微电网平台的搭建与风光互补控制器的优化设计

摘要

本课题是2013年科研基地建设——微电网控制设计平台项目的主要组成部分。
　　现今社会，由于能源危机、环境问题的持续增剧，国内越来越多的专家学者已将研究方向放在了新能源发电。再切合目前我国存在一些偏远山区电力供应不足的实际问题，以及现在比较热门的家庭微电网概念的提出。本课题依托于这些大背景，在北京某高校的实训室内搭建一个微电网供电平台，旨在模拟在电力缺乏的偏远山区或在家庭中进行自发电、自用电的新颖模式。
　　本文首先根据要搭建微电网平台的功能需要，并结合周围的环境条件，对供电平台进行总体的规划。选择清洁能源风能、太阳能以及氢气燃料作为微电网的电源点，选择铅酸蓄电池进行储能，通过控制器对蓄电池进行合理充电，由蓄电池经过逆变器逆变后，供给实训室内各交流负载使用。同时对微电网内设备进行选型确定，并进行了实际的搭建工作，通过对系统运行的成功调试，实现对实训室内的用电负荷进行供电的功能。
　　对微电网平台的监控系统进行设计。课题是模拟在电力供应不发达的偏远山区，因此在远离发电现场的地方进行实时监控就显得十分重要。根据供电平台的实际情况对监控系统的整体硬件架构进行了设计，对传感器/变送器、数据采集卡进行选型，最后在LabVIEW开发环境下对上位机监控系统分四个部分（数据采集卡通讯、控制器通讯、数据的实时保存以及监控界面）进行了程序开发。
　　之后通过观察微电网供电平台运行一段时间后保存在数据库中的数据，发现由于风能、太阳能的不确定性，当风力发电机与太阳能电池板的输出电压低于蓄电池电压时就不能对蓄电池充电，浪费了资源;而且一旦蓄电池过放时，就不能正常工作，导致供电平台就不能供电。由此提出要对风光互补控制器进行优化设计。先对主电路的硬件拓扑结构进行选择，然后对各部分硬件电路，包括升压电路、驱动电路、卸荷刹车电路以及控制电路、通讯电路等等部分进行了设计。再对控制器软件实现部分进行开发，分别对系统主程序、蓄电池充电管理程序、PWM信号产生程序、A/D转换程序和通讯部分的程序进行了设计。最后通过Proteus软件对蓄电池的充电主电路进行了仿真验证，以及通过Keil和Proteus软件的联调对控制电路的功能进行了仿真验证。
　　最后根据控制器的原理图进行了PCB的设计，并印刷后完成元器件的焊接，再将程序下载到控制电路中，完成小功率的风光互补控制器的研制。利用实验室现有的设备搭建了一个小功率的风光互补发电系统，并对控制器的低压充电、市电切换等功能进行实验测试，证明了控制器能够实现预定的功能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要内容

1．3．1 论文主要内容

1．3．2 论文结构安排

第二章 微电网供电平台的搭建

2．1 供电平台的总体设计

2．1．1 供电平台的功能

2．1．2 布局设计

2．2 微型电源的选择

2．2．1 光伏发电技术

2．2．2 风力发电技术

2．2．3 燃料电池技术

2．3 储能设备的选择

2．3．1 蓄电池的容量

2．3．2 蓄电池的连接方式

2．4 控制器、逆变器的选择

2．4．1 风光部分的控制与逆变选择

2．4．2 燃料电池发电中DC-DC变换器与逆变器的选择

2．5 数据采集装置的选择

2．6 系统布线选型

2．7 本章小结

第三章 微电网监控系统

3．1 监控系统硬件架构

3．2 硬件的选择

3．2．1 传感器／变送器

3．2．2 数据采集卡

3．3 上位机监控设计

3．3．1 开发环境介绍

3．3．2 监控软件的设计

3．4 监控系统的应用

3．5 本章小结

第四章 风光互补控制器的硬件设计

4．1 运行过程中存在的现象

4．2 控制器主电路的选择与设计

4．2．1 主电路拓扑结构选择

4．2．2 主电路设计

4．3 硬件电路设计

4．3．1 升压电路

4．3．2 驱动电路

4．3．3 卸荷与刹车电路

4．3．4 主控芯片

4．3．5 采样电路

4．3．6 A／D转换电路

4．3．7 电源电路

4．3．8 市电切换电路

4．3．9 通讯电路

4．4 主电路的仿真

4．4．1 仿真环境介绍

4．4．2 主电路功能仿真

4．5 本章小结

第五章 风光互补控制器的软件设计

5．1 软件开发环境介绍

5．2 软件设计

5．2．1 系统主程序设计

5．2．2 对蓄电池的充电管理设计

5．2．3 PWM信号的产生设计

5．2．4 A／D转换的设计

5．2．5 RS485通讯的设计

5．3 控制电路的仿真

5．4 本章小结

第六章 PCB设计及实验测试

6．1 PCB设计

6．1．1 原理图的绘制

6．1．2 PCB的设计

6．1．3 PCB的焊接

6．2 控制器的实验测试

6．2．1 实验平台的搭建

6．2．2 低压充电功能实验

6．2．3 市电切换实验

6．3 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果