风光互补综合发电控制系统

毕业设计（论文）
题目：风光互补综合发电控制系统
所属院（系）：电子信息工程学院
2012年6月14日
毕业设计（论文）任务书
学院（直属系）：电子信息工程学院时间：2012 年 4 月 17 日
目录
目录 (I)
摘要............................................................................................................................................... I II 第一章绪论.............................................................................................................................. - 1 -
1.1可再生能源的利用现状及发展.................................................................................. - 1 -
1.2风光互补系统的提出.................................................................................................. - 2 -
1.3风光互补控制系统的研究现状及发展趋势.............................................................. - 2 -
1.4风光互补系统的应用前景.......................................................................................... - 3 -第二章风光互补发电系统的总体设计方案. (6)
2.1 风光互补总体设计方案 (6)
2.2风光互补发电系统的运行特点 (7)
第三章风光互补发电系统的各部分的研究 (8)
3.1 风力发电机 (8)
3.11风力发电机的结构组成 (8)
3.12风力发电机的原理 (10)
3.2太阳能光伏电池的工作原理和特性 (11)
3.21太阳能光伏电池的基本原理 (11)
3.22光伏阵列的工作特性 (12)
3.3升压/降压斩波电路 (13)
3.31升压斩波电路 (13)
3.32降压斩波电路 (14)
3.4蓄电池 (15)
3.5控制器 (16)
3.51控制器的选择 (16)
3.52控制器的系统流程图 (17)
3.6电流/电压传感器 (18)
3.7整流电路 (18)
3.71三相桥式全控整流电路的原理 (19)
3.72 三相桥式全控整流电路在触发角 =0时的一些特点 (19)
3.8开关管MOSFET的电路特性 (20)
3.9 IGBT驱动电路 (20)
第四章plc的介绍及控制器的设计 (22)
4.1 PLC的分类 (22)
4.2 PLC的优点 (23)
4.3西门子S7-200PLC硬件介绍 (24)
4.4 S7-200 PLC的接口模块 (26)
4.41 数字量模块 (26)
4.42 数字量输出模块 (27)
4.43 模拟量输入模块 (28)
4.44 模拟量输出模块 (28)
4.45模拟量输入输出模块（EM235） (28)
4.5 PLC控制器编程的介绍 (28)
4.6控制器的设计 (29)
第五章风光互补综合发电系统的总体原理图 (33)
5.1 风光互补综合发电系统的原理图如下图5.1所示 (33)
5.2 总结.................................................................................................. 错误!未定义书签。

参考文献...................................................................................................... 错误!未定义书签。

致谢.. (35)
摘要
可再生能源的综合利用对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着重要的作用。

利用可再生能源组成独立供电系统，对解决偏远地区的供电问题具有重要意义。

太阳能和风能是目前可再生能源中使用最广泛的两种能源。

太阳能和风能在资源和技术方面都有着很好的互补性，实践证明风光综合供电系统是一种比较经济的发电系统，所以对风光综合发电系统的研究是非常必要的。

以可再生能源的综合利用为指导思想，结合风能、太阳能特点，从风光互补发电系统的结构上认真分析了系统在整个运行过程中能量产生、转换和储备等各个环节的工作方式，归纳并提出了切实可行的运行控制策略，设计开发了风光互补发电控制系统。

本文对风力发电机、蓄电池、太阳能光伏发电和控制器设备做出了理论分析，介绍了系统的总体设计。

关键词：风力发电机光伏阵列综合控制器蓄电池
Abstract：The comprehensive utilization of renewable energy has an important role to sustainable development and environmental protection of our country. Using renewable energy to comprise independent power supply system has vital significance to solve power supply problem of the remote districts. The solar and wind energy can be used widespread in the present renewable energy．They have good complementarity in the resource and technical aspects，the practice proved that wind／solar hybrid generation system is a kind of extremely economical generation system，So it is essential to study the wind／solar hybrid generation system．In this paper, wind generators，batteries，so1ar energy and made a theoretical analysis of control equipment ,introduced the system’s overall design.
Key words：wind generators photovoltaic array controller battery
第一章绪论
人类社会的发展离不开能源的利用。

在21世纪的今天，随着社会科技和经济的高速发展，能源问题作为困扰人类长期稳定发展的因素摆在了人们面前，而且越来越迫切，如何解决能源问题，是每个国家都必须面临的问题，随着不可再生能源如煤、石油、天然气的不断增加的大量消耗，不仅使人类面临资源枯竭的压力，同时也严重威胁着人类的生存环境，可再生能源的开发利用也就越来越显得重要。

随着可再生能源的开发利用，太阳能和风能已经逐渐走入了人类的生活，并且将发挥越来越重要的作用。

1.1可再生能源的利用现状及发展
可再生能源主要指太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等自然能源。

其特点是资源丰富，可再生，可供人类持续利用，不存在资源枯竭的问题。

据有关专家测算，仅太阳能，风能、水能和生物质能在现有的科学技术水平下，全球一年因此获得的资源量即达1033亿(标准煤，下同)，大约是2000年全世界一次能源消费量(143亿)的7．2倍，比2020年需求量(203亿)还要多4倍，预测到2050年左右，可再生能源发电将达到世界总发电量的30%至40％左右，成为人类的基础能源之一。

可再生能源的利用问题，在1992年“世界环境与发展大会"以后，受社会可持续发展要求的推动，进一步被提到了人类发展战略的高度，受到了各个国家的高度重视。

我国政府就环境与发展问题提出了一系列对策措施，其中明确要求“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等新能源”，并在中国21世纪发展议程中强调了发展可再生能源对我国经济持续发展和环境保护的重要作用。

例如，为了给边远无电地区的人民送去光明，我国发展计划委员会牵头制定了“中国光明工程"计划。

计划到2010年，利用风力发电和光伏发电技术解决2300万边远地区人口的用电问题，使他们达到人均拥有发电容量100瓦的水平，相当于届时全国人均拥有发电容量三分之一的水平。

同时还将解决地处边远地区的边防哨所、微波通讯站、公路道班、输油管线维护站、铁路信号站的基本供电问题。

作为可再生能源发展战略的一部分，可再生能源的综合利用对促进我国可再生能源的开发利用及广大边远地区经济的可持续发展有着积极的作用。

1.2风光互补系统的提出
风能和太阳能作为可利用的自然可再生能源，二者在转换过程中都受季节、地理和天气等多种因素的制约。

但是，二者的变化趋势基本相反，扬其两者各自之长，补其各自之短，相互配合利用，因地制宜，能发挥出各自最大的作用。

在以电能为主要的能源消耗方式的当今社会，人们对电的依赖越来越强。

特别是在远离电网的地区，独立供电系统成为人们最需要的动力源。

结合风能、太阳能的特点，综合利用风力发电和太阳能光伏发电技术而建立的风光互补发电系统无疑是解决这一重大问题的最佳方案。

我国是世界上风能和太阳能最丰富的地区之一，特别是西部地区年日照时间达3000小时以上。

太阳能分布最丰富的是青藏高原地区，可与地球上最好的印巴地区相媲美。

全国三分之二以上地区的年日照大于2000小时，年均辐射量约为5900M／m2。

青藏高原、内蒙古、宁夏、新疆等地区光照资源尤为丰富。

我国风能资源的数量也非常巨大，但风能资源的分布却十分不均。

世界上各个机构和国家对地球上风能资源的估计也各不相同。

根据我国气象部门历年气象资料的统计及近年来进一步的勘测，我国可开发的风能资源达2．56亿千瓦。

因此合理的开发利用各种可再生资源具有十分重要的意义。

首先，合理利用各种可再生资源，以当地的各种可再生资源为基础，有利于各地可再生资源因地制宜的开发。

一般来说，由于西北地区的风力资源丰富、光照时间长，采用风能和太阳能混合发电能充分解决部分偏远地区用电的问题。

其次，综合利用各种可再生能源，利用时间差，实现多能互补，提高可再生资源的利用率。

在可利用的可再生资源中，都或多或少的存在一定的时间变化性和随机性，有的可能在一天之内中不能连续使用，有的则可能在一个季度或一年中不能均衡地提供所需能量。

风光互补发电与单独的风力发电或光伏发电相比较，有以下优点：
1)利用风能、太阳能的互补特性，可以获得比较稳定的总电能输出，系统有较高的供电稳定性和可靠性；
2)对混合发电系统进行合理的设计和匹配，可以基本上由风光互补系统供电或基本不用启动备用电源如柴油发电机等，并可获得较好的社会效益和经济效益。

1.3风光互补控制系统的研究现状及发展趋势
世界各国都在积极地研发风光互补发电系统。

目前，尽管世界各国的风光互补发电
总量还不到总耗电量的百分之二，但随着全球风力发电装机容量的快速发展、太阳能电池技术的成熟和完善以及计算机控制器系统的日益成熟，在今后20年，风光互补发电必将成为各国更加重视和重点开发的能源之一。

在众多的可再生能源中，光伏发电及风力发电是最有发展前景的两种能源技术。

这是基于太阳能和风能的五个优点：(1)取之不尽，用之不竭；(2)就地取材，不需运输：(3)分布广泛，分散使用；(4)不污染环境，不破坏生态：(5)周而复始，可以再生。

太刚能是地球上一切能源的来源，太阳照射着地球的每一片土地。

风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态(如沙土地面、植被地面和水面)对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。

1.4风光互补系统的应用前景
(1) 无电农村的生活、生产用电
中国现有9亿人口生活在农村，其中许多地区目前还未能用上电。

但中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。

因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。

采用已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。

另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。

我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使系统的经济性变得非常差。

可再生能源独立运行集中供电系统的出路是经济上的可持续运行，涉及到系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理、电站政府补贴资金来源、数量和分配渠道等等。

但是这种可持续发展模式，对中国在内的所有发展中国家都有深远意义。

(2)半导体室外照明中的应用
世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的12%左右，在全球日趋紧张的能源和环保背景下，它的节能工作日益引起全世界的关注。

基本原理是：太阳能和风能以互补形式通过控制器向蓄电池智能化充电，到晚间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类led室外灯具。

智能化控制器具有无线传感网络通讯功能，可以和后台计算机实现三遥管理(遥测、遥讯、遥控)。

智能化控制器还具有强大的人工智能功能，对整个照明工程实施先进的计算机三遥管理，重点是照明灯具的运行状况巡检及故障和防盗报警。

室外道路照明工程主要包括：
●车行道路照明工程(快速道/主干道/次干道/支路)；
●小区(广义)道路照明工程(小区路灯/庭院灯/草坪灯/地埋灯/壁灯等)。

目前已被开发的新能源新光源室外照明工程有：风光互补智能化路灯、风光互补小区道路照明工程、风光互补景观照明工程、风光互补智能化隧道照明工程、智能化的路灯等。

(3)航标上的应用
我国部分地区的航标已经应用了太阳能发电，特别是灯塔桩，但是也存在着一些问题，最突出的就是在连续天气不良状况下太阳能发电不足，易造成电池过放，灯光熄灭，影响了电池的使用性能或损毁。

冬季和春季太阳能发电不足的问题尤为严重。

天气不良情况下往往是伴随大风，也就是说，太阳能发电不理想的天气状况往往是风能最丰富的时候，针对这种情况，可以用以风力发电为主，光伏发电为辅的风光互补发电系统代替传统的太阳能发电系统。

风光互补发电系统具有环保、无污染、安装使用方便等特点，符合航标能源应用要求。

在太阳能配置满足春夏季能源供应的情况下，不需启动风光互补发电系统；在冬春季或连续天气不良状况、太阳能发电不良情况下，启动风光互补发电系统。

由此可见，风光互补发电系统在航标上的应用具备了季节性和气候性的特点。

事实证明，其应用可行、效果明显。

(4)监控摄像机电源中的应用
目前，高速公路道路摄像机通常是24小时不间断运行，采用传统的市电电源系统，虽然功率不大，但是因为数量多，也会消耗不少电能，采用传统电源系统不利于节能；并且由于摄像机电源的线缆经常被盗，损失大，造成使用维护费用大大增加，加大了高速公路经营单位的运营成本。

应用风光互补发电系统为道路监控摄像机提供电源，不仅节能，并且不需要铺设线缆，减少了被盗了可能，有效防盗。

但是我国有的地区会出现恶劣的天气情况，如连续灰霾天气，日照少，风力达不到起风风力，会出现不能连续供电现象，可以利用原有的市电线路，在太阳能和风能不足时，自动对蓄电池充电，确保系统可以正常工作。

(5)通信基站中的应用
目前国内许多海岛、山区等地远离电网，但由于当地旅游、渔业、航海等行业有通信需要，需要建立通信基站。

这些基站用电负荷都不会很大，若采用市电供电，架杆铺线代价很大，若采用柴油机供电，存在柴油储运成本高，系统维护困难、可靠性不高的
问题。

要解决长期稳定可靠地供电问题，只能依赖当地的自然资源。

而太阳能和风能作为取之不尽的可再生资源，在海岛相当丰富，此外，太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性，海岛风光互补发电系统是可靠性、经济性较好的独立电源系统，适合用于通信基站供电。

由于基站有基站维护人员，系统可配置柴油发电机，以备太阳能与风能发电不足时使用。

这样可以减少系统中太阳电池方阵与风机的容量，从而降低系统成本，同时增加系统的可靠性。

(6)抽水蓄能电站中的应用
风光互补抽水蓄能电站是利用风能和太阳能发电，不经蓄电池而直接带动抽水机实行补丁时抽水蓄能，然后利用储存的水能实现稳定的发电供电。

这种能源开发方式将传统的水能、风能、太阳能等新能源开发相结合，利用三种能源在时空分布上的差异实现期间的互补开发，适用于电网难以覆盖的边远死区，并有利于能源开发中的生态环境保护。

风光互补抽水蓄能电站的开发至少满足以下两个条件：
●三种能源在能量转换过程中应保持能量守恒；
●抽水系统所构成的自循环系统的水量保持平衡。

虽然与水电站相比成本电价略高，但是可以解决有些地区小水电站冬季不能发电的问题，所以采用风光互补抽水蓄能电站的多能互补开发方式具有独特的技术经济优势，可作为某些满足条件地区的能源利用方案。

风光互补发电系统的应用向全社会生动展示了风能、太阳能新能源的应用意义，推动我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设，具有巨大的经济、社会和环保效益。

第二章风光互补发电系统的总体设计方案
2.1 风光互补总体设计方案
风光互补发电系统由风力发电机、太阳光伏阵列、整流电路、斩波电路、传感器、蓄电池、PLC综合控制器组成。

如图2．1所示，其中整流电路和斩波电路实现风能转换为能够使用的电能的过程。

利用风力发电机和光伏阵列发电，将发出的电能存储在蓄电池中，并用PLC控制器控制整个系统的正常运行。

图2.1 风光互补发电系统总体框图
整个系统的组成分为：
（1）风力发电机：风力发电中所用的同步发电机绝大部分是三相同步电机，因为三相电机比起相同额定功率的单相电机，一般体积较小、效率较高、价钱便宜。

交流永磁电机的定子结构与一般同步电机相同，转子采用永磁结构。

由于没有励磁绕组，不消耗励磁功率，因而有较高的效率。

永磁电机转子结构的具体形式很多，按磁路结构的磁化方向，基本上可分为径向式、切向式和轴向式三种类。

（2）光伏组件方阵：由太阳电池组件(也称光伏电池组件)按照系统需求串、并联而成。

在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏发电系统的核心部件。

（3）蓄电池：将太阳能电池组件和风力发电机产生的电能储存起来。

蓄电池通常是指铅酸蓄电池，它是电池中的一种，属于二次电池。

它的工作原理：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出。

（4）控制器：它对蓄电池的充电条件加以规定和控制，并按照风力的大小和太阳的强度，合理利用资源，并及时切换开光保证充电顺利进行。

控制器在整个系统中作用至关重要。

由于风能和太阳能具有随机性和不稳定性，所以能量的控制相当重要。

（5）整流电路：把风力发电机产生的交流电变成直流电，输入到蓄电池中。

本设计中用的是三相桥式全控整流电路，这种整流电路也是应用最广的。

（6）升/降压斩波电路：把电路中的输电电压升高/降低到符合要求的值，起到调节电压的作用。

（7）卸荷电路：当风力过大时或者太阳强度过高时，为了保护电路正常运行而启动的卸荷作用的电路。

系统发电量大于蓄电池所需电量时，或者蓄电池已经充满电的情况下，即发电量过剩，为了防止蓄电池出现过充，以及确保其他部件的正常工作，系统将接通卸荷器，将多余的电能消耗掉。

（8）电流/电压传感器器：用于检测电压（电流）的大小，能感受被测电压（电流）并转换成可用输出信号的器件。

2.2风光互补发电系统的运行特点
对于独立运行的小型风力发电系统，它的工作情况主要由风速、阳光照射强度、蓄电池状态所决定的。

整个系统的工作状态由以下几种工作状态构成，如表2.2所示，系统就在这几种工作状态下不断的切换。

表2.2 整个系统的工作状态
第三章风光互补发电系统的各部分的研究
3.1 风力发电机
3.11风力发电机的结构组成
机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。

维护人员可以通过风力发电机进入机舱，机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。

转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。

现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。

轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。

低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。

在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。

轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。

齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。

高速轴及其机械闸，高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。

它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。

发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。

在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。

偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。

偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。

图中显示了风力发电机偏航。

通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。

电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。

为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。

液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。

冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。

此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。

一些风力发电机具有水冷发电机。

塔：风力发电机塔载有机舱及转子。

通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。

现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。

它可以为管状的塔，也可以是格子
状的塔。

管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。

格状的塔的优点在于它比较便宜。

风速计及风向标：用于测量风速及风向。

3.12风力发电机的分类
(1)根据风力发电机旋转轴的区别，风力发电机可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

①水平轴风力发电机：旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。

如下图3.1所示
图3.1水平轴风力机
②垂直轴风力发电机：如图3.2所示，旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。

垂直轴风力发电机目前占市场主流的是水平轴风力发电机，平时说的风力发电机通常也是指水平轴风力发电机。

垂直轴风力发电机虽然最早被人类利用，但是用来发电还是近10多年的事。

与传统的水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有不用对风向，转速低，无噪音等优点，但同时也存在起动风速高，结构复杂等缺点，这都制约了垂直轴风力发电机的应用。

上海风力发电设备有限公司是一家创新型风电科技公司，从2005年起开始进入上海，对垂直轴风力发电机包括从空气动力学，到材料、结构、发电机等多方面进行系统研发，现已在垂直轴风力发电机这一世界级难题的项目中取得突破。

a) b) c)
图3.2 垂直轴风力机常见结构
(2)根据定桨矩失速型风机和变速恒频变桨矩风机的特点,国内目前装机的电机一般分为二类:
1、异步型
（1）笼型异步发电机；功率为750Kw、800kW、1250kW定子向电网输送不同功率的50Hz交流。

（2）绕线式双馈发电机；功率为1500kW定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器制，向电网间接输送有功或无功功率。

2、同步型
（1）永磁同步发电机；功率为750kW 、12000W、1500kW 由永磁体产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。

（2）电励磁同步发电机；由外接到转子上的直流电流产磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电流。

3.13风力发电机的原理
风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量)，通过主轴传动链,经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后,通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网.如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态,通过变流器向电网馈电。

最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成,立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机.。

最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无,电压和频率不稳定,没有。