风光互补LED路灯控制系统的设计
第II页 武汉科技大学硕士学位论文 Abstract With the development of science and technology, the demand for energy has become a very important social issue. Human research on many renewable energy, especially wind and solar power. Solar and wind power has a very good complementary characteristics and therefore Small scale Wind and Solar complementary electricity generating system can be used in part of the region far from the grid. LED lighting technology developed rapidly in recent years, LED lighting has been used more widely. Research on LED lights based on wind and solar power have great significance to energy saving and urban lighting This project designed a wind and solar led street light control based on dSP. In hardware design, TMS320F2812 is the MCU of this control system, we design system data acquisition module, the PWM signal driver modules, auxiliary power module of the control systems, LED lighting driver circuit and the system clock module. In control methods, according to the characteristics of both wind power and photovoltaic power system, wind power system used with Variable Step Maximum Power Point Tracking control method, the PV system using perturbation and observation method based on the hysteresis with a constant voltage tracking of control methods. Control of battery charging is used segmented charge. This paper first introduces the basis for wind and solar power generation, control methods and strategies for wind and solar power generation maximum power point tracking; And then describe the hardware for signal collection, PWM-driven, auxiliary power LED street lamp controller and software design processes; Finally, make a summary of the controller design, while the proposed improvements are recommended in the next work. Key Words: Hybrid of PV/wind Power System; Maximum Power Point Tracking; DSP; LED Street lamp 武汉科技大学硕士学位论文 第1页 第一章绪论 11研究背景与意义 现阶段,人们主要使用的能源都是煤、石油、天然气等化石燃料以及少量的核能,随 着现代人口的快速增长,以及人们对高质量生活的追求,化石能源的消耗量在进一步增加。 由此可见,化石能源在不久的将来会被人类开采殆尽。 如今,对化石能源的争夺甚至引起了战争,而在化石能源的使用中,也产生大量的二 氧化碳等气体。化石能源燃烧后的产物不仅污染了大气,影响人类的健康,最重要的是其 中的二氧化碳,阻碍了地球与外太空的辐射性热能交换,导致了气候变暖即温室效应。如 今温室效应对全球气候产生了较大的影响,极端气候的出现,海平面上升,部分物种的灭 绝等。当前关于节能减排的问题已经成为一个国际性的大问题,因此,新的绿色能源的开 发是全人类面临的重要课题。 在可再生能源研究中光能和风能是最受关注的几种中的两种。太阳能是太阳内部连续 发生核聚变反应释放的能量,任意时刻到达地球的太阳能都需要消耗大量的化石能源才能 产生与之相当的效果2。太阳能取之不尽用之不竭,基本没有什么污染,而且无处不在不 需要长距离的运输,太阳能将会成为主要的能源之一,有着广泛的应用前景。风能发电 与煤电、油电和核电相比具有最低的成本,而且在很多地方都有较好的风力资源,风能的 利用也有着广泛的前景4。而将风能和太阳能发电综合起来,组成风光互补发电系统,具 有更广泛的应用价值,一般晴天的时候,阳光充足,可以使用太阳能提供能源,当阴天雨 天的时候,风力资源比较丰富,此时可以采用风能作为能量输出。因此风能和太阳能相结 合能够很好的弥补单个应用的不足1。 路灯是城市生活中必不可少的公共设施,随着城市的发展,路灯耗能也随之增长,路 灯节能问题已经成为一个重要的研究课题。随着LED照明技术的成熟,越来越多的照明 设备选用LED作为光源,与以前的日光灯,白炽灯等相比,LED具有工作电压低,能效高, 使用寿命长等优点。因此在设计风光互补发电路灯系统时采用LED作为光源。 风光互补LED路灯将风光互补发点与LED照明相结合,用于城市路灯设计中,具有很 好的实际意义。首先采用风光互补发电系统为路灯供电,可以不需要专门从电网中获取电 能,可以缓解紧张的城市用电压力;其次,不需要铺设冗长的电缆,节省大量的开支和维 护费用。小型的风光互补发电系统发出的电能直接使用蓄电池进行存储,给LED提供直流 电源,不需要进行专门的电能转换,而且LED作为光源相比以前的光源具有更长的使用寿 命。而且在相对偏远的郊区也可以采用这种路,不仅能够节能,同时给郊区的夜晚带来光 明。所以风光互补工ED路灯符合现阶段国家提倡的节能减排的概念,具有良好的实际研究 意义。 12风光互补发电的国内外研究现状 第2页 武汉科技大学硕士学位论文 随着能源危机的来临,各国政府都开始鼓励对新能源进行研究,风力发电和光伏发电 技术取得了巨大的进步。 121风力发电研究现状 近代风力发电技术始于上世纪八十年代北欧国家的研究,后来逐渐推广到全世界。欧 洲国家在风力发电领域的研究和应用上有先进的技术和丰富的经验。由于在改善生态环 境,优化能源结构,促进社会经济可持续发展等方面的突出作用,目前世界各国都在大力 发展和研究风力发电及其相关技术。 有人根据风力发电机的运行特征和控制方式,对风力发电系统进行分类研究;分别对 恒速恒频、变速恒频风力发电系统进行了研究;有人通过对风电系统的运行方式分类, 将风力发电系统分成离网型风力发电系统和并网型风力发电系统进行研究;有人通过对其 输出功率调节方式将风电系统分成变桨距调节型和定桨距失速调节型分别进行研究。天津 大学电气与自动化工程学院的夏长亮,宋战锋等进行了变速恒频风力发电系统变桨距自 抗扰控制研究,该文在分析变速恒频风力发电系统变桨距控制研究现状的基础上,基于自 抗扰控制理论设计风力发电系统变桨距控制器。建立了风机及变桨距机构模型,以转速为 量侧输入设计扩张状态观测器,观测系统状态及风速扰动,利用前馈环节予以补偿;同时, 根据状态偏差配置非线性结构,抑制转速偏差。浙江大学电气工程学院的刘其辉,贺益康, 赵仁德对变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制进行了研究,根据风力机的特性探讨 了追踪~捕获最大风能的方法;在分析双馈型异步发电机数学模型和磁场定向矢量变换控制 的基础上提出了变速恒频风力发电机的有功、无功功率解耦控制策略。 在风力发电系统中对风力机的控制是非常重要的,由于空气动力学的不确定性和发电 机、电力电子装置的复杂性,风力发电系统的模型很难准确的描述。诸如老化,大气条件 变化都会引起不同程度的功率变化,因此风力发电的模型具有很强的随机性、非线性和易 受外界干扰等特点。因此,风力发电控制器的稳定性是很关键的。随着模糊数学在控制领 域的广泛应用,因为模糊控制不需要获得精确的数学模型,叮以高效的综合专家经验,具 有较好的动态特性等优点,所以近年来在风力发电系统的控制方法上也开始大量的使用先 进的模糊控制技术,并给与其高度关注。上海交大的刘立群山等人对分布式风力发电系统 MPPT控制进行了研究,针对分布式风力发电机传统的扰动观察法和模糊法在风速变化频 繁的实际系统中输出效率较低不能充分发挥同步发电机的最佳性能提出了将模糊法和扰 动观察法相结合的最大功率点跟踪MPI方法。 122光伏发电研究现状 自20纪70年代全球发生石油危机以来,太阳能光伏发电技术在西方发达国家引起了 高度重视,各国政府从环境保护和能源可持续发展战略的角度岀发,纷纷制定政策,鼓励 和支持太阳能光伏发电技术在控制方法上。我国在20世纪70年代也对光伏发电进行了研 究,但是当时基本是没有任何外加控制的应用,随着能源危机的到来,人们对光伏发电进 行了深入的研究,使光伏发电的效率得到巨大的提升121 武汉科技大学硕士学位论文 第3页 如何获取光伏发电系统的最大输出功率提高系统工作效率是研究的重点,如今,获取 最大输出功率的控制方法141要有以下几种:开环控制方法如恒定电压法、短路电 流比例系数法和插值计算法等;闭环控制方法有扰动控制法、电导增量法等。随着模糊控 制在控制领域的广泛应用,基于模糊控制、基于神经网络等人工智能的控制方法也开始被 研究。如合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心的吴红斌,陶晓峰,丁明对光伏并 网发电系统的MPrT电压控制策略进行了仿真,根据光伏并网系统的结构,采用外环为电 压环、内环为并网电流环的双环控制。通过 abc/dq0变换将并网电流解耦为有功分量和无功 分量,引入最大功率点跟踪提供的直流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的有功分 量,引入交流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的无功分量,实现了具有MPT和电 压控制能力的三相光伏并网发电技术。华中科技大学的徐鹏威,刘飞,刘邦银,段普旭 等通过分析对4种常见的最大功率跟踪方法进行分析,比较了其优缺点针对MPT启动过程 中特性较差的问题,提出了一种改进型启动特性的MPT方法,获得了良好的效果。 123风光互补研究现状 风光互补发电由于综合了风能和光伏发电的优点,弥补了风力发电和光伏发电的不 足,现在国内外已经对风光互补发电展开了研究12。美国NRE实验室和 Colorado state Univers联合研制一种系统仿真软件 hybrid?2102,只要输入具体的负荷性能,风能特性以 及光照强度等数据, hybrid2软件便能够对风光互补发电系统进行仿真并得到仿真结果,其 功能强大,该软件的缺点是它只能够进行仿真,而不能进行优化设计。国内的一些科研机 构也对风光互补发电进行了详细的研究,如香港理工大学与中科院广州能源所、半导体研 究所共同在对风光互补发电系统进行研究时提出了运用CAD优化设计的办法。应用精准的 表征组件特性并通过实际的观测获取更加精确的风光资源模型,能够模拟出系统的实时状 态 风光互补发电系统的设计除了在以上方向取得长足进展以外,还通过利用电力电子技 术和现代控制技术24的发展来推进风光互补发电的发展,进一步的提高其工作效率和可 靠性。对各种DCDC变换技术的研究解决获取最大输出功率技术的问题。通过传感设备采 集系统的关键参数,将采集的信号传给微处理器,微处理器通过计算,产生输出信号控制 电力电子设备是风光互补发电系统工作在要求的状态,使系统能够稳定的自动运行。在我 国地广人稀的西部地区,很多小型的风光互补发电系统已经开始使用,能够解决当地居民 的用电问题。如今,风光互补发电系统已经广泛的应用在野外的通信基站,部分野外的 交通监控与指挥设备,郊区的路灯,山区居民供电,草原牧民供电等。 13本文的研究目标和主要内容 本文在对风光互补发电理论研究和对LED照明的研究基础上,设计了一种风光互补发 电控制系统。在硬件设计方面,以TMS320F2812167作为控制核心,我们对风光互补发电 控制系统的信号采集电路,PWM信号驱动电路,控制系统的辅助电源电路,LED驱动电 路,系统时钟电路等进行了研究和设计。在控制方法方面,对蓄电池采用分段式充电的方 第4页 武汉科技大学硕士学位论文 法,不同的阶段采用不同的充电方式。在不同的充电方式下,风光互补发电系统都采用不 同的控制方式。在恒流充电阶段风光系统都采用最大功率点跟踪的控制方式,在设计过程 中通过对各种不同的最大功率点跟踪控制方法进行分析对比,选择了适合本设计的控制方 式,对风光互补发电系统的最大功率跟踪控制分别使用了恒定电压法与基于滞环技术的扰 动观测法和变步长的最大功率点搜索控制方法。 论文组织如下 第一章介绍了风光互补发电以及LED照明的研究现状、意义,给出论文的组织结构。 第二章对风光互补发电的基础进行详细的介绍,分别对风力发电、光伏发电和蓄电池 的基本原理和数学模型进行了介绍 第三章对本课题在研究中的控制思想进行了分析,描述了风光互补发电系统的获取最 大输出功率的问题,对系统充电的控制方式做了详细的说明 第四章是控制器的设计部分,对控制器信号采集,PWM驱动,电源等部分进行详细 的设计,同时设计了系统的软件部分,将第三章中提到的控制算法用程序实现。 第五章对本文进行总结,在现有研究的基础上探讨以后的研究方向。 武汉科技大学硕士学位论文 第5贝 第二章风光互补发电系统理论基础 21风力发电系统 将风能转换为电能并存储的发电装置称为风力发电系统。风力发电系统是整个风光互 补发电系统中的一部分,主要是通过获取风能并转换成为电能并存储的装置。由风机,发 电机,控制器,电能存储装置组成。其结构框图如图21: 风力发电 机 控制器 蓄电池 LFD照明 图21风力发电系统结构框图 211风力机 现代的风能转换器发展起步于20世纪的20年代,但是到了80年代才有人对其进行专门 的研究,其在可再生能源方面起着重要的作用。 从流体力学的角度来分,风力机可以分为两种,一种是阻力风力机,另一种是升力风 力机,两种风机的转换效率有着较大的差别。阻力风力机是直接利用吹到风轮上的风压, 效率较低,只有10%~20%的能够利用;升力风机的效率则高出许多,科学家 Joukowski于 1907年发表的一种适应理论推算出其效率的极限值达到了59%。 现代风机较为普遍的采用高速旋转轴、水平主轴、上风向风轮和三个叶片的结构。其 空气动力学原理是风吹过叶片时,叶片的正反面压力不相等,这种压力会产生升力或者阻 力,使得叶片横切风流而开始旋转。从而将风能转换成为机械能。 以下是风力机的能量转换效率的推算过程,由于风吹过叶片后,其速度不可能降为零, 因此它所携带的能量不能完全转换为风机输出的机械能,所以可以推算出其最大利用效 率。质量为m,流动速率为的空气的动能E可表示成式(2.1)所示,单位为 E=-my 运动空气的功率P是动能的流动速率,单位为W xMy× (22) Mx—单位时间流过空气的质量 如果令P为运动空气的机械功率(W),空气的密度为p(kgm3),空气流过横截 面积为A(m2),流动速度为V(m/s)。 根据上面的假设可知,上游风的机械功率如下式所示,单位为W 第6页 武汉科技大学硕士学位论文 P=-pAV (23) 一般按照叶片扫过面积上每平方米的瓦特数来对两个风电场进行对比,也可以按照风 电场的功率密度P来计算,功率密度的计算公式如下,单位为/m2 (24) 上游风的功率密度也可以用类似式(24)的形式表示。叶片不能完全将风能转化为机 械能,部分能量吹过叶片后留在了下游风中,以降低后的风速继续运行。 风机实际转换的功率为上游风功率与下游风功率之差。计算方法由式(25)给出,单 位为W: f=×M×2-V M一—每秒流过的空气质量, P—风机转化的机械功率, V一—上游风速, V—下游风速。 对于叶片附近的空气流从宏观上来说,在风机叶片的旋转平面上,空气通过的速度是 不恒定的,速度从到V不连续的变化,其均值为(V+V0)/2。因此用空气密度乘以平均 速度,可以获得通过风机叶片旋转面的空气质量m2 + (26) 风机吸收的风能转化为机械功率用于驱动发电机工作,其计算表达式如(27)所示: + (27) 2 将(27)式整理得 1+ F (28) 因为风力机吸收的只是上游风能的一部分,因此(28)式又可以表示成为(29)的 形式 Po=-pAY'CE (29) 式中 1+-01 (210) 武汉科技大学硕士学位论文 第7页 对比式(23)和式(29),可以认为C代表风机叶片转换的上游风能的功率的一部 分,并送入发电机,剩余的功率继续存在于下游的风中,所以Cp就是风机的转换效率。 对于给定的上游风速,式(2.10)清楚的显示出Cp的值依赖于下游风速和上游风速之 比7/。风机效率—V/曲线显示C是一个单最大值点函数。当V/的值为9的时候, C2取最大值为059,也就是说上游风速是下游风速的3倍的时候风机的转换效率达到最高 为0.59。上述的结果可以通过 matlabl2303对式(210)作图进行验证,图形如图2所示 X: 0 Y.05926 =====4“=======b==a======“=4======== ==-= 图2Cp曲线 212风力发电机 风机获取的机械能通过交流或者直流发电机的作用变换成为电能。其中,交流发电机 包括同步发电机和异步发电机,异步发电机在风力发电行业得到了最广泛的应用。 异步电机消耗了工业用电用于驱动机械负载的大多数。异步电机拥有坚固的无刷结构 而且不需要独立的直流励磁功率,其很好的解决了直流电机和同步电机的不足,降低的生 产成本,又便于维护而且有较好的暂态特性。因此,由于它具有很好的经济性和可靠性, 异步电机在各种小型和大型的风电场都能够得到广泛的应用。 同步电机生产了人类使用的大多数电能。同步电机运行于一个恒定的速度,该速度与 面定的电源频率相关。同步电机不需要从电网吸收无功功率,这个优点是的同步电机与电 网的接囗处的电能质量比较好。传统的同步电机需要直流励磁来建立转子磁场,通常都是 使用转子轴滑环上的滑动碳刷,因此会影响系统的可靠性。而现代同步电机则可以通过自 身发出的电能给转子提供励磁电流,不仅降低了成本,还提高了电机的稳定性。 通常情况下,普通的同步电机和异步电机在使用时,需要专门的输入电源,在小型的