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小型风电系统充放电控制器的设计

作者:德国赌场 发布时间:2020-10-26 22:47 点击数:

  收稿日期:2017 -08 -18基金项目:陕西省教育厅专项研究项目(16JK1690)作者简介:王玲芝(1981),女,河南叶县人,博士,讲师,研究方向为电气工程及自动化。小型风电系统充放电控制器的设计王玲芝(西安邮电大学 自动化学院,西安 710121) 摘要:该设计采用 STC89C52 单片机作为控制器的核心,为了实现对蓄电池电压的采集和显示,系统硬件电路设计主要包含了单片机控制电路、充放电电路,电压采集和显示电路以及 PL2302串口通信电路。 通过软件设计使单片机输出 PWM 控制信号,控制蓄电池充放电。 此外,加入了具有隔离作用的光电耦合器驱动电路,在一定程...

  收稿日期:2017 -08 -18基金项目:陕西省教育厅专项研究项目(16JK1690)作者简介:王玲芝(1981),女,河南叶县人,博士,讲师,研究方向为电气工程及自动化。小型风电系统充放电控制器的设计王玲芝(西安邮电大学 自动化学院,西安 710121) 摘要:该设计采用 STC89C52 单片机作为控制器的核心,为了实现对蓄电池电压的采集和显示,系统硬件电路设计主要包含了单片机控制电路、充放电电路,电压采集和显示电路以及 PL2302串口通信电路。 通过软件设计使单片机输出 PWM 控制信号,控制蓄电池充放电。 此外,加入了具有隔离作用的光电耦合器驱动电路,在一定程度上实现了对蓄电池的保护,同时减少过充、过放、反接带来的影响。 实验调试结果说明该控制器能够达到预期目标,可靠性高。关键词:充放电控制器;小型风电系统;STC89C52 单片机;PWM中图分类号:TM6 文献标识码:A 文章编号:1000 -0682(2017)05 -0071 -04Design of charge and discharge controller for small wind power systemsWANG Lingzhi(Automation School, Xian University of Posts and Telecommunications, Xian 710121, China) Abstract: This design uses STC89C52 single chip microcomputer as the core controller, in order toachieve acquisition and display of the battery voltage, hardware circuit design of the system mainly in-cludes the single chip microcomputer control circuit, charge - discharge circuit, voltage acquisition anddisplay circuit and PL2302 serial communication circuit. Through software design, the single - chip mi-crocomputer output PWM control signal to control the battery charge and discharge. Besides, a photoelec-tric coupler drive circuit with isolation function is joined, protecting the battery to a certain extent, mean-while reducing the influence resulted by excessive charge, over discharge and reverse the impact. The ex-perimental results show that the performance of the controller can realize the desired goal and has high re-liability. Key words:charge - discharge controller; small wind power systems; STC89C52 single chip; PWM0 引言随着工业的日渐发展和社会科技水平的进步,能源问题日益严峻,常规能源已经不能满足日新月异的科技发展,如今化石能源逐渐枯竭,二氧化碳排放造成的温室效应日趋明显,新能源的应运而生是顺应时代潮流的必然发展。 风能、太阳能等清洁能源很快进入了人们的视线。 风能作为一种可再生资源,它的优点是自然存储量大、清洁无污染。 这些可再生能源可以延缓能源危机,保护环境,因此风力发电发展迅速。近年来,我国风电产业发展迅速,目前我国已经在世界风电行业处于较为领先的水平。 2012 年,我国风电并网总量达到 6083 万 kW,发电量达到 1004亿 kWh,风电已超过核电成为继煤电和水电之后的第三大主力电源。 由于我国的地理环境等因素,在许多边远地区,电力短缺还部分存在,而由此造成经济、文化与教育的落后对国民经济的统一发展不利。鉴于此,在一些风力资源丰富、地势却比较偏僻的区域,可以大力推广小型风电系统,这样不仅可以提高人民生活水平,而且能够节约能源,发展经济。 可以预见,大规模发展风电技术势在必行。目前的风电控制器仍然存在一些问题,比如电压变化、反复波动、较多的动作次数等,这些因素对蓄电池的寿命都会有一定影响。 该设计主要基于STC89C52 单片机的控制原理,配合相关充放电电 1 7 2017 年第 5 期 工业仪表与自动化装置万方数据 路、显示电路等实现对蓄电池、负载的控制,可以有效解决有关电压变化、反复波动带来的影响,保护蓄电池,延长其使用寿命。1 小型风电系统充放电控制器原理风力发电是一个综合性课题,它不仅包含电化学、机电、自动控制等传统控制学科,还包含了计算机、气象、空气动力学等相关学科。 风力发电的工作原理是利用风力机捕捉风的动能,将其转化为旋转动能,然后驱动发电机发电,其核心技术包括风力机材料、机械传动、旋转电机以及变流技术。 小型风力发电机要将风力发电机组发出的电能用储能设备(如蓄电池)储存起来,等到需要时再提供给负载供电;大型风力发电机组发出的电能可以直接并到电网上,向电网输出电能。 风能发电系统在工作过程中保持蓄电池没有过充电,也没有过放电,这样可以提高效率,延长蓄电池的寿命。 因此必须对工作过程加以研究分析而予以控制,这种情况下风能充放电控制器也就出现了。 小型风电系统基本结构如图1 所示,主要基于单片机的控制原理,配合相关充放电电路、显示电路等实现对蓄电池、负载的控制,其实现的主要功能如下:规定电气、机械特性的标准允许的运行区间,并在此范围内确保风机的安全运行,当风机电压高于蓄电池电压时开启充电,当低于蓄电池规定的特定电压时则无法启动充电。当蓄电池电压低于 10. 8 V 时,充电电路被开启,欠压指示灯亮,负载指示灯不亮,同时蜂鸣器开始报警。当蓄电池电压在 10. 8 ~13. 5 V 之间属于正常范围,充电指示灯亮,正常电压指示灯亮,且负载指示灯亮。当蓄电池电压高于 13. 5 V,自动关断充电电路,过压指示灯亮,向负载放电,负载指示灯亮,同时蜂鸣器开始报警。当蓄电池反接时,蜂鸣器报警,可以保证不会损坏控制器。图 1 小型风电系统基本结构 2 控制器方案设计系统基本结构如图 2 所示。 系统通过风机提供电能,控制器控制负载和蓄电池,风机向蓄电池充电,由蓄电池向负载供电。 系统由风机、蓄电池、充放电控制器、负载电路几部分构成。图 2 系统基本结构 图 2 中,风机将风能转换为电能并将电能存储到蓄电池中,蓄电池再将存储的电能输出用于负载电机供电,完成能量的传递。 系统各个部分的控制功能全由控制器来完成。1)风力发电机风力发电机俗称风车,它是一种动力机械,功能是将风能转化为机械能,通过对风力的运用,可以使叶片旋转,再经过增速机,提升转速,来进一步使发电机发电。2) 蓄电池风电系统充放电控制器最主要的功能是控制风机产生的电能对蓄电池的充放电,蓄电池的性能对整个系统起着举足轻重的作用。 作为储能器件的蓄电池,在风力发电系统中,铅酸蓄电池最为常见,此外还有碱性蓄电池。 该文采用铅酸蓄电池,铅酸电池释放化学能和补充化学能的过程是都是氧化还原反应。3)控制器风能发电机的发电情况受环境因素制约,所以需要将风能转变为电能后存储到蓄电池中,此时就需要性能良好的控制器来控制风能发电机和蓄电池的作用关系。 控制器控制着负载和蓄电池,在蓄电池电压低的情况下,控制器控制风机向蓄电池充电;当电压足够时,向负载放电,保证负载的稳定运行,同时保护蓄电池不会过充和过放。结合小型风电系统在当今科技领域的应用,设计出能够合理调节风电系统充放电的控制器。2. 1 充放电控制策略针对蓄电池的工作原理及对影响蓄电池使用寿命因素的分析,结合工程中蓄电池控制器存在的问题对蓄电池的寿命及使用情况造成的影响,该文采用脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)充电方法。 PWM 是一种对模拟电路进行控制非常有效的技术,主要是利用微处理器的数字输出来对模拟电 2 7 工业仪表与自动化装置 2017 年第 5 期万方数据 路进行控制,应用于测量、通信等许多领域。 这种充电方法是蓄电池充电理论的进一步发展。图 3 输出电压波形 PWM 脉冲调制充电方式是间断式充电方法,首先让电池充电,再让电池停止充电,然后循环此过程。 蓄电池被充电脉冲驱使从而充满电量,而间歇期使蓄电池产生的氧气和氢气可以重新化合而被吸收掉,这样使蓄电池的内压下降,新一轮的充电能够顺利进行,更多的电量可以被蓄电池吸收。 而脉宽调制方式就是在一定时钟频率下,调节开关的通断时间来控制信号的占空比,达到对输出电压的改变和调整。 其输出电压波形如图 3 所示。 PWM 控制充放电的控制器可以解决目前市场上蓄电池过充和过放的问题,并且在设计中加入了检测电压的功能,可以有效延长蓄电池寿命,使控制器的作用更加显见。2. 2 系统结构系统的整体设计结构框图如图 4 所示。 系统以STC89C52 单片机为主控制芯片,利用分压电路对蓄电池的电压进行采样,然后经过 A/ D 转换将检测到的电 压 数 据 输 入 到 单 片 机 中 进 行 处 理, 通 过LCD1602 液晶芯片把电压值显示出来方便观察和调整。 PWM 控制信号由单片机在软件程序的控制下输出,用光电耦合器来驱动 MOSFET 管开启与关闭控制充放电电路。 该系统可以解决市场上控制器所出现的问题,实现控制蓄电池的最优充放电,有效的延长蓄电池的寿命。图 4 系统结构框图2. 3 控制器硬件电路设计硬件电路包括单片机最小系统、A/ D 转换电路、LCD 显示电路、充放电电路、光耦驱动电路、E 2 PROM 数据存储电路、PL2302 串口电路等,系统原理图如图 5 所示。图 5 系统原理图 AD 采集到蓄电池电压后将模拟信号转换为数字信号送入单片机中,单片机将信号送入 LCD 中显示出来,并且将上一个显示的数据存入 AT24C02中。 在软件程序的控制下,单片机输出控制信号送到充放电电路模块中,经光耦驱动电路来控制 MOS-FET 管的开关,实现开关功能,从而达到控制充放电的目的。STC89C52 单片机是一款功能强大的微型控制芯片,它是一款具有 CMOS 8 位的微型控制器。 它具有较小的能耗以及强大的性能指标,配备 8K 在系统可编程 Flash 存储器,在控制系统领域,可提供多种可行解决方案。 该设计在单片机最小系统的基础上扩展了相关电路,包括时钟电路、工作状态指示灯电路和蜂鸣器报警电路等。 为了使系统更加可靠稳定,设计中采用了光耦实现单片机控制电路和充放电电路的隔离。2. 4 软件设计软件程序采用 C 语言完成。 系统软件完成的 3 7 2017 年第 5 期 工业仪表与自动化装置万方数据 功能如下:电压采集转换、PWM 脉冲充放电控制、实时 LCD 显示、欠压过压指示灯显示、负载转动以及异常报警等。 程序的模块化编写主要有以下几个模块:系统主程序模块、电压采集 AD 转换模块、LCD显示模块和 E 2 PROM 数据存储模块。 图 6 所示为系统主程序的流程图。图 6 系统主程序流程图 系统主程序是整个电压测控系统中最重要的程序,是一个顺序执行的循环程序。 在测控子程序中进行蓄电池电压的采集、转换显示和异常数据的存储。 系统应用主程序采用模块化结构,完成初始化以后,按顺序调用各个模块的子程序,通过系统自动检测和控制指令以实现数据处理和电路控制,这样就可以高效合理地控制蓄电池充放电。3 调试结果3. 1 软件调试结果所建立的系统共有 3 种状态:过充(过压)、正常、欠充(欠压)。 通过软件程序对各模块功能的实现,使单片机控制的各部分硬件电路工作,AD 采集到蓄电池电压,LCD1602 会显示出来,同时电压所处范围内相应的指示灯被点亮,表示系统处于过充、过放或者正常某一种状态。 若处于非正常状态,蜂鸣器也会报警提醒。3. 2 硬件调试结果工作在不同状态的硬件电路的调试结果如下:1)图 7 为控制器的正常状态,此时显示屏显示蓄电池电压为 11. 3 V。 正常状态指示灯亮,充电指示灯亮表示电压源(模拟风机电压)正在向蓄电池充电,负载指示灯亮表示此时蓄电池正在向负载放电。图 7 正常情况调试结果图 2)图 8 为控制器的欠压状态,此时显示屏显示蓄电池电压为 8. 8 V。 欠压状态指示灯亮,蜂鸣器响,充电指示灯亮表示电压源(模拟风机电压)正在向蓄电池充电,负载指示灯灭表示蓄电池此时并没有向负载放电。图 8 欠压情况调试结果图 3)图 9 为控制器的过压状态,此时显示屏显示蓄电池电压为 14. 9 V。 过压状态指示灯亮,蜂鸣器响,充电指示灯灭表示此时电压源(模拟风机电压)已不再向蓄电池充电,负载指示灯亮表示此时蓄电池正在向负载放电。图 9 过压情况下调试结果图(下转第 90 页) 4 7 工业仪表与自动化装置 2017 年第 5 期万方数据 从表 1 中可以看出 CC2520 的发射功率在一定的发送范围内可以动态调整。 动态调整发射功率的机制设计如下:1)增加每条路由请求 RREQ 和 RREP 额外的当前节点的经纬度,分别记录在 current_Longtitude和 current_Latitude,与此同时增加路由表每个项的下一跳的经纬度,分别用 next_Longitude 和 next_Lat-itude,这些经纬度信息由 GPS 模块提供。 在每个数据包发送和接收的同时更新每个路由表项的经纬度信息。2)节点转发数据包之前需要查找路由表,并根据当前节点的位置和目的节点的位置计算 2 个节点之间的距离,然后根据 CC2520 的功率表选择合适的发射功率 P t 。3)实验使用的信息传播模型为 Two - Ray -Ground 模型 [8] ,定义如下 3 个公式:CrossOverDistance =4h r h t(1)P r =P t G t G r 2(4d) 2 L(d GrossOverDistance)(2)P r =P t G t G r (h t 2 h r 2 )d 4 L(d GrossOverDistance) (3)其中:P r 表示节点的接收功率, 为发射信号的波长,d 表示 2 个节点之间的距离。3 结束语该文提出基于 GPS 模块提供的位置信息对 Zig-Bee 路由算法进行改进,通过 GPS 设备获取节点的位置信息,在路由的洪泛广播中加入传感器的位置信息,根据节点之间的距离,动态调整节点发送广播信号的功率,避免使用最大功率发射,降低能耗,信号也更安全。参考文献:[1] 穆嘉松,刘开华,史伟光. ZigBee 网络中基于节点移动性的路由选择策略[J]. 天津大学学报,2012,45(4):301 -308.[2] 洪利,黄庭培,邹卫霞,等. 基于链路可用性预测的 AODV路由协议研究[J]. 通信学报,2008,29(7):118 -123.[3] 吴全玉,孙怡宁. 井下无线传感器网络 AODV 和 DSDV协议的仿真对比[J]. 传感技术学报,2009,22(10):1515 -1518.[4] 郭咏梅,倪富健. 基于 DSR 的改性沥青及混合料动态黏弹性能[J]. 东南大学学报(自然科学版),2014(2):386 -390.[5] 李之棠,余万能,刘刚,等. DPFSL:P2P 网络的递减概率洪泛算法[J]. 通信学报,2006,27(z1):246 -250.[6] 沈悦,郭龙江,李金宝. 移动传感网中基于密度和距离的概率广播算法[J]. 计算机研究与发展,2014,51(1): 151 -160.[7] 何娜,黄智伟. 基于 CC2520 的 ZigBee/ IEEE. 802. 15. 4 的收发器电路[J]. 工业控制计算机,2009,22(3):96 -97.[8] 沈笑云,曹博,张思远,等. 开阔区域 ADS -B 地面站信号覆盖仿真分析[J]. 计算机仿线.■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■(上接第 74 页)4 结论该设计以 STC89C52 为主控芯片,结合 AD 采样、液晶显示、数据存储等方面,同时提出用 PWM来控制充电,防止蓄电池过充,具有一定的创新性。该文设计出的充放电控制器可以充分保护蓄电池,延长蓄电池寿命,同时防止风电输出的不稳定电压对负载的损害,实现了高效合理的控制效果,达到预期目标。参考文献:[1] C Viveiros, R Melcio, J Igreja, et al. Performance as-sessment of a wind energy conversion system using a hier-archical controller structure[J]. Energy Conversion andManagement,2015,93:40 -48.[2] JM Lujano -Rojas, R Dufo -Lpez, JL Bernal -Agustn.Technical and economic effects of charge controller opera-tion and coulombic efficiency on stand - alone hybridpower systems[J]. Energy Conversion and Management,2014,86(86):709 -716.[3] 李钧. 小型风电系统蓄电池组充放电控制器的设计及仿真研究[J]. 中山大学研究生学刊, 2009(3):90 -99.[4] 杨金焕. 太阳能光伏发电应用技术[M]. 北京:电子工业出版社, 2009.[5] 周志敏,纪爱华. 太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M]. 北京:电子工业出版社, 2010.[6] 高云. 太阳能充电控制器研究[D]. 北京:北京交通大学, 2009. 0 9 工业仪表与自动化装置 2017 年第 5 期万方数据


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