基于单片机的风光互补发电控制系统设计毕业设计开题报告.docx

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毕业设计开题报告

设计题目:

基于单片机的风光互补发电控制系统设计

院系名称:

机电工程学院

专业班级:

能源工程及其自动化

学生姓名:

李学彬

导师姓名:

国绍文

开题时间:

2016年3月日

指导委员会审查意见：

签字：

年月日

1课题研究目的和意义（黑体小二）

正文（宋体小四）

能源与环境成为当今世界所面临的两大重要课题。

人类正在努力寻求清洁，高效，可以再生的能源来代替对石油，煤炭等常规能源的依赖。

太阳能，风能是洁净资源，对环境不产生污染。

所以，开发利用再生能源成为本世纪能源发展战略的基本选择。

小型风光互补发电系统就是利用自然能源，解决位于远离电网的地方（草原、边防海岛、山区、牧区等）没有比较稳定电源的问题。

风光互补发电控制系统是为了弥补传统电力的不足而设计的独立发电设备。

它是由太阳能电池组件与风力发电机配合而成的一个系统，通过微型计算机的远程控制，基本实现了免维护。

因为系统中设有单片机工作状态检测、数模转换结果正确与否监测、继电器是否按指令要求动作检测，并对所有检测结果都设有错误报警显示。

系统中的一切设施可以保证蓄电池安全的工作，既不会过充也不会过放。

系统设置中软硬件结合，既发挥了硬件运算快的优点，又利用了软件使用方便的优势。

2文献综述（课题研究现状及分析）（黑体小二）

2.1风光互补发电系统现状及发展状况

最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。

近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。

通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。

在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：

一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。

据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有：

西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。

2.2风光互补发电系统的应用前景（分析）

2.2.1偏远农村的生活生产用电

中国目前的农村人口数目众多。

但偏远农村若靠电网供电，则需架设很长的输电线路，其经济性很差．很不现实。

而在这些地方其风能和太阳能蕴藏量十分丰富。

若采用太阳能，风能这些可再生能源进行发电。

则可基本满足偏远农村的生活及照明用电。

利用风光互补发电系统可以有效的解决用电问题。

2.2.2路灯照明系统

风光互补路灯不需要输电线路。

不消耗电网电能，一次性投入与常规路灯大体相当的建设经费后即可一劳永逸地利用取之不尽用之不竭的风能与太阳能提供稳定可靠的能源。

与单纯由太阳能供电的路灯相比。

风光互补路灯也有着显著优点：

（1）风能的充分利用不单大大提高了能量转换率。

还显著降低了太阳能系统设备的成本。

使其在长期阴雨天气下仍能持续工作，提高了供电系统稳定性；

（2）能量效率的提高使得风光互补路灯在光源配置上更灵活。

2.2.3通信基站中的应用

移动通信、微波、广播和电视转发，还是卫星通信。

都各自在全国建立了一定数量的通信基站。

如今通信基站的建设已从最初期的城市内建设向城镇乡村发展．在未来的几年。

还将更多地向不发达的西部地区、偏远山区发展。

这些基站负荷比较小，若采用市电供电，架设输电线路代价很大。

而采用风光互补发电系统可以很好的解决问题。

可使用清洁能源自给自足。

在十分重要的基站，则可以配备备用的柴油发电机，形成风光柴油混合发电系统，提高供电的可靠性保证。

2.1******（黑体四号）

2.1.1*****（黑体小四）

正文（宋体小四）

3设计基本内容、拟解决的主要问题（黑体小二）

3.1***机结构组成及工作原理（控制题目：

控制系统构成及工作原理）

要求：

绘出工作原理图或组成框图（控制题目：

控制系统方框图）

由图一看,整个风光互补发电控制系统由集成装置、监控系统、逆变器、蓄电池和负载等主要部分组成.

从能量角度看，整个风光互补智能系统由能量产生、存储、消耗环节三部分组成。

风力发电和太阳能发电部分属于能量产生环节，分别将具有不确定性的风能、太阳能转化为稳定的能源；为了最大可能的消除由于天气等因素引起的能量供应与需求之间的不平衡，引入蓄电池来调节和平衡能量匹配，系统中的蓄电池来承担能量的储存；能量消耗是指各种用电负载，有直流负载和交流负载两类。

工作电压匹配的直流负载可以直接接入电路，交流负载连入电路时需要配备逆变器。

这套独立运行的风光互补发电系统由风力发电机、太阳能电池阵列、智能控制器、蓄电池和负载等组成。

风力发电机输出交流电，经整流后变成直流电，它与太阳能阵列输出的直流电经控制器的控制，对蓄电池进行充电。

控制器除了控制风力发电机和太阳能电池阵列对蓄电池的三段式充电外，还包括实现对蓄电池向负载放电的管理，与系统运行时的参数的采集与通信功能。

3.2设计基本内容

集成装置由垂直轴风机、视日双轴跟踪机构和连接单元三部分组成.在集成装置中，风力发电机选择使用迎风调节机构的垂直轴风机，可以接受360度方位中任何方向来风，较水平轴风机能够更好地适应.外界风向及风速变化快的特点，且运行时的噪音.太阳能电池板在视日双轴跟踪机构的驱动下，实时跟踪太阳高度角和方位角的变化，使电池板受光面自动正对太阳光。

选为较为常用的H型垂直轴风机，由风机主转动转轴、3～5个叶片及若干水平连接杆组成，结构简单，便于在其叶片的旋转运动外围安装支撑框架（上下各为圆形平板，平板外缘用若干垂直的中空细管支撑并连接成类似笼形框架）。

这种框架结构不仅能够使垂直轴风机的安装更加稳固，提高抗风能力，而且具有避免因人员误入而造成伤害事故的防范功能，更为重要的是，利用其顶部空间，还能够集成安装太阳能电池板，在保证风能与太阳能发电互不干扰的前提下，很好地实现风光互补发电装置的紧密结合与减少占地空间的设计目标。

位于集成装置顶部的视日双轴跟踪机构采用两台直流电机及相应的机械传动装置，通过分别驱动太阳能电池板的高度角转轴和方位角转轴来实现视日跟踪功能.

监控系统是风光互补发电系统的核心控制部分。

由集成装置控制系统、环境监测系统和发电运行控制系统三个节点组成.，均采用8位单片机进行控制。

其中，集成装置控制系统完成所有运动机构的控制，尤其是视日双轴跟踪、风机的启动与刹车和机械传动的切换等。

环境监铡系统负责采集与风光互补发电过程密切相关的各种外界环境参数，为集成装置控制系统以及发电运行控制系统的正常工作提供依据。

发电运行控制系统根据光照的强弱、风力的大小以及负载的变化不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节，使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行，防止蓄电池过充电和过放电，同时实现风能和太阳能最大功率点跟踪，保证风光互补发电系统工作的连续性、稳定性和高效性。

3.3拟解决的主要问题

（1）设计了一套模块化的风光互补智能控制系统。

提出了一种模块化的体系结构，将整个系统分为发电控制模块、蓄电池的充放电控制模块、系统管理模块。

用户根据应用需求，可以选用模块组件构成实用系统，具有很好的扩展性。

在硬件模块化设计的基础上，通过设计一套智能管理系统，实现了模块间的兼容性；在软件实现上，利用单片机编程实现多种功能来代替部分硬件电路，使得系统具有可修改，易于管理与升级，提高了的稳定性与性价比。

（2）通过对光伏系统的最大功率点跟踪问题进行分析，提出了一种最大效率跟踪策略。

根据负载的等效电阻不变，推出太阳能电池的功率与工作电压的关系，基于该关系对传统的扰动观测法进行了改进，提出一种基于太阳能输出电压的最大功率点跟踪算法。

该算法结构简洁，计算量小，成本低，并具有适应天气变化较快场合的功能。

（3）根据蓄电池的三段式充电要求，设计了一套具有智能控制和智能保护功能的充放电控制的电路。

通过采用模块化设计与智能管理，增强了风光互补智能系统的可扩展性与可靠性，有效地延长了蓄电池的使用寿命。

（4）详细分析了开关电源的各个环节，将反馈控制与电源设计相结合，提出了一种利用TL431制作精准开关电源补偿电路的方法。

将该方法应用在实际的电路设计中，验证了方法的有效性。

（5）根据要求，设计了风光互补系统主控制部分的硬件电路设计和相关软件。

其主控制器（MCU）采用微芯公司的8位单片机AT89S52。

外围电路包括驱动放大电路和母线电压检测、母线电流检测、蓄电池温度检测等检测电路。

正文（宋体小四）

4技术路线或研究方法（黑体小二）

论文本着风能、太阳能综合利用的思想,从风光互补发电的目标入手,以典型的风光互补发电系统的结构为对象认真分析系统在整个运行过程中的能量生产、转换、储备和消费环节的工作状态,对系统的运行控制方式及方法进行剖析,归纳总结出切实可行的控制策略。

最后,通过系统地分析和比较研究,结合微计算机控制技术开发研制了为风光互补发电提供可靠运行保障的控制系统.

正文（宋体小四）

5设计进度安排（黑体小二）

2015年12月16日-12月31日：

查找和阅读参考资料，熟悉课题，撰写开题报告。

2016年2月29日-3月10日：

系统总体技术方案设计与优化。

2016年3月11日-3月31日：

绘制各系统总图,以及外围电路包括驱动放大电路和母线电压检测、母线电流检测、蓄电池温度检测等检测电路。

2016年4月1日-5月10日：

C51语言程序学习及编程,模拟仿真及撰写设计说明书。

2016年5月11日-5月20日：

图纸和说明书提交导师审核，修改图纸和设计说明书。

2016年5月21日-5月31日：

进行毕业设计答辩相关准备工作。

正文（宋体小四）

6主要参考文献（黑体小二）

[1]王健;娄承芝风光互补发电数据采集管理系统研究计算机测量与控制2007-09-25

[2]杨鹏;史旺旺基于单片机的船用风光互补发电系统控制器的设计工业控制计算机2009-05-25

[3]KalyanmoyDeb，AmritPratap，SanlerAgarwa1．Afastmulti-objectivegeneticalgorithms：

NSGA—II[J]．IEEETransactiononEvolutionaryComputation，2002，6

（2）:

1053-1068.

[4]HartleyLE，Martinez-LozanoJA，UllaMP，eta．Theoptimizationofinclinationofasolarcollectortomaximizetheincidentsolarradiationl[J]．RenewableEnergy1999，17-31.

[6]MarionWmiam，UrbanKen．User’smanualforY2s[R]．NationalRene