息发送到远程接收端[789]DSPGPRSWIFI通讯电路如图7所示。
                                      
7 通讯电路结构图
5程序设计
软件部分主要包括利用传感器对各种电压和电流进行检测的A/D转换程序设计;单片机控制无线通许模块收发数据的程序设计,即单片机收到监控中心的发送数据命令时,立即把储存的数据发送给监控中心,当单片机读取到异常数据时主动把异常数据发送给监控中心的程序设计;PWM驱动功率开关管从而智能控制风光互补电源工作状态的程序设计;PC机发送传输数据命令和接收数据的程序设计。风光互补电源运行状态发生异常时,程序应该具有处理异常并发送显示异常信息并报警等功能,这样才能保证电源能够无人值守的条件下长时间稳定运行。
(1)数据异常处理子程序设计
DSP读取A/D转换数据发现异常时,例如蓄电池两端电压过高,首先需要确定异常数据的转换通道,然后查询对应的设备,判断故障状态,调整开关管的占空比,重新读数,如果故障仍存在则把故障信息发送给监控中心,若故障排除了则储存数据等待发送。流程图如图8所示。
                                           
8 数据异常处理流程图
(2)远程数据接收程序设计
使用VB开发了上位机软件[1011]为了实现数据完整接收,PC机监控程序一直循环监测串口数据的状态变化。如果监测到有数据到达,则接收数据并对数据进行分析处理。如果数据正常,则在监控界面中显示并将数据保存至数据库;如果数据异常,将数据标志为异常数据的同时并保存起来,同时报警,并将报警信息以短消息的方式转发给维护人员,以便及时发现并排除故障。PC机监控程序流程如图9所示。PC机与无线通讯模块连接的上位机界面如
1011所示。
(3)上位机运行界面
上位机运行界面如图11所示。
                                         
PC机监控程序流程图
                                           
10 PC机与无线模块连接图
11 上位机运行界面
6结束语
本文设计的智能风光互补电源将远距离采集数据与GPRSWIFI无线数据传输技术相结合,使风光互补电源能够远程智能管理,有广泛的适用范围和较高的使用价值,电源可以应用于无人值守的智能监控等方面。PC机监测软件能够清晰的显示风光互补电源的运行状态与故障报警等,还可以储存电源的历史运行信息,为电源时检修提供参考资料。通过大量实验表明,本文设计的智能风光互补电源能够在无人值守的情况下长时间安全稳定可靠的运行。
作者简介
商庆华(1958-)男现为哈尔滨理工大学教授硕士研究生导师主要从事电力电子技术、现代测控技术的研究。
参考文献
 
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